第 5 章半导体存储器

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第 5 章半导体存储器 • 存储器是组成计算机系统的重要部件，它用来保存计算机工作所必须的程序和数据，并用来存放计算机在运行过程中产生的有用信息• 存储器由具有记忆功能的两态物理器件组成，如电容、双稳态电路等• 存储器有两种基本操作：读操作和写操作

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5.1 半导体存储器分类按所处地位不同，分为：• 内存和外存• 内存：存放当前运行所需要的程序和数据，以便向 CPU快速提供信息，相对辅存而言，主存的存取速度快，但容量较小，且价格较高• 外存：用来存放当前暂不参与运行的程序、数据和文件，以及一些永久性保存的程序、数据和文件，在 CPU 需要处理时再成批地与主存交换。特点是存储容量大，价格低，但存取速度较慢按存储介质，分为：• 磁存储器（磁芯、磁盘及磁带）、半导体存储器（半导体集成电路存储器）、光存储器、激光光盘存储器• 半导体存储器按工作方式分为 RAM 和 ROM • 半导体存储器从器件原理分为 TTL 和 MOS

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半导体存储器分类

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TTL 和 MOS 存储器• TTL 存储器：双极型存储器，是用 TTL（ Transistor-Tra

nsistor Logic，晶体管 -晶体管逻辑）电路制成的存储器，其特点是工作速度快，功耗大，集成度低，因此计算机中的容量较小要求速度快的高速缓存（ Cache）常采用双极型存储器。• MOS 存储器：单极型存储器，是用 MOS （ Medal-Oxide-

Semiconductor ，金属氧化物半导体）电路制成的存储器，其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但工作速度比双极型存储器低。在计算机的主存中大量采用 MOS 存储器

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随机访问存储器 RAM• RAM ：随机访问存储器（ Random Access Memory），特点是存储器中的信息既能随时读出，也能随时写入， RAM中信息在关机后即消失• RAM分为 DRAM和 SRAM两种• SRAM ：静态 RAM （ Static RAM），利用半导体触发器的两个稳定状态表示“ 1” “和 0”。电源不关掉， SRAM的信息不会消失，不需刷新电路，非破坏性读出• DRAM ：动态 RAM （ Dynamic RAM），利用 MOS 管的栅极对其衬底间的分布电容保存信息， DRAM 的每个存储单元所需 MOS 管较少，因此集成度高，功耗小， DR

AM 中的信息会因电容漏电而逐渐消失，破坏性读出，读后需重写• DRAM 信息的保存时间一般为 2ms ，需配置刷新或重写电路

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只读存储器 ROM• ROM ：只读存储器（ Read Only Memory），使用时只能读出其中信息，而不能写入新的信息。 ROM中信息关机后不消失• 按写入方式， ROM分为以下几种类型• 掩膜 ROM（Masked ROM）：生产时已将程序、数据写入其中，用户只能读出，不能修改• PROM（ Programmable ROM）：可编程 ROM ， PROM中的程序是由用户自行写入的，但一经写入就无法更改了，是一种一次性写入的 ROM。• EPROM （ Erasable Programmable ROM ）：可擦除可编程 ROM ， EPROM可由用户自行写入程序，写入后的内容可用紫外线灯照射来擦除，然后可重新写入内容。 EPROM可多次改写• E2PROM （ Electrically Erasable Programmable ROM）：电可擦除可编程 ROM ，可用电信号进行清除和重写的存储器。 E2PROM 使用方便，但存取速度较慢，价格较贵

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存储器芯片的主要技术指标• 存储容量：可寻址的存储器单元数 × 每单元二进制位数，例如， SRAM6264 容量为 8K×8 ，即它有 8K 个存储单元，每单元存储 8 位二进制数• 存取时间：存储器访问时间，启动一次存储器操作到完成该操作所需要的时间• 存取周期：连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间• 可靠性：用故障间隔平均时间（ MTBF）来表示• 功耗：要求低功耗

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5.2 读写存储器 RAM • 静态 RAM 基本存储电路• 6 个 MOS 管组成双稳态电路• T1截止 T2 导通为“ 0” ， T

1 导通 T2 截止为“ 1”

• T1T2 工作管， T3T4负载管，T5 T6T7T8控制管（其中 T7T8共用）

• 写入： X线 Y线有效，使 T5T6T7 T8 导通，写控制有效，使单元数据线与外部数据线连通，靠 T1T2 的截止与导通记录信息

• 读出： X线 Y线有效，使 T5T6T7 T8 导通，读控制有效，使单元数据线与外部数据线连通，从 T2端读出信息

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静态 RAM 芯片构成• 三个部分组成：存储体行列译码器控制电路

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芯片实例 SRAM 2114• 容量 1K × 4

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芯片实例 SRAM 6116

• 容量 :2K×8• 片内有 16384 个存储单元，排成 128×128 的矩阵，构成 2

K 个字， 11 条地址线分成 7条行地址线 A4～ A10 ， 4条列地址线 A0～ A3 ，字长 8 位，有 8条数据线 D7～ D0

• 双列直插式芯片• 24 个引脚

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芯片实例 SRAM 6264

• 容量： 8K×8• 双列直插式芯片• 28 个引脚，其中一个空引脚• 内部结构类似 SRAM 2114

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SRAM 6264 时序写时序

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SRAM 6264 时序读时序

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SRAM 6264 控制信号

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SRAM 接口设计• 存贮器与 CPU的接口应包括三部分内容：（ 1）与地址总线的接口（ 2）与数据总线的接口（ 3 ）与相应控制线的接口 • 存储器接口设计关键在于片选信号的连接• 片选有三种设计方法：（ 1）线性片选法（ 2）全地址译码（ 3 ）部分地址译码

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SRAM 接口设计逻辑门组合全地址译码

• 全地址译码分为两种：逻辑门组合法、译码器法• 逻辑门组合法：依靠门电路对地址线进行组合，从而得到需要的地址范围• 通常使用“与”、“或”、“非”、“与非”、“或非”等门电路

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SRAM 接口设计译码器全地址译码

• 使用译码器对高位地址线进行译码，全部地址线参加单元地址编码• 通常使用的译码器有： 74LS138 74LS139

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SRAM 接口设计部分地址译码• 使用译码器对部分地址线进行译码• 通常使用的译码器有： 74LS138 74LS139

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SRAM 接口设计举例• 例：用存储器芯片 SRAM 61

16构成一个 4KB 的存储器，要求其地址范围在 78000H ～ 78FFFH之间

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用 1024＊ 1 组成 1K RAM

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用 256＊ 4 组成 1K RAM

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用 2114 组成 2K RAM

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用 2114 组成 4K RAM

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具有 RAM 和 ROM 的系统用 8708 （ 1024＊ 8 位）组成 4K ROM用 2114 （ 1024＊ 4 位）组成 1K RAM

或非门

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动态随机存储器 DRAM• 动态 RAM 单元线路简单，以 MOS 管极间寄生电容来存储信息• 由于漏电原因，电容器上的电荷一般会在几毫秒内泄漏掉。为此，必须定期给它们补充电荷，这就是动态 RAM 的刷新• 动态 RAM 集成度高，引脚数目受到小型化封装的限制，往往较少，少量的地址线要分时做行地址和列地址用• 动态 RAM 内部结构有两个特点：一是具有行地址锁存器和列地址锁存器，另一个是内部带有读出再生放大器，提高信号输出功率

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DRAM 单管存储单元电路• 由一个 MOS 管和一个电容组成• 写入：行选择有效， T

1 导通，写入信息送上数据线，列选择有效，T2 导通，信息写入存储电容 C

• 读出：与写入类似，行列选通， T1T2 导通，C上的信息送上数据线

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DRAM 芯片 2164• DRAM 2164 ， 64K×1• RAS ：行地址锁存，兼作片选，对应低 8 位地址• CAS ：列地址锁存，对应高 8 位地址

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DRAM2164引脚及简化连接电路• DRAM 2164 ， 64K×1• RAS ：行地址锁存，兼作片选，对应低 8 位地址• CAS ：列地址锁存，对应高 8 位地址

LS158 是 2至 1选择器， S＝ 0选 A ， S＝ 1选 B ADDSEL=0 与 RAS=0 同时有效 ADDSEL=1 与 CAS=0 同时有效

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存储器扩展技术位扩展（ 1 ）

• 用 4K×4 位的 SRAM 芯片进行位扩展，以构成容量为 4KB 的存储器

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存储器扩展技术位扩展（ 2 ）• 用 8 个 2164构成容量为 64KB 的存储器

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存储器扩展技术字位扩展• 用 DRAM2164构成容量为 128KB的内存

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5.3 只读存储器 ROM

• 掩模 ROM 的制作掩模 ROM 的读出

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复合译码结构的掩模 ROM

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EPROM 基本电路结构• EPROM 单元栅极浮空。• 在制造好时，硅栅上没有电荷，管子内没有导电沟道，漏极（ D）和源极（ S）之间不导电。此时，存储矩阵输出全为 1。• 写入时，在 D和 S之间加电压 25V ，另加编程脉冲，使所选中单元 D和 S之间瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当高压电源去除后，硅栅因浮空，致使注入的电子无处泄走，硅栅就为负，形成导电沟道，从而使 EPROM 单元导通，输出为 0

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芯片实例 EPROM 2716

• 容量： 2K×8• 双列直插式芯片• 24 个引脚• 可擦除可编程的 EPROM 存储器

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• 容量： 8K×8• 双列直插式芯片• 28 个引脚，其中一个空引脚• 可擦除可编程的 EPROM 存储器 • 与 SRAM 6264引脚兼容

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• 容量： 16K×8• 双列直插式芯片• 28 个引脚• 可擦除可编程的 EPROM 存储器

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Intel 对 EPROM编程的算法

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芯片实例 EEPROM 2864

• 容量： 8K×8• 双列直插式芯片• 28 个引脚，其中一个空引脚• 电可擦除可编程的 EEPROM 存储器 • 与 SRAM 6264 、 EPROM 2764引脚兼容

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请同学们按教材后的习题及时复习

第 5 章结束

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第 5 章 半导体存储器

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