第六章存储器

6.1半导体存储器的分类及特点一、分类半导体存储器的种类很多。从器件原理来分，有双极型和MOS型存储器；从存储原理来分，有静态和动态存储器；从存取方式来分，有随机存取和只读存储器；从信息传送方式来分。有并行(字长的所有位同时存取)和串行(一位一位存取)存储器。图6－l概括了存储器的分类。在微计算机系统中，用得最多的是ROM和RAM。ROM(ReadonlyMemory)是一种当写入信息之后，就只能读出而不能写入的固定存储器。断电后，其中的信息仍保留不变。因此，在微计算机系统中，通常用它来存放固定的程序和数据，如监控程序，汇编程序，BASIC解释程序以及各种表格、数据等。RAM(RandomAccessMemory)又称为读写存储器，其存储单元的内容可以根据需要读出和写入。RAM中存放的信息断电后会消失(挥发)，因此又叫做易失性存储器。微计算机系统中常用RAM来存放暂时性的输入、输出数据、中间运算结果、用户程序等，也常用它来和外存交换信息和用作堆栈。二、半导体存储器的性能指标1.容量指每块芯片上能存储的二进制位数。容量通常用NXM表示，N代表存储单元数，即地址数或字数，M代表该芯片上的存储单元能当几位使用的位数。如1024X1，表示该半导体存储器芯片上有1024个存储单元，该芯片能当1位使用，共可存储1024X1=1024个二进制位。若容量为256X4位的芯片，其容量同样为1024位，但是它却有256个存储单元，能当4位使用。2．存取时间是指存数的写操作和取数的读操作所进行的时间，单位为ns。由于半导体存储器读出后不改变信息状态(又称不破坏读出)，故读操作时间就是读周期，写操作时间就是写周期，在读写周期有差别的情况下，这两项指标应分别给出。手册中一般是给出典型存取时间或最大存取时间。在器件上标注的型号后往往也给出了时间参数，例如2732A－20和2732A-25则分别存取时间为200ns和250ns的两种同型号(2732A)的存储器芯片。3．功耗一般是指每个存储单元的功耗，单位为μW／单元，也有给出每块芯片总功耗的，单位为μW／芯片。功耗是半导体存储器的一个重要指标，它不仅涉及消耗功率大小，也关系到芯片的集成度以及在机器中的组装和散热问题。手册中常给出工作功耗和维持功耗。4．电源这是指芯片工作所需的电源种类。有时为单一十5伏，有的需用多种电源，如十12伏及十5伏等，电源种类是系统选用时不可忽视的指标。上述的2和3项指标的乘积称为速度功率乘积，是一项重要的综合指标。三、半导体存储器的特点下面从存取原理和使用功能出发简要地介绍半导体存储器分类及其特点。(一)RAM的分类及其特点RAM存储器技器件原理可分为双极型和MOS型两类。1．双极性RAM双极性RAM主要有：(1)TTL(晶体管一晶体管逻辑)型存储器。目前TTL单片存储器的容量可做到4K，存取时间做到40～100us。(2)ECL(射极耦合逻辑)存储器，其容量一般只有256，存取时间为10～30us。(3)I2L(集成注入逻辑)存储器，近年来有比较引人注目的发展，它还有较高的速度-功率乘积和组装密度。双极型RAM的特点是存取速度高，但集成度低(和Mde型比)，功耗大，成本高。目前主要用于速度要求较高的微计算机和大型计算机中。2．M0S型RAM又分为：(1)静态RAM其特点有：①一般用六管构成的触发器作为基本存储单元。②集成度高于双极型RAM，但低于动态RAM。③功耗低于双极型RAM，例如2114为0.lμW／位，但高于动态RAM。④不需要刷新，因而可省去刷新电路。⑤易于用电池作为备用电源，以解决断电后，能继续保留住存入的信息。通常采用NMOS电路，集成度较高，单片的存储单元可做到409B个；存取速度也较快，约为200～450ns。(2)动态RAM其特点有：①基本存储单元可用单管线路，依靠寄生电容存储电行来存储信息，但存在泄漏电流。②集成度高，如Intel2164A的容量高到64K位。③功耗较静态RAM低，例如2116为0.01μW／位。④价格比静态RAM便宜。⑤需要刷新，通常要求每隔2ms刷新一遍。⑥存取时间在150～350us，如2116的最大存取时间为250us。MOS型RAM的制造工艺简单，集成度高，功耗低，价格便宜，在半导体存储器中占有重要地位。用特定的电信号对其进行擦除，可以在线操作，因此很方便。这种EPROM又叫做E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)。(3)不挥发RAM(Non－VolatileRAM)它和ROM一样，掉电后信息不消灭，但它又和RAM。样，可以随机存取操作。因此它集ROM和RAM的优点为一体，是一种非常有特色的存储器件。(二)ROM的分类及其特点ROM存储器按存入信息的方式分为:1．掩模式ROM这种ROM是在制作集成电路芯片时，用定做的掩模进行编程，一旦制造完毕，其中的内容就固定下来，用户是不能修改的。因此，适用于大批量生产，成本较低，但不适用于科研工作。2．可编程序式的PROM(ProgrammableROM)这种pROM允许用户根据需要来编入其中内容，但是只允许编写一次。3．可擦除式的EPROM(ErasableProgrammableR0M)这种EPROM可以多次进行改写，所以特别适合于科研工作。为了进行改写，应先擦除原来写入的信息。擦除方法可用紫外线照射，也可用电进行改写。(1)紫外光擦除用紫外光照射芯片一定时间(约20分钟)，即可擦除其中信息。这种EPROM又叫做UVEPROM。(2)电擦除用特定的电信号对其进行擦除，可以在线操作，因此很方便。这种EPROM又叫做E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)。6.2随机存储器RAMRAM又称为读写存储器，在其数平方毫米的芯片上可集成(几～几百)千个存储单元。存储单元按矩阵形式排列构成存储体。要寻址其中的某一存储单元进行信息的写入或读出，通常是采用重合选择法寻址，即由X(行)和Y(列)地址译码器的输出线——行选择线和列选择线的重合来选出所需要的单元。存储单元的电路按其工作原理又分为静态RAM和动态RAM。一、静态SRAM静态RAM的单元电路是由MOS管组成的触发器电路，每个触发器可以存放1位信息。只要不掉电，所存储的信息就不会丢失。因此，静态RAM工作稳定，不要外加刷新电路，使用方便。但一般SRAM的每一个触发器是由6个晶体管组成，因而SRAM芯片的集成度不会太高。这也是它的一大缺点。SRAM的单片容量，有各种不同的规格。例如，早期使用的有2101(256X4位)，2102(1K×1位)，2114(1K×4位)和4118(1K×8位)，随着大规模集成电路的发展，目前较常用的有6116(2K×8位)，6264(8K×8位)和62256(32K×8)。现以6264为例进行简单介绍。6264SRAM，每块芯片上有8192个存储单元，每个单元为8位字长。6264的外部引脚如图6－2所示。WE、OE和CE1、CE2的共同作用决定了芯片的运行方式，如表6－1所示。WECE1CE2OE方式I/O0~I/O7×H××未选中(掉电)高阻××L×未选中(掉电)高阻HLHH输出禁止高阻HLHL读OUTLLHH写INLLHL写IN表6-16264运行方式请看HM6264B的详细产品资料。6.3只读存储器ROM半导体存储器ROM芯片和RAM类似，芯片主要由地址寄存器，地址译码器，存储单元矩阵，输出缓冲器及芯片选择逻辑等部件组成，如图6－6所示。地址译码器有P个输入端，故可寻址2P个存储单元。每个单元有M位。输出缓冲器将每位的内容进行输出，并提供驱动电流。片选信号用来选择指定的芯片进行操作。ROM存储器的存储单元可由二极管，双极型晶体管或MOS晶体管构成。按生产工艺的不同，可构成以下几种ROM存储器芯片。一、固定掩膜编程ROM固定掩膜ROM的每个存储单元用单管构成，因此集成度较高，存储单元的编程是在生产过程中，由生产厂家用一掩膜确定是否将单管电极金属化接入电路，未金属化者存1，反之，存0＂，如图6－7(a)所示。这类ROM的编程只能由器件制造厂在制造时定型，若要修改，则只能重新定做新的掩膜，用户自己无法操作。二、可编程序PROM为了方便用户根据自己的需要确定ROM的内容，提供了一种可编程序PROM，它允许用户编程一次。PROM中，常采用二极管或双极型三极管作存储单元。图6－7(b)是用双极型三极管作的存储单元。在这种存储单元中，采用可熔金属丝串接在三极管的发射极上。出厂时，所有管子的熔丝是完整的，管子可将字线和位线连通，表示存有0信息。用户编程时，在脉冲作用下，使熔丝断开，该位存入1信息。典型的熔断脉冲电流为50～100mA，周期为几个微秒。PROM虽可由用户自行编程，但只能进行一次。一旦程序编制好后，因为l单元中的熔丝已渐，就无法恢复。三、紫外光擦除可编程序的UV－EPROMEPROM芯片，常以浮栅型MOS管作存储单元，它是微计算机中用得最多的一种ROM，在它里面存储的程序或数据可以通过紫外线光的照射被擦去，而且又可再用电脉冲重新编制程序，故称可擦可编程序的ROM。(一)工作原理EPROM的基本电路如图6－8所示，它是由浮栅雪崩注入的MOS电路构成的。浮栅MOS管(FloatingGateAralancheInjectionMOS)有P沟道和N沟道两种。常用的EPROM芯片大都是采用N沟道的浮栅MOS管，其结构如图6－8所示，它是在P型衬底上做成的两个高浓度的N区。除浮栅外，还在上面叠了一个控制栅G，故称为叠栅MOS管(StackedGateAvalancheInjectionMOS)。编程时，在源漏间加上足够高正压(＋25伏)及编程脉冲，使漏村击穿，大量电子积聚在浮栅上，同样在Sic2层下感应出空穴薄层。这个带正电的沟道使NMOS管开启更加困难，或者说它的开启电压变得更高了，这时，在控制栅上加上正常电压，该管也不能导通，相当于写入了信息0。反之，若浮栅上未带电，在正常控制栅压下，管子导通，相当于所存信息为1。由上述原理可知，要向上述EPROM写入0时，就应设法使被写基本电路的浮栅带有负电荷。这可通过在其漏极上加一个一定宽度的正脉冲来实现。但要擦除0信息(即写入1信息)，则只能通过紫外线照射，即用高能光子将浮栅上的电子驱逐出去使之返回基片。由于每次紫外光照射是通过芯片的石英窗口对整个芯片进行的，所以部分擦除是不行的，一次擦除便将整个芯片完全恢复成干净状态(全1状态)，干净的EPROM才能重写，编好程序的EPROM为防止光线照射，常用遮光胶贴于窗口上。目前对EPROM的写入和擦除都有专用设备，成本不高，使用十分方便。(二)EPROM实例----Intel2732目前我国广泛使用的EPROM有2716(2K×8)，2732(4K×8)，2764(8K×8)，27128(16K×8)和27256(32K×8)。下面以2732为例介绍一种典型的EPROM芯片的性能和应用。l．2732的引脚与结构2732以HMOS-E(高速NMOS硅栅)工艺制成，24脚双列直插式，其引脚和内部结构如图6－9所示。从图中可知，2732为4KB容量，地址线12条A0～A11；，数据线8条D0～D7，远为片选端，低电平有效，OE／VPP是输出允许信号，低电平有效，该引脚在编程时也作为编程电压VPP的输入端。VCC为十5V电源，GND为地。2．2732的工作方式2732共有6种工作方式，如表6－2所示。(1)读方式此时面和面的为有效，芯片中的数据从输出缓冲区送往输出引脚。(2)输出禁止方式此时远有效，而而无效。这种工作方式往往是多个2732并联在数据总线上，为使存储系统功耗最小，并防止各存储芯片争夺总线，则可把所有2732的面均接地，通过对两端输入高电平或低电平来确定是哪个芯片的数据输出到数据总线上去，而其它芯片处于输出禁止方式。(3)待机方式当CE为无效时，2732处于待机方式。待机时的电流从工作时的125mA降至35mA。这种方式下，输出呈高