第六章 存储器.docx
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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RAM
RAM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。
WE
CE1
CE2
OE
方式
I/O0~I/O7
×
H
×
×
未选中(掉电)
高阻
×
×
L
×
未选中(掉电)
高阻
H
L
H
H
输出禁止
高阻
H
L
H
L
读
OUT
L
L
H
H
写
IN
L
L
H
L
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-EPROM
EPROM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,输出呈高阻状态,且不受OE的限制。
(4)编程方式
对2732编程之前,应保持芯片上所有的位均为1。
写入信息时,只是把应为0的位由1改为0,而应为1的位则保持不变。
编程方式时,各相关引脚信号状态如图6-10所承。
(5)编程禁止方式
此时,OE端接21伏电压,当CE为无效时,则禁止向该芯片写入数据。
(6)该标识码方式
Intel公司生产的,EPROM芯片都包含有厂家及产品型号的标识码。
在特定环境下,可以读出这两个字节的标识码。
2732,2764,27128和27256的标识码分别是890lH,8902H,8903H和8904H。
除以上六种工作方式外,2732还可以工作在校验方式,此时应在面和证的为低电平且从面下降沿起再过一段时间后才能进行。
(三)EPROM编程器
对EPROM芯片编程,必须用相应的编程器。
目前使用的编程器一般可对多种型号的芯片进行编程。
不同的EPROM芯片的编程电压和编程脉冲不尽相同,编程器是通过读取芯片的标识码来确认的。
编程器一般要依靠一台计算机才能工作。
例如,IBMPC/XT的EPROM编程器是通过I/0扩展槽接入系统总线的,它一般由一块编程卡插入主机箱内和一个可以引出机箱外的芯片插座组成。
编程器配有一套软件,在PC/XT上运行此配套软件,控制编程器的工作方式。
通过PC/XT与编程器之间的数据通信,将预先准备好的信息(存在磁盘上或放在内存中)写入E-PROM芯片,或将EPROM芯片上的信息读人PC/XT的内存中。
在科研工作中,EPROM芯片和EPROM编程及擦除设备是非常有用的器件和工具。
(四)新型EPROM简介
1.CHMOS型EPROM
这类EPROM最大的优点是低功耗。
常用的有27C32,27C64,27C128和27C256等等。
2.软件防盗EPROM
这类EPROM在对其写入时,可进行加密操作,防止非法复制,以保证软件的版权,又称KEPROM(KeyedACcessEPROM)。
例如27916为16K×S的KEPROM,它与2712891脚兼容。
3.带I/O的EPROM
这类EPROM带有I/O口,故可使芯片中的每位独立地为输入或输出状态。
例如,8755为2K×8的EPROM,内有8个I/O口。
5.4新型的半导体存储器(学习资源中有更多的材料)
漫谈几种新型内存
带高速缓存动态随机存储器:
CDRAM(CachedDRAM)
CDRAM是日本三菱电气公司开发的专有技术,通过在DRAM芯片上集成一定数量的高速SRAM作为高速缓冲存储器Cache和同步控制接口,来提高存储器的性能。
这种芯片使用单一的+33V电源,低压TTL输入输出电平。
目前三菱公司可以提供的CDRAM为4MB和16MB版本,其片内Cache为16KB,与128位内部总线配合工作,可以实现100MHz的数据访问。
流水线式存取时间为7纳秒。
DirectRambus接口动态随机存储器:
DRDRAM(DirectRambusDRAM)
从1996年开始,Rambus公司就在Intel公司的支持下制定出新一代RDRAM标准,这就是DRDRAM。
它与传统DRAM的区别在于引脚定义会随命令而变,同一组引脚线可以被定义成地址,也可以被定义成控制线。
其引脚数仅为正常DRAM的三分之一。
当需要扩展芯片容量时,只需要改变命令,不需要增加芯片引脚。
这种芯片可以支持400MHz外频,再利用上升沿和下降沿两次传输数据,可以使数据传输率达到800MHz。
同时通过把单个内存芯片的数据输出通道从8位扩展成16位,这样在100MHz时就可以使最大数据输出率达16GB/s。
双数据传输率同步动态随机存储器:
DDRDRAM(DoubleDataRateDRAM)
在同步动态读写存储器SDRAM的基础上,采用延时锁定环(Delay-1ockedLoop)技术提供数据选通信号对数据进行精确定位,在时钟脉冲的上升沿和下降沿都可传输数据(而不是第一代SDRAM仅在时钟脉冲的下降沿传输数据,"DDR”即是"双数据率”的意思),这样就在不提高时钟频率的情况下,使数据传输率提高一倍。
由于DDRDRAM需要新的高速时钟同步电路和符合JEDEC标准的存储器模块,所以主板和芯片组的成本较高,一般只能用于高档服务器和工作站上。
另外,最近出品的GeForce256显卡大量采用了DDR存储器,显示效果成倍提升。
同步链动态随机存储器:
SLDRAM(SynchnonousLinkDRAM)
由IBM、惠普、苹果、NEC、富士通、东芝、三星和西门子等大公司联合制定的一种原本最有希望成为标准高速DRAM的存储器。
这是一种在原DDRDRAM基础上发展起来的高速动态读写存储器。
它具有与DRDRAM相同的高数据传输率,但其工作频率要低一些,可用于通信、消费类电子产品、高档PC和服务器中。
由于SLDRAM联盟成员之间难以协调一致,加上Intel公司不支持这种标准,所以这种动态存储器难以形成气候。
虚拟通道存储器:
VCM(VirtualChannelMemory)
VCM由NEC公司开发,是一种新兴的"缓冲式DRAM”,该技术将在大容量SDRAM中采用。
它集成了所谓的"通道缓冲”,由高速寄存器进行配置和控制。
在实现高速数据传输(即"带宽”增大)的同时,VCM还维持着与传统SDRAM的高度兼容性,所以通常也把VCM内存称为VCMSDRAM。
在设计上,系统(主要是主板)不需要作大的改动,便能提供对VCM的支持。
VCM可从内存前端进程的外部对所集成的这种"通道缓冲”执行读写操作。
对于内存单元与通道缓冲之间的数据传输,以及内存单元的预充电和刷新等内部操作,VCM要求它独立于前端进程进行,即后台处理与前台处理可同时进行。
由于专为这种"并行处理”创建了一个支撑架构,所以VCM能保持一个非常高的平均数据传输速度,同时不用对传统内存架构进行"大手笔”的更改。
采用VCM后,系统设计人员不必再受限于目前令人捉襟见肘的内存工作方式,因为内存通道的运行与管理,都可移交给主板芯片组自己去解决。
快速循环动态存储器FCRAM:
(FastCycleRAM)
FCRAM由富士通和东芝联合开发,数据吞吐速度可达普通DRAM/SDRAM的4倍。
FCRAM将目标定位在需要极高内存带宽的应用中,比如业务繁忙的服务器以及3D图形及多媒体处理等。
FCRAM最主要的特点便是行、列地址同时(并行)访问,而不像普通DRAM那样,以顺序方式进行(首先访问行数据,再访问列数据)。
此外,在完成上一次操作之前,FCRAM便能开始下一次操作。
为提高内存的数据吞吐速度,FCRAM和VCM采取了截然不同的两种方式。
前者从内部入手,后者则"内外一齐抓”,在拓宽内存(存储)单元、芯片接口、内存控制器的带宽上下大功夫。
FCRAM的开发计划自1999年2月初便已开始。
按照富士通和东芝的协议,它们将联合开发64MB、128MB和256MB的FCRAM。
但和VCM、RDRAM内存技术不同的是,它面向的并不是PC机的主内存,而是诸如显示内存等其他存储器上。
在制造工艺上,由于采用的是022微米工艺,所以FCRAM号称能做出世界上最小的内存颗粒。
由于芯片面积减少,所以在相同的硅晶片上,可生产出更多的颗粒,从而有效提高了这种内存的产量。
这样,一方面降低了生产成本,另一方面则提高了产品性能。
富士通公司表示到2001年投入128MB和256MBFCRAM的量产,公司计划到2003年达到每月生产2~3百万片的生产能力
一、电可擦除的可编程序的EEPROM
前面介绍的UVEPROM须从电路板上拨下来在专用的紫外线擦除器中进行擦除,操作起来比较麻烦。
EEPROM则是一种在线用电信号进行擦除的芯片,操作简便。
Intel2816A和2817A都是常用的EPROM芯片,容量为2K×8位,采用HMOS-E工艺。
2816A为24脚,2817A为28脚,两者均为DIP封装。
现以2817A为例进行简单介绍。
2817A的28个引脚和内部结构如图6-11所示。
从图中可以看出,2817A内含所有硬件接口逻辑,写操作所需的电压发生部件以及与写操作相配合的自擦除和自定时等部作。
这些都很大程度地减轻了CPU的负担。
二、不挥发的RAM(NVRAM)
NVRAM内部除有一般RAM存储阵列外,还有一个后备的EEPROM存储阵列。
掉电后的信息保存在EEPROM中,上电后又自动回到RAM阵列中。
这样给用户的感觉是它具有信息的不挥发性,掉电后信息不丢失。
Intel2004为一典型NVRAM芯片,现以它为例简要介绍NVRAM的工作方式。
2004为512×8位(4K位)的不挥发RAM芯片,其外部引脚和内部结构如图6-12所示。
由图可见,2004由高速静态RAM陈列及其后备EEPROM不挥发存储阵列组成。
因此,2004同时具备静态RAM的可读写性和EEPROM的信息不挥发性。
静态RAM和EEPROM之间的信息有两种传递情况:
1.存储
把RAM中的数据传送到EEPROM中保存起来,以防掉电丢失信息。
2.召回
从后备E2PROM中取出数据送回到RAM中。
这两种传送均由而引脚的输入信号控制。
三、集成RAM(iRAM)
iRAM本身就是一个完整的动态RAM系统。
它在一个硅片上集成了存储阵列、刷新逻辑、仲裁和控制逻辑等部件。
因而它与CPU的接口非常简单。
Intel2186和2187为SK字节的iRAM芯片,其引脚特性和
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