信息与通信半导体存储器.pptx
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1、第5章半导体存储器5.1 概概 述述5.1.1 存储器的一般概念和分类存储器的一般概念和分类按存取速度和用途可把存储器分为两大类,内部存储器和外部存储器。把具有一定容量,存取速度快的存储器称为内部存储器,简称内存。内存是计算机的重要组成部分,CPU可对它进行访问。目前应用在微型计算机的主内存容量已达64256MB,高速缓存器(Cache)的存储容量已达128512KB。把存储容量大而速度较慢的存储器称为外部存储器,简称外存。第5章半导体存储器在微型计算机中常见的外存有软磁盘、硬磁盘、盒式磁带等,近年来,由于多媒体计算机的发展,普遍采用了光盘存储器。光盘存储器的外存容量很大,如CD-ROM光盘容
2、量可达650MB,硬盘已达几个GB乃至几十个GB,而且容量还在增加,故也称外存为海量存储器。不过,要配备专门的设备才能完成对外存的读写。例如,软盘和硬盘要配有驱动器,磁带要有磁带机。通常,将外存归入到计算机外部设备一类,它所存放的信息调入内存后CPU才能使用。第5章半导体存储器5.1.2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类早期的内存使用磁芯,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,成本迅速降低,存取速度大大加快,所以在微型计算机中,内存一般都使用半导体存储器。从制造工艺的角度来分,半导体存储器分为双极型、CMOS型、HMOS型等;从应用角度来分,可分为随机读写存储器(Rando
3、mAccessMemory,又称为随机存取存储器,简称RAM)和只读存储器(ReadOnlyMemory,简称ROM),如图5.1所示。第5章半导体存储器1.只读存储器只读存储器(ROM)图5.l半导体存储器的分类第5章半导体存储器1)掩膜ROM掩膜ROM是利用掩膜工艺制造的存储器,程序和数据在制造器件过程中已经写入,一旦做好,不能更改。因此,只适合于存储成熟的固定程序和数据,大量生产时,成本很低。例如,键盘的控制芯片。第5章半导体存储器2)可编程ROM可编程ROM简称PROM(ProgramableROM)。PROM由厂家生产出的“空白”存储器,根据用户需要,利用特殊方法写入程序和数据,即对
4、存储器进行编程。但只能写入一次,写入后信息是固定的,不能更改。它PROM类似于掩膜ROM,适合于批量使用。第5章半导体存储器3)可擦除PROM可擦除PROM简称EPROM(ErasableProgramableROM)。这种存储器可由用户按规定的方法多次编程,如编程之后想修改,可用紫外线灯制作的擦除器照射730分钟左右(新的芯片擦除时间短,多次擦除过的芯片擦除时间长),使存储器复原,用户可再编程。这对于专门用途的研制和开发特别有利,因此应用十分广泛。第5章半导体存储器4)电可擦PROM电擦除的PROM简称EEPROM或E2PROM(ElectricallyErasablePROM)。这种存储器
5、能以字节为单位擦除和改写,而且不需把芯片拔下插入编程器编程,在用户系统即可进行。随着技术的进步,EEPROM的擦写速度将不断加快,将可作为不易失的RAM使用。第5章半导体存储器2.随机读写存储器随机读写存储器(RAM)这种存储器在使用过程中既可利用程序随时写入信息,又可随时读出信息。它分为双极型和MOS型两种,前者读写速度高,但功耗大,集成度低,故在微型机中几乎都用后者。RAM可分为三类。1)静态RAM静态RAM即SRAM(StaticRAM),其存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失。优点是不需刷新,缺点是集成度低。它适用于不需要大存储容量的微型计算机(例如,单板机
6、和单片机)中。第5章半导体存储器2)动态RAM动态RAM即DRAM(DynamicRAM),其存储单元以电容为基础,电路简单,集成度高。但也存在问题,即电容中电荷由于漏电会逐渐丢失,因此DRAM需定时刷新。它适用于大存储容量的计算机。第5章半导体存储器3)非易失RAM非易失RAM或称掉电自保护RAM,即NVRAM(NonVolativeRAM),这种RAM是由SRAM和EEPROM共同构成的存储器,正常运行时和SRAM一样,而在掉电或电源有故障的瞬间,它把SRAM的信息保存在EEPROM中,从而使信息不会丢失。NVRAM多用于存储非常重要的信息和掉电保护。其他新型存储器还有很多,如快擦写ROM
7、(即FlashROM)以及IntegratedRAM,它们已得到应用,详细内容请参阅存储器数据手册。第5章半导体存储器5.1.3 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衡量半导体存储器的指标很多,诸如可靠性、功耗、价格、电源种类等,但从接口电路来看,最重要的指标是存储器芯片的容量和存取速度。1.容量容量存储器芯片的容量是以存储1位二进制数(bit)为单位的,因此存储器的容量指每个存储器芯片所能存储的二进制数的位数。例如,1024位/片指芯片内集成了1024位的存储器。由于在微机中,数据大都是以字节(Byte)为单位并行传送的,因此,对存储器的读写也是以字节为单位寻址的。第5章半导
8、体存储器然而,存储器芯片因为要适用于1位、4位、8位计算机的需要,或因工艺上的原因,其数据线也有1位、4位、8位之不同。例如,Intel2116为1位,Intel2114为4位,Intel6264为8位,所以在标定存储器容量时,经常同时标出存储单元的数目和位数,因此有存储器芯片容量=单元数数据线位数如Intel2114芯片容量为1K4位/片,Intel6264为8K8位/片。虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位甚至64位,但其内存仍以一个字节为一个单元,不过在这种微机中,一次可同时对2、4、8个单元进行访问。第5章半导体存储器2.存取速度存取速度存储器芯片的存取速度是用存取时间来衡量的,
9、它是指从CPU给出有效的存储器地址到存储器给出有效数据所需要的时间。存取时间越小,速度越快。超高速存储器的存取速度小于20ns,中速存储器的存取速度在100200ns之间,低速存储器的存取速度在300ns以上。现在Pentium4CPU时钟已达2.4GHz以上,这说明存储器的存取速度已非常高。随着半导体技术的进步,存储器的容量越来越大,速度越来越高,而体积却越来越小。第5章半导体存储器5.2 随机存储器随机存储器(RAM)5.2.1 静态静态RAM 1.静态静态RAM的基本存储电路的基本存储电路该电路通常由如图5.2所示的六个MOS管组成。在此电路中,V1V4管组成双稳态触发器,V1、V2为放
10、大管,V3、V4为负载管。若V1截止,则A点为高电平,它使V2导通,于是B点为低电平,这又保证了V1的截止。同样,V1导通而V2截止,这是另一个稳定状态。因此,可用V1管的两种状态表示“1”或“0”。由此可知,静态RAM保存信息的特点是和这个双稳态触发器的稳定状态密切相关的。显然,仅仅能保持这两个状态的一种还是不够的,还要对状态进行控制,于是就加上了控制管V5、V6。第5章半导体存储器图5.2六个MOS管组成的静态RAM存储电路第5章半导体存储器当地址译码器的某一个输出线送出高电平到V5、V6控制管的栅极时,V5、V6导通,于是,A点与I/O线相连,B点与I/O线相连。这时如要写“1”,则I/
11、O为“1”,I/O为“0”,它们通过V5、V6管与A、B点相连,即A=“1”,B=“0”,使V1截止,V2导通。而当写入信号和地址译码信号消失后,V5、V6截止,该状态仍能保持。如要写“0”,线为“1”,I/O线为“0”,这使V1导通,V2截止。只要不掉电,这个状态会一直保持,除非重新写入一个新的数据。对所存的内容读出时,仍需地址译码器的某一输出线送出高电平到V5、V6管栅极,即此存储单元被选中,此时V5、V6导通。于是,V1、V2管的状态被分别送至I/O线、I/O线,这样就读取了所保存的信息。显然,存储的信息被读出后,存储的内容并不改变,除非重写一个数据。第5章半导体存储器由于SRAM存储电
12、路中,MOS管数目多,故集成度较低,而V1、V2管组成的双稳态触发器必有一个是导通的,功耗也比DRAM大,这是SRAM的两大缺点。其优点是不需要刷新电路,从而简化了外部电路。第5章半导体存储器2.静态静态RAM的结构的结构静态RAM内部是由很多如图5.2所示的基本存储电路组成的,容量为单元数与数据线位数之乘积。为了选中某一个单元,往往利用矩阵式排列的地址译码电路。例如,1K单元的内存需10根地址线,其中5根用于行译码,另5根用于列译码,译码后在芯片内部排列成32条行选择线和32条列选择线,这样可选中1024个单元中的任何一个,而每一个单元的基本存储电路的个数与数据线位数相同。第5章半导体存储器
13、常用的典型SRAM芯片有6116、6264、62256、628128等。Intel6116的管脚及功能框图如图5.3所示。6116芯片的容量为2K8bit,有2048个存储单元,需11根地址线,7根用于行地址译码输入,4根用于列译码地址输入,每条列线控制8位,从而形成了128128个存储阵列,即16384个存储体。6116的控制线有三条,片选CS、输出允许OE和读写控制WE。第5章半导体存储器图5.36116管脚和功能框图第5章半导体存储器Intel6116存储器芯片的工作过程如下:读出时,地址输入线A10A0送来的地址信号经地址译码器送到行、列地址译码器,经译码后选中一个存储单元(其中有8个
14、存储位),由CS、OE、WE构成读出逻辑(CS=0,OE=0,WE=1),打开右面的8个三态门,被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到D7D0输出。写入时,地址选中某一存储单元的方法和读出时相同,不过这时CS=0,OE=1,WE=0,打开左边的三态门,从D7D0端输入的数据经三态门和输入数据控制电路送到I/O电路,从而写到存储单元的8个存储位中。当没有读写操作时,CS=1,即片选处于无效状态,输入输出三态门至高阻状态,从而使存储器芯片与系统总线“脱离”。6116的存取时间在85150ns之间。第5章半导体存储器其他静态RAM的结构与6116相似,只是地址线不同而已。常用的型号有6264、
15、62256,它们都是28个引脚的双列直插式芯片,使用单一的+5V电源,它们与同样容量的EPROM引脚相互兼容,从而使接口电路的连线更为方便。值得注意的是,6264芯片还设有一个CS2引脚,通常接到5V电源,当掉电时,电压下降到小于或等于+0.2V时,只需向该引脚提供2A的电流,则在VCC=2V时,该RAM芯片就进入数据保护状态。根据这一特点,在电源掉电检测和切换电路的控制下,当检测到电源电压下降到小于芯片的最低工作电压(CMOS电路为+4.5V,非CMOS为+4.75V)时,将6264RAM切换到由镍铬电池或银电池提供的备用电源供电,即可实现断电后长时间的数据保护。数据保护电路如图5.4所示。
16、第5章半导体存储器图5.46264SRAM数据保护电路第5章半导体存储器在电子盘和大容量存储器中,需要容量更大的SRAM,例如,HM628126容量为1Mbit(128K8bit),而HM628512芯片容量达4Mbit。限于篇幅,在此不再赘述,读者可参阅存储器手册。第5章半导体存储器5.2.2 动态动态RAM 1.动态动态RAM存储电路存储电路图5.5单管动态存储器电路第5章半导体存储器由图可见,DRAM存放信息靠的是电容C,电容C有电荷时,为逻辑“1”,没有电荷时,为逻辑“0”。但由于任何电容都存在漏电现象,因此,当电容C存有电荷时,过一段时间由于电容的放电导致电荷流失,信息也就丢失。解决
17、的办法是刷新,即每隔一定时间(一般为2ms)就要刷新一次,使原来处于逻辑电平“l”的电容的电荷又得到补充,而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”。在进行读操作时,根据行地址译码,使某一条行选择线为高电平,于是使本行上所有的基本存储电路中的管子V导通,使连在每一列上的刷新放大器读取对应存储电容上的电压值,刷新放大器将此电压值转换为对应的逻辑电平“0”或“1”,又重写到存储电容上。而列地址译码产生列选择信号,所选中那一列的基本存储电路才受到驱动,从而可读取信息。第5章半导体存储器在写操作时,行选择信号为“l”,V管处于导通状态,此时列选择信号也为“1”,则此基本存储电路被选中,于是由外接数据线送来
18、的信息通过刷新放大器和V管送到电容C上。刷新是逐行进行的,当某一行选择信号为“1”时,选中了该行,电容上信息送到刷新放大器上,刷新放大器又对这些电容立即进行重写。由于刷新时,列选择信号总为“0”,因此电容上信息不可能被送到数据总线上。第5章半导体存储器2.动态动态RAM举例举例图5.6Intel2164A引脚与逻辑符号第5章半导体存储器DRAM芯片2164A的容量为64K1bit,即片内有65536个存储单元,每个单元只有1位数据,用8片2164A才能构成64KB的存储器。若想在2164A芯片内寻址64K个单元,必须用16条地址线。但为减少地址线引脚数目,地址线又分为行地址线和列地址线,而且分
19、时工作,这样DRAM对外部只需引出8条地址线。芯片内部有地址锁存器,利用多路开关,由行地址选通信号RAS(RowAddressStrobe),把先送来的8位地址送至行地址锁存器,由随后出现的列地址选通信号CAS(ColumnAddressStrobe)把后送来的8位地址送至列地址锁存器,这8条地址线也用手刷新,刷新时一次选中一行,2ms内全部刷新一次。Intel2164A的内部结构示意图如图5.7所示。第5章半导体存储器图5.7Intel2164A内部结构示意图第5章半导体存储器图中64K存储体由4个128128的存储矩阵组成,每个128128的存储矩阵,由7条行地址线和7条列地址线进行选择,
20、在芯片内部经地址译码后可分别选择128行和128列。锁存在行地址锁存器中的七位行地址RA6RA0同时加到4个存储矩阵上,在每个存储矩阵中都选中一行,则共有512个存储电路可被选中,它们存放的信息被选通至512个读出放大器,经过鉴别后锁存或重写。锁存在列地址锁存器中的七位列地址CA6CA0(相当于地址总线的A14A8),在每个存储矩阵中选中一列,然后经过4选1的I/O门控电路(由RA7、CA7控制)选中一个单元,对该单元进行读写。2164A数据的读出和写入是分开的,由WE信号控制读写。当WE为高时,实现读出,即所选中单元的内容经过三态输出缓冲器在DOUT脚读出。而WE当为低电平时,实现写入,DI
21、N引脚上的信号经输入三态缓冲器对选中单元进行写入。2164A没有片选信号,实际上用行选RAS、列选CAS信号作为片选信号。第5章半导体存储器3.高集成度高集成度DRAM由于微型计算机内存的实际配置已从640KB发展到高达16MB甚至256MB,因此要求配套的DRAM集成度也越来越高,容量为1M1bit,1M4bit,4M1bit以及更高集成度的存储器芯片已大量使用。通常,把这些芯片放在内存条上,用户只需把内存条插到系统板上提供的存储条插座上即可使用。例如,有256K8bit,1M8bit,256K9bit,1M9bit(9位时有一位为奇偶校验位)及更高集成度的存储条。第5章半导体存储器图5.8
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