【大学课件】电子技术 半导体存储器

半导体存储器半导体存储器是现代电子设备的核心组件。它们利用半导体材料的特性，存储和读取数据。半导体存储器概述半导体存储器是现代电子设备的核心组件，用于存储数据和指令。它们使用半导体材料，如硅或锗，来构建存储单元。半导体存储器被广泛应用于计算机、手机、平板电脑等各种电子设备。它们提供快速访问速度，并且易于集成到电子系统中。半导体存储器的分类按存储介质分类半导体存储器主要分为两大类，即静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。按读写特性分类根据读写特性，可将半导体存储器分为只读存储器（ROM）和可读写存储器。半导体存储器的发展历程120世纪60年代第一代半导体存储器，如早期的DRAM220世纪70年代第二代半导体存储器，如SRAM，EPROM320世纪80年代第三代半导体存储器，如EEPROM，闪存420世纪90年代至今第四代半导体存储器，如DDRSDRAM，NAND闪存半导体存储器经历了从单一功能到多功能，从低集成度到高集成度，从低容量到高容量的演变过程。半导体存储器的重要性11.数据存储现代社会中数据量爆炸，存储器提供可靠的数据存储空间，是现代信息技术的基础。22.数据处理计算机系统需要快速访问数据，存储器是数据处理过程中不可或缺的关键部件，为数据处理提供高速通道。33.设备运行存储器在各种电子设备中扮演着至关重要的角色，为设备运行提供必要的程序和数据，保证设备正常运行。44.社会发展随着信息技术的不断发展，存储器在各种应用中发挥着越来越重要的作用，推动着社会发展。半导体存储器的基本特性非易失性即使断电后，数据依然能够保存。随机存取能够直接访问任何存储单元，无需顺序访问。速度快读写速度快，能满足现代计算机的高速运行要求。体积小集成度高，体积小巧，便于集成到各种电子设备中。半导体存储器的基本结构集成电路芯片半导体存储器由集成电路芯片构成，这些芯片包含了存储单元、地址译码器、读写电路等。存储单元每个存储单元能够存储一个二进制位的信息，由晶体管、电容等元件组成。地址译码器地址译码器将逻辑地址转换为物理地址，用于定位存储单元。读写电路读写电路控制存储单元的读写操作，实现数据的存储和读取。半导体存储器的工作原理数据存储半导体存储器通过控制晶体管的导通或截止状态来存储数据，导通代表逻辑“1”，截止代表逻辑“0”。地址选择存储器内部有地址译码器，根据地址信号选择具体的存储单元，进行读写操作。数据读写读操作时，根据地址选择要读取的单元，并将其数据输出到数据总线上；写操作时，根据地址选择要写入的单元，并将数据写入到该单元。刷新操作动态随机存取存储器（DRAM）需要定期刷新，以保持数据存储。半导体存储器的主要指标半导体存储器的主要指标包括读写速度、容量、功耗、工作电压和工作温度等。这些指标直接影响着存储器的性能和使用范围。半导体存储器的读写操作1写入操作写入操作是指将数据写入到存储单元的过程。写入操作通常通过将数据写入到存储器中的特定地址来完成。2读取操作读取操作是指从存储单元读取数据的过程。读取操作通常通过从存储器中的特定地址读取数据来完成。3数据传输读写操作涉及到数据在存储器和CPU之间传输，通过数据总线进行传输，确保数据安全可靠传递。半导体存储器的编址方式线性编址每个存储单元都有唯一的地址，地址从0开始连续排列。简单易懂，易于实现，但地址空间有限。页式编址将存储器空间划分为多个页面，每个页面包含多个存储单元。逻辑地址分为页号和页内偏移量。地址空间更大，但管理更复杂。段式编址将存储器空间划分为多个段，每个段包含多个存储单元。逻辑地址分为段号和段内偏移量。适合程序模块化管理，但地址空间可能存在碎片。段页式编址将存储器空间同时划分为段和页，逻辑地址分为段号、页号和页内偏移量。兼具段式和页式的优点，但地址空间更大，管理更复杂。半导体存储器的信号时序半导体存储器的信号时序是指存储器读写操作过程中各个信号的出现顺序和时间关系。它对存储器正常工作至关重要。信号时序主要包括地址信号、数据信号、控制信号和时钟信号，它们共同协作完成存储器的读写操作。常见半导体存储器DRAM动态随机存取存储器DRAM是目前使用最广泛的一种半导体存储器，它利用电容来存储数据，需要定期刷新来防止数据丢失。DRAM模块DRAM通常以模块的形式提供，例如DIMM或SODIMM，用于安装到计算机主板上，提供系统内存。DRAM结构DRAM结构包括存储单元阵列、行/列地址译码器、读/写电路、刷新电路等，这些组成部分共同完成数据的存储和访问操作。DRAM的原理及特点1动态随机存取存储器DRAM是一种常用的半导体存储器，以电容存储数据。电容需要定期刷新才能保持数据，否则数据会丢失。2高密度、低成本由于其结构简单，DRAM在存储密度上具有优势，且成本相对较低，广泛应用于电脑内存。3高速存储器与其他存储器相比，DRAM具有较高的读写速度，满足高速数据处理的需求。4易失性DRAM是易失性存储器，断电后数据会丢失，需要定期刷新来保持数据。DRAM的读写操作1读操作将存储单元内容复制到外部2地址选通根据地址信号，选择相应的存储单元3数据读取通过数据线，将存储单元内容传递到外部4写操作将外部数据写入存储单元写操作过程类似，先选通地址，然后将数据写入到相应的存储单元。读写操作通常需要时钟信号控制，确保数据传输同步。DRAM的刷新机制1电容泄漏DRAM使用电容存储数据，电容会随着时间推移而泄漏，导致数据丢失。2周期性刷新刷新操作定期读取并重新写入数据，以确保数据完整性。3刷新周期刷新周期通常为几毫秒，根据DRAM类型和环境温度而有所不同。常见半导体存储器SRAM高速存取SRAM的读写速度非常快，通常比DRAM快一个数量级。数据保持SRAM不需要刷新，可以长期保存数据，无需担心数据丢失。功耗较高由于SRAM需要持续供电才能保持数据，因此其功耗比DRAM高。成本较高SRAM的集成度不如DRAM高，成本也相对较高。SRAM的原理及特点静态存储SRAM是一种静态随机存取存储器，使用晶体管和电容来存储数据。存储单元由一个晶体管和一个电容组成，它们形成一个保持数据值的回路，不会丢失数据。高速存取SRAM的读写速度非常快，因为数据被直接存储在晶体管和电容中，无需刷新。这使得SRAM非常适合需要高速访问数据的应用，例如高速缓存。功耗高SRAM的功耗较高，因为保持数据需要不断向晶体管供电。此外，SRAM的存储密度较低，与DRAM相比，存储相同数量的数据需要更大的面积。价格昂贵由于SRAM具有较高的速度和复杂性，其价格也相对较高。SRAM通常用于需要高速访问数据的应用，例如高速缓存和嵌入式系统。SRAM的读写操作1数据写入通过地址总线选择存储单元，将数据写入存储单元2地址选择根据地址总线上的地址信息，找到对应存储单元3数据读取通过地址总线选择存储单元，从存储单元读取数据SRAM的读写操作简单高效，写入数据时，将数据写入对应存储单元，读取数据时，将存储单元中的数据输出。常见半导体存储器ROM只读存储器ROM是只读存储器，其数据在制造过程中写入，无法修改。ROM用于存放程序代码，引导信息和数据表等。ROM应用ROM广泛应用于计算机系统，嵌入式系统和消费电子产品中，为系统提供基本的操作指令和数据。ROM结构ROM采用特定类型的存储单元，这些单元在制造过程中被写入，然后保持不变，用于存储不可更改的信息。ROM的分类及特点1掩模ROM掩模ROM在制造过程中写入数据，无法修改。2可编程ROM可编程ROM允许用户一次性编程写入数据。3可擦除可编程ROM可擦除可编程ROM允许用户擦除并重新编程多次。4电可擦除可编程ROM电可擦除可编程ROM允许用户使用电信号进行擦除和编程。ROM的读写操作读取操作ROM只能读取，不能写入，读取过程是直接访问存储单元，并读取存储单元的内容。写入操作ROM在出厂时就已经写入数据，通常无法在使用过程中修改数据，某些类型的ROM可以一次写入，之后就不能修改。数据存储ROM用于存储固定的程序或数据，这些数据通常是不可更改的。常见半导体存储器EPROMEPROM是一种紫外线可擦除可编程只读存储器，具有非易失性，可重复擦除和编程的特性。EPROM芯片具有一个透明的石英窗口，可以通过紫外线照射来擦除数据，编程时需要使用特殊的编程器。EPROM通常用于存储固件、引导程序和其他需要非易失性存储的程序，但在现代应用中，已经逐渐被EEPROM和Flash存储器取代。EPROM的原理及特点原理EPROM使用浮栅晶体管存储数据。通过紫外线照射，可以改变浮栅电荷，从而擦除数据。特点EPROM具有非易失性，数据可永久存储。读写速度较慢，擦除需要紫外线照射，不方便。EPROM的编程与擦除1擦除紫外线照射2编程高压电写入3验证读出数据确认EPROM编程通常需要专门的编程器，在编程前需要先擦除存储单元，通过紫外线照射的方式清除所有数据。编程过程通过高压电写入数据，最后通过读出数据进行验证。常见半导体存储器Flash非易失性存储器Flash存储器是一种非易失性存储器，这意味着即使断电后数据仍然保留。高密度存储Flash存储器具有高密度存储容量，可以存储大量数据，适用于各种应用。高速读写Flash存储器具有较快的读写速度，能够满足现代电子设备的快速数据访问需求。耐用性Flash存储器具有良好的耐用性，可以承受多次擦写操作，适用于需要频繁数据写入的应用。Flash的原理及特点非易失性存储器Flash存储器是一种非易失性存储器，即使断电后，数据也能保持。高密度存储Flash存储器具有高密度存储特性，可以存储大量数据。快速读写Flash存储器读取速度快，写入速度相对较慢，但比传统的ROM速度更快。可擦写Flash存储器可以重复擦除和写入数据，具有较长的寿命。Flash的编程与擦除1编程Flash存储器采用电荷泵技术，通过在控制栅极上施加电压，将电子写入到浮动栅极中，从而完成编程操作。编程时间取决于存储单元的大小和编程电压。2擦除擦除操作需要对整个块或扇区进行。通过对控制栅极施加高电压，将浮动栅极中的电子释放到隧穿氧化层中，从而擦除存储单元。3编程和擦除Flash存储器可反复编程和擦除，但擦除次数有限。每次擦除操作都会降低Flash存储器的寿命。半导体存储器的应用领域计算机系统半导体存储器是计算机系统的核心部件，用于存储程序、数据和其他信息。例如，计算机中的内存、硬盘和固态硬盘都使用半导体存储器。消费电子产品半导体存储器广泛应用于智能手机、平板电脑、数字相机和游戏机等消费电子产品。它们用于存储应用程序、照片、视频和其他用户数据。工业自动化半导体存储器在工业自动化系统中发挥着重要作用，用于存储控制程序、参数和实时数据。它们在机器控制、数据采集和过程监控等方面应用广泛。网络设备半导体存储器用于路由器、交换机和