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机电工程系第6章存储器6.1半导体存储器的性能特点和分类6.2随机存取存储器6.3只读存储器6.4半导体存储器接口技术6.5高速缓冲存储器6.6虚拟存储器机电工程系6.1半导体存储器的性能特点和分类•6.1.1.半导体存储器的分类•6.1.2半导体存储器的主要性能指标•6.1.3半导体存储芯片的组成机电工程系6.1.1.半导体存储器的分类–按制造工艺分类–按存取方式分类机电工程系1．按制造工艺分类（1）双极（Bipolar）型由TTL（Transistor-TransistorLogic）晶体管逻辑电路构成。存储器工作速度快，与CPU处在同一量级集成度低、功耗大、价格偏高（2）金属氧化物半导体型（MOS型）用来制作多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM、E2PROM、FlashMemory等。集成度高、功耗低、价格便宜速度较双极型器件慢机电工程系2．按存取方式分类半导体存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）电可擦除PROM（E2PROM）机电工程系说明（1）随机存取存储器RAM信息可以随时写入或读出关闭电源后所存信息将全部丢失静态RAM采用双稳电路存储信息，而动态RAM是以电容上的电荷存储信息。静态RAM速度更快，而动态RAM的集成度更高、功耗和价格更低，动态RAM必须定时刷新。（2）只读存储器ROMROM是一种在工作过程中只能读不能写的非易失性存储器掉电后所存信息不会丢失机电工程系6.1.2半导体存储器的主要性能指标–存储容量–存取速度–功耗–可靠性–性能/价格比机电工程系主要性能指标存储容量：存储器所能记忆信息的多少即存储器所包含记忆单元的总位数称为存储容量。存取速度从CPU给出有效的存储地址到存储器给出有效数据所需的时间功耗功耗反映了存储器耗电的多少，同时也相应地反映了发热程度（温度会限制集成度的提高）。可靠性以平均无故障时间（MTBF）来衡量。平均无故障时间可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。性能/价格比衡量存储器的经济性能，它是存储容量、存取速度、可靠性、价格等的一个综合指标机电工程系6.1.3半导体存储芯片的组成–存储体–地址译码器–控制逻辑电路–数据缓冲器机电工程系半导体存储芯片的组成1．存储体存储芯片的主体，它由若干个存储单元组成。一个存储单元为一个字节，存放8位二进制信息。每个存储单元有一个地址（称为存储单元地址）存储体总是按照二维矩阵的形式来排列存储元电路。体内基本存储元的排列结构通常有两种。一种是“多字一位”结构（简称位结构），其容量表示成N字×1位。例如，1K×1位，4K×1位。另一种排列是“多字多位”结构（简称字结构），其容量表示为：N字×4位/字或N字×8位/字。如静态RAM的6116为2K×8，6264为8K×8等。2．地址译码器接收来自CPU的N位地址，经译码后产生2n个地址选择信号3．控制逻辑电路接收片选信号及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号4．数据缓冲器用于暂时存放来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。机电工程系R/WCSm102n－110n位地址地址译码器存储矩阵控制逻辑数据缓冲器m位数据存储芯片组成示意图机电工程系6.2随机存取存储器•6.2.1静态RAM•6.2.2动态RAM•6.2.3PC机内存条机电工程系6.2.1静态RAM–SRAM的基本存储电路–SRAM的读写过程–典型SRAM芯片机电工程系T3、T4是负载管，T1、T2为工作管，T5、T6、T7、T8是控制管。该电路有两种稳定状态：T1截止，T2导通为状态“1”；T2截止，T1导通为状态“0”。X地址选择Y地址选择T8BT7AT6T5T2T1T4T3VCC所有存储元共用此电路图6-3静态RAM的基本存储电路I/OI/O1．SRAM的基本存储电路机电工程系A6OEA7A11CEY63Y1Y0X0X1X63A0A1A5DBi（0，1）（0，0）地址输入缓冲器X地址译码器控制电路Y地址译码器地址输入缓冲器双向三态缓冲器I/O电路（0，63）（1，63）（63，63）（63，1）（63，0）（1，1）（1，0）WE2．SRAM的读写过程机电工程系3．典型SRAM芯片常用的SRAM芯片有2114（1K×4）、2142（1K×4）、6116（2K×8）、6232（4K×8）、6264（8K×8）、和62256（32K×8）等。WECS符号名称功能说明A0~A9地址线接相应地址总线，用来对某存储单元寻址I/O1~I/O4双向数据线用于数据的写入和读出片选线低电平时，选中该芯片写允许线VCC电源线＋5VCS=0时写入数据；WE=0，表6-1Intel2114芯片引脚功能说明机电工程系WECS&&11输入数据控制630列I/O电路列选A0SA3SI/O4I/O3I/O2I/O1A4A9630GNDVCC行选存储单元64行×64列2114SRAM结构框图及引脚GND1182114910A6A5A4A3A0A1A2CSVCCA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE机电工程系6.2.2动态RAM–DRAM的基本存储电路–DRAM的特点–典型DRAM芯片机电工程系读出再生放大器T2列选择线YCT1行选择线X数据I/O线T2为一列基本存储单元电路上共有的控制管。电容C有电荷表示“1”，无电荷表示“0”。若地址经译码后选中行选线X及列选线Y，则T1、T2同时导通，可对该单元进行读/写操作。1．DRAM的基本存储电路机电工程系2．DRAM的特点（1）DRAM芯片的结构特点DRAM与SRAM一样，都是由许多基本存储元电路按行、列排列组成二维存储矩阵DRAM芯片都设计成位结构形式，即每个存储单元只有一位数据位，一个芯片上含有若干字。如4K×1位，8K×1位，16K×1位，64K×1位或256K×1位等DRAM芯片集成度高，存储容量大，因而要求地址线引脚数量多DRAM芯片常将地址输入信号分成两组，采用两路复用锁存方式，即分两次把地址送入芯片内部锁存起来，以减少引脚数量。（2）DRAM的刷新刷新就是不断地每隔一定时间（一般每隔2ms）对DRAM的所有单元进行读出，经读出放大器放大后再重新写入原电路中，以维持电容上的电荷，进而使所存信息保持不变对DRAM的刷新是按行进行的，每刷新一次的时间称为刷新周期。从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍所用的时间间隔称为最大的刷新时间间隔，一般为2ms。机电工程系符号名称符号名称A0~A6地址输入写（或读）允许列地址选通VBB电源（-5V）行地址选通VCC电源（＋5V）Din数据输入VDD电源（+12V）Dout数据输出VSS地WECASRAS表6-2Intel2116的引脚名3．典型DRAM芯片DRAM芯片常用的有Intel2116（16K×1位）、2118、2164等。（1）芯片的引脚机电工程系Dout1/128A1A8A7A6A6A1A0A0A1A2A3A4A5行地址锁存及译码器列地址锁存及译码器RAS128×128存储矩阵（16K×1）128个列放大器I/O电路Din1/128定时控制发生器写信号锁存器WECAS（2）Intel2116内部结构机电工程系6.2.3PC机内存条–FPMDRAM–EDODRAM–SDRAM–DDR–DRDRAM机电工程系PC机内存条1．FPMDRAM（FastPageModeDRAM，快速页面模式内存）把连续的内存块以页的形式来处理。即CPU所要读取的数据是在相同的页面内时，CPU只要送出一个行地址信号。2．EDODRAM（ExtendedDataOutDRAM,扩展数据输出内存）和FPM的基本制造技术相同，在缓冲电路上有所差别，在本周期的数据传送尚未完成时，可进行下一周期的传送。3．SDRAM（SynchronousBurstDRAM,同步突发内存）采用了多体存储器结构和突发模式，为双存储体结构，也就是有两个存储阵列，一个被CPU读取数据时，另一个已经做好被读取的准备，两者相互自动切换。4．DDR（DoubleDataRate,双倍数据速率）SDRAM传统的SDRAM内存只在时钟周期的上升沿传输指令、地址和数据，而DDRSDRAM内存的数据线有特殊的电路，可以让它在时钟的上下沿都传输数据。5．DRDRAMDRDRAM的接口工作频率为400MHz，由于它能在时钟信号的上升沿和下降沿各传输一次数据，因此数据传输的频率实际上为800MHz，其峰值传输速率可以达到1.6GB/s。机电工程系6.3只读存储器•6.3.1EPROM•6.3.2E2PROM•6.3.3快速擦写存储器机电工程系6.3.1EPROM–基本存储电路和工作原理–编程和擦除过程–典型的EPROM芯片介绍机电工程系字选线场浮效置应栅管Vcc位线（a）EPROM的基本存储电路SN基底PPDSiO2SiO2源级漏级多晶硅浮置栅（b）FAMOS场效应管结构图6-8EPROM的基本存储电路和FAMOS结构1．基本存储电路和工作原理机电工程系2．编程和擦除过程EPROM是一种可由用户进行编程并可用紫外光擦除的只读存储器。EPROM的编程过程实际上就是对某些单元写入“0”的过程。采用的办法是：在管子的漏极加一个高电压，使漏区附近的PN结雪崩击穿，在短时间内形成一个大电流，一部分热电子获得能量后将穿过绝缘层，注入浮置栅。擦除的原理与编程相反，通过向浮置栅上的电子注入能量，使得它们逃逸。机电工程系3．典型的EPROM芯片介绍目前典型的EPROM芯片有Intel2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。前两种采用24引脚封装，后几种采用28引脚封装。它们皆为双列直插式芯片。机电工程系（1）芯片特性Intel2716芯片的16K位基本存储电路排列成128×128的阵列，它们被分成8个16×128的矩阵，每个16×128的矩阵代表2K字节中的某一位。芯片内部采用双译码方式，11条地址线中7条用于X译码，产生128条行选择线；4条用于Y译码，产生16条列选择线。当某个单元被选中的，同时产生8位输出数据。CEOE符号名称功能说明A0～A10地址线接相应地址总线，用来实现对某存储单元寻址D0～D7数据线接数据总线，用于工作时数据读出（PD/PGM）片选（功率下降/编程）线工作时作为片选信号，编程写入时接编程脉冲输入允许线控制数据读出VCC电源线＋5VVPP电源线编程时接＋25V，读操作时接＋5V机电工程系（2）工作方式表6-4Intel2716芯片工作方式的选择高阻＋5V＋25V高低编程禁止数据输出＋5V＋25V低低编程核实数据输入＋5V＋25V高由低到高脉冲编程高阻＋5V＋5V无关高功率下降高阻＋5V＋5V高无关输出禁止数据输出＋5V＋5V低低读D0~D7VCCVPP（PD/PGM）信号线工作方式OECE机电工程系6.3.2E2PROM–芯片特性–工作方式E2PROM的典型芯片有2K×8的Intel2816/2817、2816A/2817A和8K×8的2864A。2816A/2817A机电工程系1．芯片特性（8K×8的2864A）1282273264255Intel2462864A2372282192010191118121713161415A0A6A7A12A5A4A3A2A1I/O0I/O1I/O2GNDR/BI/O3I/O4I/O5I/O6I/O7OEA10OEA11A9A8VSSWEVcc图6-92864AE2PROM的引脚CEWEOECCVBR/符号名称功能说明A12～A0地址线输入I/O7~I/O0数据输入/输出线双向，读出时为输出，写入/擦除时为输入片选和电源控制线输入，控制数据输入输出写入允许控制线线的电平状态和时序状态控制2864A