微机 —— 半导体存储器

半导体存储器

• • • • 存储器的分类
      • • • 内存储器（简称内存）
          • 外存储器
      • 半导体存储器的分类
      • • • 随机读写存储器RAM
          • 只读存储器ROM
      • 半导体存储器的主要技术指标
      • • • 1．存储容量 :
          • 2．存取时间
          • 3．存储周期
          • 4．功耗
          • 5．可靠性
          • 6．集成度
          • 7．性能/价格比
      • 半导体存储器芯片的基本结构
      • 典型半导体存储器介绍
      • • • 1、SRAM
          • 2、DRAM
          • 3、MROM
          • 4、PROM
          • 5、EPROM
          • 6、闪速存储器
      • 存储芯片的扩展

存储器是计算机的重要组成部分，计算机要执行的指令以及待处理的数据等都要事先存储在存储器中，以实现计算机自动的、连续的工作。

存储器的分类

按存取速度和用途可以把存储器分为两类：

内存储器（简称内存）

内存：通过系统总线直接与CPU相连、具有一定容量、存取速度快的存储器。

CPU可以直接对内存进行访问，计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入内存后方可被CPU读取并执行。

外存储器

外存：通过接口电路与系统相连、存储容量大而速度较慢的存储器。

外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。

通常将外存并入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。

半导体存储器的分类

随机读写存储器RAM

RAM是可读、可写的存储器，CPU可以对RAM的内容随机地读写访问，RAM中的信息断电后即丢失。

随机读写存储器RAM分为：双极型、MOS型

双极型存储器：存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器；

MOS型存储器：集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。

MOS型存储器又分为：

静态RAM(Static RAM，简称SRAM)：SRAM存储电路以双稳态触发器为基础，状态稳定，只要不掉电，信息不会丢失。
    优点是不需要刷新，控制电路简单，但集成度较低。
    适用于不需要大存储容量的计算机系统

动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)：DRAM存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高，但也存在问题，即电容中的电荷由于漏电会逐渐丢失，因此DRAM需要定时刷新
    它适用于大存储容量的计算机系统。  

只读存储器ROM

ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失，常用来存放不需要改变的信息(如某些系统程序)，信息一旦写入就固定不变了

只读存储器ROM又分为：

  掩膜式ROM：用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好，不能更改；
  可编程ROM(简称PROM)：用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；
  可擦除的PROM(简称EPROM)：其内容可用紫外线擦除，用户可对其进行多次编程；
 电擦除的PROM(简称EEPROM或E2PROM)：能以字节为单位擦除和改写。

半导体存储器的主要技术指标

1．存储容量 :

存储容量越大，所能存储的信息越多，计算机系统的功能便越强

   (1)用字数x位数表示，以位为单位。
       常用来表示存储芯片的容量，如1 Kx4位，表示该芯片有1 K个单元(1 K=1024)，每个存储单元的长度为4位。
   (2) 用字节数表示容量，以字节为单位，如128 B，表示该芯片有 128个单元，每个存储单元的长度为8位。
       现代计算机存储容量很大，常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小。

2．存取时间

存取时间越小，存取速度越快

存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

 eg:读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间。

3．存储周期

一般情况下，存储周期略大于存取时间

是衡量主存储器工作速度的重要指标

连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的最短间隔时间称为存储周期。

4．功耗

功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。

5．可靠性

MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强

可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。

存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF来衡量，MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。

6．集成度

集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来表示。

7．性能/价格比

性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。

半导体存储器芯片的基本结构

半导体存储器芯片一般由存储体和外围电路两大部分组成，如图所示

1、存储体由大量的基本存储电路组成

2、 外围电路主要包括：

（1）地址译码电路

 存储芯片中的地址译码电路对CPU从地址总线发来的n位地址信号进行译码，经译码产生的选择信号可以惟一地选中片内某一存储单元，在读/写控制电路的控制下可对该单元进行读/写操作。 

芯片内部的地址译码方式主要有两种：
（1）单译码方式：适用于小容量的存储器芯片
（2）双译码方式：适用于容量较大的存储器芯片

（2）三态数据缓冲器

（3）控制逻辑两部分组成的读/写控制电路

典型半导体存储器介绍

1、SRAM

（1）SRAM的基本存储电路
静态RAM的基本存储电路通常由6个MOS管组成，如图为六管SRAM存储电路：

写操作：

如果要写入“1”，则在I/O线上加上高电平，在I/O线上加上低电平，并通过导通的V5、V6、V7、V8  4个晶体管，把高、低电平分别加在A、B点，即A=“1”，B=“0”，使V1管截止，V2管导通。当输入信号和地址选择信号(即行、列选通信号)消失以后，V5、V6、V7、V8管都截止，V1和V2管就保持被强迫写入的状态不变，从而将“1”写入存储电路。此时，各种干扰信号不能进入V1和V2管。所以，只要不掉电，写入的信息不会丢失。

写入“0”的操作与其类似，只是在I/O线上加上低电平，在I/O线上加上高电平
读操作：

若该基本存储电路被选中，则V5、V6、V7、V8管均导通，于是A、B两点与位线D和D相连，存储的信息被送到I/O与I/O线上。读出信息后，原存储信息不会被改变。

缺点：故集成度较低，静态RAM的功耗比较大
优点：不需要刷新电路，简化了外围电路 

（2）Intel 2114 SRAM 芯片

Intel 2114 SRAM芯片的容量为1 Kx4位，18脚封装，+5 V电源，有4096个基本存储电路

Intel 2114 芯片中，将4096个基本存储电路排成64行x64列的存储矩阵，每根列选择线同时连接4位列线，对应于并行的4位(位于同一行的4位应作为同一单元的内容被同时选中)，从而构成了64行x16列=1 K个存储单元，每个单元有4位。1 K个存储单元应有A0~A9 10个地址输入端，2114片内地址译码采用双译码方式，A3~A8 6根用于行地址译码输入，经行译码产生64根行选择线，A0、A1、A2和A9 4根用于列地址译码输入，经过列译码产生16根列选择线。

 地址输入线A0~A9送来的地址信号分别送到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元(有4个存储位)。
   
   当片选信号CS＝0且WE＝0时，数据输入三态门打开，I/O电路对被选中单元的4位进行写入；
   当CS＝0且WE＝1时，数据输入三态门关闭，而数据输出三态门打开，I/O电路将被选中单元的4位信息读出送数据线；
   当CS＝1即CS无效时，不论WE为何种状态，各三态门均为高阻状态，芯片不工作

2、DRAM

动态RAM的基本存储电路利用电容存储电荷的原理来保存信息，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，因而对动态RAM必须定时进行刷新，使泄漏的电荷得到补充。

动态RAM的基本存储电路主要有六管、四管、三管和单管

单管动态存储电路

四管动态存储电路

2、Intel 2164A 内部结构

2164A的读/写操作由WE信号来控制：

读操作时，WE为高电平，选中单元的内容经三态输出缓冲器从DOUT引脚输出；
写操作时，WE为低电平，DIN引脚上的信息经数据输入缓冲器写入选中单元。
2164A没有片选信号，实际上用行地址和列地址选通信号RAS和CAS作为片选信号，可见，片选信号已分解为行选信号与列选信号两部分。 

3、MROM

MROM的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的，写入后不能修改。

MROM采用二次光刻掩膜工艺制成，首先要制作一个掩膜板，然后通过掩膜板曝光，在硅片上刻出图形。制作掩膜板工艺较复杂，生产周期长，因此生产第一片MROM的费用很大，而复制同样的ROM就很便宜了，所以适合于大批量生产，不适用于科学研究。

MROM有: 双极型、MOS型等

4、PROM

可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0，用户可用专门的PROM写入器将信息写入，这种写入是破坏性的，即某个存储位一旦写入1，就不能再变为0，因此对这种存储器只能进行一次编程。

根据写入原理PROM可分为两类：结破坏型和熔丝型

5、EPROM

根据擦除芯片内已有信息的方法不同，可擦除、可再编程ROM可分为两种类型：

（1）紫外线擦除PROM(简称EPROM)

（2）电擦除PROM(简称EEPROM或E^2PROM)。

EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2 Kx8)、2732(4 Kx8)、2764(8 Kx8)、27128(16 Kx8)、27256(32 K x 8)等。

2716 EPROM芯片采用NMOS工艺制造，双列直插式24引脚封装。其内部结构如图6.16所示

1)  2716的内部结构和外部引脚
   A0～A10：11条地址输入线。其中7条用于行译码，4条用于列译码。
   O0～O7：8位数据线。编程写入时是输入线，正常读出时是输出线。 
   CS：片选信号。当CS＝0时，允许2716读出。
   PD/PGM：待机/编程控制信号，输入。
   VPP：编程电源。在编程写入时，VPP＝+25 V；正常读出时，VPP＝+5 V。
   VCC：工作电源，为+5 V。

2. 2716的工作方式
   

     (1) 读出方式：当CS＝0时，此方式可以将选中存储单元的内容读出。
     (2) 未选中：当CS＝l时，不论PD/PGM的状态如何，2716均未被选中，数据线呈高阻态。
     (3) 待机(备用)方式：当PD/PGM＝1时，2716处于待机方式。这种方式和未选中方式类似，但其功耗由525 mW下降到132 mW，下降了75%，所以又称为功率下降方式。这时数据线呈高阻态。
     (4) 编程方式：当VPP＝+25 V，CS＝l，并在PD/PGM端加上52 ms宽的正脉冲时，可以将数据线上的信息写入指定的地址单元。数据线为输入状态。
     (5) 校验编程内容方式：此方式与读出方式基本相同，只是VPP＝+25 V。在编程后，可将2716中的信息读出，与写入的内容进行比较，以验证写入内容是否正确。数据线为输出状态。
     (6) 禁止编程方式：此方式禁止将数据总线上的信息写入2716。 
   

6、闪速存储器

 Flash存储器既有MROM和RAM两者的性能，又有MROM、DRAM一样的高密度、低成本和小体积。
 目前惟一具有大容量、非易失性、低价格、可在线改写和较高速度几个特性共存的存储器。
 同DRAM比较，F1ash存储器有两个缺点：可擦写次数有限和速度较慢。所以从目前看，它还无望取代DRAM，但它是一种理想的文件存储介质，特别适用于在线编程的大容量、高密度存储领域。

存储芯片的扩展

对存储芯片进行扩展与连接时要考虑两方面的问题：一是如何用容量较小、字长较短的芯片，组成满足系统容量要求的存储器；另一个是存储器如何与CPU连接。

这里仅总结了存储芯片的扩展方法：

（1）位扩展

    位扩展是指存储芯片的字(单元)数满足要求而位数不够，需对每个存储单元的位数进行扩展

（2）字扩展

    字扩展用于存储芯片的位数满足要求而字数不够的情况，是对存储单元数量的扩展

（3）字位同时扩展

在实际应用中，往往会遇到字数和位数都需要扩展的情况。

    若使用lxk位存储器芯片构成一个容量为MxN位(M>l，N>k)的存储器，那么这个存储器共需要(M/l)x(N/k)个存储器芯片。连接时可将这些芯片分成(M/l)个组，每组有(N/k)个芯片，组内采用位扩展法，组间采用字扩展法。