半导体存储器51371 (2)课件

教学内容

本章在简要介绍半导体存储器的分类和基本存储元电路的基础上，重点介绍了常用的几种典型存储器芯片及其与CPU之间的连接与扩展问题，并简要介绍了目前广泛应用的几种新型存储器。具体内容如下：1、半导体存储器的分类2、随机读写存储器3、只读存储器4、存储器与CPU的连接5、新型存储器简介学习要求

1、了解各种半导体存储器的特点及应用场合。2、了解随机读写存储器和只读存储器的结构原理及工作特点。3、掌握存储器芯片的位扩展和字扩展方法。特别应注意掌握存储器芯片与地址总线的连接问题。第6章半导体存储器6.1概述6.2随机读写存储器(RAM)6.3只读存储器(ROM)6.4存储器的扩展6.5几种新型存储器简介外存的容量很大，如CD–ROM光盘可达650 MB，硬盘则可达几GB甚至几十GB，而且容量还在不断增加。通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。早期的内存使用磁芯。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，所以在微型计算机中，目前内存一般都使用半导体存储器。图6.1半导体存储器的分类6.1.2半导体存储器的分类从应用角度可将半导体存储器分为两大类：随机读写存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。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。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。根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。双极型存储器具有存取速度快、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型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。只读存储器ROM在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入存储器。目前常见的有：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(ProgrammableROM，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(ErasablePROM，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(ElectricallyErasablePROM，简称EEPROM或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写。6.1.3半导体存储器的主要技术指标1．存储容量

(1)用字数位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯片的容量，如1 K4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。其中，1 KB＝210 B＝1024 B；1 MB＝220 B＝1024 KB；1 GB＝230 B＝l024 MB；1TB＝240 B＝1024GB。显然，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。2．存取时间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。例如，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。显然，存取时间越小，存取速度越快。5．可靠性

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(MeanTimeBetweenFailures)来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强。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。6.1.4半导体存储器芯片的基本结构图6.2半导体存储器组成框图2．外围电路外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲器、控制逻辑两部分组成的读/写控制电路。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。2)读/写控制电路读/写控制电路接收CPU发来的相关控制信号，以控制数据的输入/输出。三态数据缓冲器是数据输入/输出的通道，数据传输的方向取决于控制逻辑对三态门的控制。CPU发往存储芯片的控制信号主要有读/写信号(R/W)、片选信号(CS)等。值得注意的是，不同性质的半导体存储芯片其外围电路部分也各有不同，如在动态RAM中还要有预充、刷新等方面的控制电路，而对于ROM芯片在正常工作状态下只有输出控制逻辑等。3．地址译码方式芯片内部的地址译码主要有两种方式，即单译码方式和双译码方式。单译码方式适用于小容量的存储芯片，对于容量较大的存储器芯片则应采用双译码方式。1)单译码方式单译码方式只用一个译码电路对所有地址信息进行译码，译码输出的选择线直接选中对应的单元，如图6.3所示。一根译码输出选择线对应一个存储单元，故在存储容量较大、存储单元较多的情况下，这种方法就不适用了。以一个简单的16字4位的存储芯片为例，如图6.3所示。将所有基本存储电路排成16行4列(图中未详细画出)，每一行对应一个字，每一列对应其中的一位。每一行的选择线和每一列的数据线是公共的。图中，A0A34根地址线经译码输出16根选择线，用于选择16个单元。例如，当A3A2A1A0=0000，而片选信号为CS=0，WR=1时，将0号单元中的信息读出。2)双译码方式双译码方式把n位地址线分成两部分，分别进行译码，产生一组行选择线X和一组列选择线Y，每一根X线选中存储矩阵中位于同一行的所有单元，每一根Y线选中存储矩阵中位于同一列的所有单元，当某一单元的X线和Y线同时有效时，相应的存储单元被选中。图6.4给出了一个容量为1K字(单元)1位的存储芯片的双译码电路。1K(1024)个基本存储电路排成3232的矩阵，10根地址线分成A0~A4和A5~A9两组。A0~A4经X译码输出32条行选择线，A5~A9经Y译码输出32条列选择线。行、列选择线组合可以方便地找到1024个存储单元中的任何一个。例如，当A4A3A2A1A0=00000，A9A8A7A6A5=00000时，第0号单元被选中，通过数据线I/O实现数据的输入或输出。图中，X和Y译码器的输出线各有32根，总输出线数仅为64根。若采用单译码方式，将有1024根译码输出线。图6.4双译码方式图6.5六管静态RAM存储电路V7、V8管为列选通管，配合V5、V6两个行选通管，可使该基本存储电路用于双译码电路。当行线X和列线Y都为高电平时，该基本存储电路被选中，V5、V6、V7、V8管都导通，于是A、B两点与I/O、I/O分别连通，从而可以进行读/写操作。写操作时，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。读操作时，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。由于静态RAM的基本存储电路中管子数目较多，故集成度较低。此外，T1和T2管始终有一个处于导通状态，使得静态RAM的功耗比较大。但是静态RAM不需要刷新电路，所以简化了外围电路。图6.6Intel2114内部结构图6.7Intel2114引脚及逻辑符号(a)引脚；(b)逻辑符号地址输入线A0A9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。6.2.2动态RAM1．动态RAM的基本存储电路动态存储器和静态存储器不同，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、三管和单管等几种形式，在这里我们介绍四管和单管动态RAM基本存储电路。1)四管动态RAM基本存储电路图6.5所示的六管静态RAM基本存储电路依靠Vl和V2管来存储信息，电源VCC通过V3、V4管向V1、V2管补充电荷，所以Vl和V2管上存储的信息可以保持不变。实际上，由于MOS管的栅极电阻很高，泄漏电流很小，即使去掉V3、V4管和电源VCC，Vl和V2管栅极上的电荷也能维持一定的时间，于是可以由V1、V2、V5、V6构成四管动态RAM基本存储电路，如图6.8所示。图6.8四管动态RAM存储电路电路中，V5、V6、V7、V8管仍为控制管，当行选择线X和列选择线Y都为高电平时，该基本存储电路被选中，V5、V6、V7、V8管都导通，则A、B点与位线D、D分别相连，再通过V7、V8管与外部数据线I/O、I/O相通，可以进行读/写操作。同时，在列选择线上还接有两个公共的预充管V9和V10。写操作时，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、V84个晶体管，把高、低电平分别加在A、B点，将信息存储在V1和V2管栅极电容上。行、列选通信号消失以后，V5、V6截止，靠V1、V2管栅极电容的存储作用，在一定时间内可保留所写入的信息。读操作时，先给出预充信号使V9、V10导通，由电源对电容CD和CD进行预充电，使它们达到电源电压。行、列选择线上为高电平，使V5、V6、V7、V8导通，存储在V1和V2上的信息经A、B点向I/O、I/O线输出。若原来的信息为“1”，即电容C2上存有电荷，V2导通，V1截止，则电容CD上的预充电荷通过V6经V2泄漏，于是，I/O线输出0，I/O线输出1。同时，电容CD上的电荷通过V5向C2补充电荷，所以，读出过程也是刷新的过程。2)单管动态RAM基本存储电路单管动态RAM基本存储电路只有一个电容和一个MOS管，是最简单的存储元件结构，如图6.9所示。在这样一个基本存储电路中，存放的信息到底是“1”还是“0”，取决于电容中有没有电荷。在保持状态下，行选择线为低电平，V管截止，使电容C基本没有放电回路(当然还有一定的泄漏)，其上的电荷可暂存数毫秒或者维持无电荷的“0”状态。3)动态RAM的刷新动态RAM是利用电容C上充积的电荷来存储信息的。当电容C有电荷时，为逻辑“1”，没有电荷时，为逻辑“0”。但由于任何电容都存在漏电，因此，当电容C存有电荷时，过一段时间由于电容的放电过程导致电荷流失，信息也就丢失。因此，需要周期性地对电容进行充电，以补充泄漏的电荷，通常把这种补充电荷的过程叫刷新或再生。随着器件工作温度的增高，放电速度会变快。刷新时间间隔一般要求在1~100ms。工作温度为70℃时，典型的刷新时间间隔为2ms，因此2ms内必须对存储的信息刷新一遍。尽管对各个基本存储电路在读出或写入时都进行了刷新，但对存储器中各单元的访问具有随机性，无法保证一个存储器中的每一个存储单元都能在2ms内进行一次刷新，所以需要系统地对存储器进行定时刷新。

2．Intel2164A动态RAM芯片Intel2164A芯片的存储容量为64K1位，采用单管动态基本存储电路，每个单元只有一位数据，其内部结构如图6.10所示。2164A芯片的存储体本应构成一个256