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1、第第6 6章章 半导体存储器半导体存储器主要内容:存储器及半导体存储器的分类存储器及半导体存储器的分类随机读写存储器（随机读写存储器（RAMRAM）只读存储器（只读存储器（ROMROM）存储器的扩展存储器的扩展微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.1 6.1 存储器及半导体存储器的分类存储器及半导体存储器的分类存储器是计算机用来存储信息的部件。6.1.1存储器的分类按存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器和外存储器。内存：把通过系统总线直接与CPU相连的存储器称为内存储器，简称内存。特点：具有一定容量、存取速度快，且掉电数据将丢失。作用：计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入
2、内存后方可被CPU读取并执行。微机原理与接口存储器(RAM及ROM外存：外存：把通过接口电路与系统相连的存储器称为把通过接口电路与系统相连的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。特点：特点：存储容量大而存取速度较慢，且掉电数据存储容量大而存取速度较慢，且掉电数据不丢失。不丢失。作用：作用：外存用来存放当前暂不被外存用来存放当前暂不被CPUCPU处理的程序处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。或数据，以及一些需要永久性保存的信息。通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的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
3、才能被信息必须调入内存后才能被CPUCPU使用。使用。早期的内存使用磁芯。早期的内存使用磁芯。随着大规模集成电路的发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。都使用半导体存储器。微机原理与接口存储器(RAM及ROM寄存器寄存器Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器(磁盘磁盘)大容量存储器大容量存储器(磁带磁带)外存储器外存储器内存储器内存储器存储系统的层次结构存储系统的层次结构外存平均访问时间外存
4、平均访问时间ms级级 硬盘硬盘910ms 光盘光盘80120ms内存平均访问时间内存平均访问时间ns级级 SRAMCache15nsSRAMCache15nsSDRAMSDRAM内存内存715ns EDO内存内存6080nsEPROM存储器存储器100400ns微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.1.2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：随机存取存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。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
5、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。微机原理与接口存储器(RAM及ROM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,低阻抗、电流控制的器件；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，高输入阻抗、电压控制的器件。 MOS型存储器按信息存放方式又可分为静态RAM(Static RAM，简称SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)。微机原理与接口存储器(RAM
6、及ROM 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：掩膜式掩膜式ROMROM，用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好，不能更改；可编程可编程ROMROM(Programmable(Programmable ROM，简称PROM)，用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；可擦除的可擦除的PROMPROM(Erasable(Erasable 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；电擦除的电擦除的PROMPROM(Electrically(Electrically Erasable PROM，简称EEPRO
7、M或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写。 微机原理与接口存储器(RAM及ROM静态RAM动态RAMMOS型双极型不可编程掩膜存储器 MROM可编程存储器PROM可擦除、可再编程存储器紫外线擦除的EPROM电擦除的E2PROM随机读写存储器RAM只读存储器ROM半导体存储器图6.1 半导体存储器的分类 微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标 1 1 1 1存储容量存储容量存储容量存储容量(1) (1) 用用字字数数 位位数数表表示示，以以位位
8、为为单单位位。常常用用来来表表示示存存储储芯芯片片的的容容量量，如如1K1K 4 4位位，表表示示该该芯芯片片有有1K1K个个单单元元(1K=1024)(1K=1024)，每个存储单元的长度为，每个存储单元的长度为4 4位。位。(2) (2) 用字节数表示，以字节为单位，如用字节数表示，以字节为单位，如128B128B，表示，表示该芯片有该芯片有 128 128个单元，每个存储单元的长度为个单元，每个存储单元的长度为8 8位。位。其中，其中，1KB1KB2 21010B B1024B1024B；1MB1MB2 22020B B1024KB1024KB；1GB1GB2 23030B Bl024M
9、Bl024MB；1TB1TB2 24040B B1024GB1024GB。显然，存储容量。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。越大，所能存储的信息越多，计算机系统的功能便越强。 微机原理与接口存储器(RAM及ROM 2 2存取时间存取时间 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。3 3存储周期存储周期 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。它是衡量主存储器工作速度的重要指标
10、。一般情况下，存储周期略大于存取时间。 微机原理与接口存储器(RAM及ROM4 4功耗功耗 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 5可靠性可靠性 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(Mean Time Between Failures)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。 微机原理与接口存储器(RAM及ROM6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
11、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。 微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.1.4 6.1.4 半导体存储器芯片的基本结构半导体存储器芯片的基本结构 地址译码器存储矩阵控制逻辑控制逻辑A0A1An三态数据缓冲器D0D1DNW/RCS图6.2 半导体存储器组成框图 微机原理与接口存储器(RAM及ROM地址译码方式 单译码方式图6.3 单译码方式地址译码器012315A0A1A2A3选择线存储体数据缓冲器控制控制电路电路4位I/O0I/O3CSWR微机原理与接口存储器(RAM及
12、ROM双译码方式三态双向缓冲器32321024存储矩阵10241控制电路控制电路Y向译码器CSWR RDA5A6A7A8A9Y0Y1Y31X0X1X2X31X向译码器A0A1A2A3A4I/O(1位)图6.4 双译码方式 微机原理与接口存储器(RAM及ROM图6.5六管静态RAM存储电路电路中电路中V1、V2为工为工作管，作管，V3、V4为负为负载管，载管，V5、V6为控为控制管。其中，由制管。其中，由V1、V2、V3及及V4管组成管组成了双稳态触发器电了双稳态触发器电路，路，V1和和V2的工作的工作状态始终为一个导状态始终为一个导通，另一个截止。通，另一个截止。V1截止、截止、V2导通时，导
13、通时，A点为高电平，点为高电平，B点点为低电平；为低电平；V1导通、导通、V2截止时，截止时，A点为点为低电平，低电平，B点为高点为高电平。电平。特点：特点：读写速度快，所用管子数目多，单个器读写速度快，所用管子数目多，单个器件容量小，件容量小，V1、V2总有一个处于到通状态，功耗总有一个处于到通状态，功耗较大较大微机原理与接口存储器(RAM及ROMIntel2114123456789101112131415161718Intel2114A6A5A4A3A0A1A2GNDCSWEI/O4I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCC(a)A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9WECS(b)I/O
14、2I/O3I/O4I/O1图6.6 Intel 2114引脚及逻辑符号(a)引脚；(b)逻辑符号微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.2 6.2 随机读写存储器随机读写存储器(RAM)(RAM)6.2.1 静态RAM Intel 2114 SRAM芯片 Intel 2114 SRAM芯片的容量为1K4位，18脚封装，+5V电源，芯片内部结构及芯片引脚图和逻辑符号分别如图6.5和6.6所示。 由于1K44096，所以Intel 2114 SRAM芯片有4096个基本存储电路，将4096个基本存储电路排成64行64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,从而构成了64行16
15、列=1K个存储单元，每个单元有4位。微机原理与接口存储器(RAM及ROM存储矩阵存储矩阵地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器地址总线地址总线读读写写放放大大器器数数据据寄寄存存器器数数据据总总线线控制电路控制电路OE WE CESRAM芯片的结构芯片的结构微机原理与接口存储器(RAM及ROMA3A4A5A6A7A8行地址译码存储矩阵6464列选择A0A1A2A9输入数据控制I/O1&1&2I/O2I/O3I/O4CSWE列I/O电路图6.5 Intel 2114内部结构 微机原理与接口存储器(RAM及ROM图四管动态RAM存储电路6.2.2 6.2.2 动态动态动态动态RAMRAM微机原理
16、与接口存储器(RAM及ROM 6.2.2 6.2.2 动态动态RAMRAM Intel 2164AIntel 2164A动态动态RAMRAM芯片芯片 Intel 2164A芯片的存储容量为64K64K 1 1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6.7所示。2164A芯片的存储体本应构成一个256256的存储矩阵，为提高工作速度(需减少行列线上的分布电容)，将存储矩阵分为4个128128矩阵，每个128128矩阵配有128个读出放大器，各有一套I/O控制(读/写控制)电路。微机原理与接口存储器(RAM及ROM存储矩阵存储矩阵地地址址总总线线I/O缓缓冲冲器器数数据据
17、总总线线读写控制读写控制/动态刷新电路动态刷新电路RAS#DRAM芯片的结构芯片的结构地地址址锁锁存存器器CAS#WE#DRAM的特点的特点:所用管子少，所用管子少，芯片位密度芯片位密度高高功耗小功耗小需要刷新需要刷新存取速度慢存取速度慢DRAM主要用来做内存主要用来做内存微机原理与接口存储器(RAM及ROM8位地址锁存器A0A1A2A3A4A5A6A7128128存储矩阵128个读出放大器1/2(1/128列译码器)128个读出放大器128128存储矩阵1/128行译码器1/128行译码器128128存储矩阵128个读出放大器1/2(1/128列译码器)128个读出放大器128128存储矩阵
18、1/4I/O门输出缓冲器DOUTVSSVDD行时钟缓冲器列时钟缓冲器写允许时钟缓冲器数据输入缓冲器RASCASWEDIN图6.7 Intel 2164A内部结构示意图 微机原理与接口存储器(RAM及ROM12345678910111213141516NCDINVSSA0A2A1VDDDOUTA6A3A4A5A7WECASRASDINA7A0CASRASDOUTWEA7A0CASRASWEVSSVDD地址输入列地址选通行地址选通写允许5地(a)(b)图6.8 Intel 2164A引脚与逻辑符号(a) 引脚；(b) 逻辑符号 微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.3 6.3 只读存储器只读存储
19、器(ROM) (ROM) 6.3.1 掩膜式只读存储器(MROM)图6.9 掩膜式ROM示意图微机原理与接口存储器(RAM及ROM表表6.1 掩膜式掩膜式ROM的内容的内容 单元D3D2D1D001010111012010130110位微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.3.2 可编程只读存储器(PROM)字线位线DiVCC图6.10 PROM存储电路示意图微机原理与接口存储器(RAM及ROM6.3.3 可擦除、可再编程的只读存储器1EPROM和E2PROM图6.11 SIMOS型EPROM(a) SIMOS管结构；(b) SIMOS EPROM元件电路 微机原理与接口存储器(RAM及RO
20、M2Intel 2716 EPROM芯片芯片EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2K8)2732(4K8)2764(8K8)27128(16K8)27256(32K8)等。1) 2716的内部结构和外部引脚2716 EPROM芯片采用NMOS工艺制造，双列直插式24引脚封装。其引脚、逻辑符号及内部结构如图6.15所示。微机原理与接口存储器(RAM及ROMIntel2716123456789101112131415161718192021222324A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GNDO3O4O5O6O7PD/PGMA10VCCA8A9VPPCS(a)Intel2716石英
21、窗口A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10PD/PGMO0O1O2O3O4O5O6O7CS(b)列译码行译码A10A0地址输入读出放大2K8位存储矩阵输出缓冲器数据输出端O7O0片选，功率下降和编程逻辑CSPD/PGM(c)VPPGNDVCC图6.12Intel2716的引脚、逻辑符号及内部结构(a)引脚；(b)逻辑符号；(c)内部结构微机原理与接口存储器(RAM及ROM表表6.1 常用的常用的EPROM芯片芯片 型号容量结构最大读出时间/ns制造工艺需用电源/V管脚数27081K8bit350450NMOS5，+122427162K8bit300450NMOS+5242732A4K8
22、bit200450NMOS+52427648K8bit200450HMOS+5282712816K8bit250450HMOS+5282725632K8bit200450HMOS+5282751264K8bit250450HMOS+52827513464K8bit250450HMOS+528微机原理与接口存储器(RAM及ROM 3. Intel 2816 E2PROM芯片芯片Intel 2816是2K8位的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5 V电源。其引脚配置见图6.13。 Intel2816123456789101112131415161718192021222324A7A6A5A4A
23、3A2A1A0I/O0GNDA10VCCA8A9WEI/O1I/O2OECEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3A10A0OEI/O7I/O0CEWE地址引脚输出允许数据输入/输出片选信号写允许图6.13 Intel 2816的引脚 微机原理与接口存储器(RAM及ROM表表6.2 常用的常用的E2PROM芯片芯片 型号参数28162816A28172817A2864A取数时间/ns250200250250200250250读电压VPP/V55555写/擦电压VPP/V2152155字节擦写时间/ms10915101010写入时间/ms10915101010封装DIP24DIP24DIP28DIP28DIP28微机原理与接口存储器(RAM及ROM微机原理与接口存储器(RAM及ROM
