第5章 半导体存储器

第5章半导体存储器回顾：微型计算机系统的硬件组成，存储器在微机系统中的功能和作用。

本讲重点：微机存储器系统的基本概况，存储器的分类，内部存储器的系统结构，动、静态读写存储器RAM的基本存储单元与芯片。

讲授内容：5.1概述存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。

存储器系统的三项主要性能是指标容量、速度和成本。

存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。

为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。

从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。

一、存储器分类1．按构成存储器的器件和存储介质分类按构成存储器的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。

2．按存取方式分类可将存储器分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。

(1)．随机存储器RAM(Random Access Memory)又称读写存储器，指能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。

按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。

静态RAM是以双稳态元件作为基本的存储单元来保存信息的，因此，其保存的信息在不断电的情况下，是不会被破坏的；而动态RAM是靠电容的充、放电原理来存放信息的，由于保存在电容上的电荷，会随着时间而泄露，因而会使得这种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。

（2）．只读存储器ROM (Read-Only Memory)在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。

ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。

随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不同的种类，如可编程的只读存储器PROM(Programmable ROM)，可擦除的可编程的只读存储器EPROM(Erasible Programmable ROM)和EEPROM(Electric Erasible Programmable ROM)以及掩膜型只读存储器MROM(Masked ROM)等，近年来发展起来的快擦型存储器(F1ash Memory)具有EEPROM的特点。

3．按在微机系统中位置分类分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)、缓冲存储器等，主存储器又称为系统的主存或者内存，位于系统主机的内部，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作；辅存存储器又称外存，位于系统主机的外部，CPU对其进行的存/取操作，必须通过内存才能进行；缓冲存储器位于主存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，可用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速度。

另外，还可根据所存信息是否容易丢失，而把存储器分成易失性存储器和非易失性存储器。

如半导体存储器(DRAM，SRAM)，停电后信息会丢失，属易失性；而磁带和磁盘等磁表面存储器，属非易失性存储器。

存储器分类表如下所示(P87)：双极型半导体存储器随机存储器(RAM)MOS存储器（静态、动态）主存储器可编程只读存储器PROM只读存储器(ROM) 可擦除可编程只读存储器EPROM，EEPROM掩膜型只读存储器MROM快擦型存储器存储器磁盘(软盘、硬盘、盘组)存储器辅助存储器磁带存储器光盘存储器缓冲存储器二、存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。

1．基本存储单元一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。

不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。

2．存储体(以图示讲解说明)一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。

3．地址译码器由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。

地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。

存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。

(1)．单译码单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。

(2)．双译码在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。

X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号。

行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。

4．片选与读／写控制电路片选信号用以实现芯片的选择。

对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。

片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。

5．I/O电路I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。

6．集电极开路或三态输出缓冲器为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。

7．其它外围电路对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。

4.2 读写存储器RAMRAM(Random Access Memory)意指随机存取存储器，其工作特点是：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读／写操作。

读写存储器分为静态RAM与动态RAM两种。

一、静态RAM1．基本存储单元静态RAM的基本存储单元是由两个增强型的NM0S反相器交叉耦合而成的触发器，每个基本的存储单元由六个MOS管构成，所以，静态存储电路又称为六管静态存储电路。

图5-1(a)为六管静态存储单元的原理示意图。

其中T1、T2为控制管，T3、T4为负载管。

这个电路具有两个相对的稳态状态，若Tl管截止则A＝“l”(高电平)，它使T2管开启，于是B＝“0”(低电平)，而B＝“0”又进一步保证了T1管的截止。

所以，这种状态在没有外触发的条件下是稳定不变的。

同样，T1管导通即A＝“0”(低电平)，T2管截止即B＝“1”(高电平)的状态也是稳定的。

因此，可以用这个电路的两个相对稳定的状态来分别表示逻辑“1”和逻辑“0”。

当把触发器作为存储电路时，就要使其能够接收外界来的触发控制信号，用以读出或改变该存储单元的状态，这样就形成了如图5-l(b)所示的六管基本存储电路。

其中T5、T6为门控管。

地址8(I/O)I/O接Y地址译码器(a) 六管静态存储单元的原理示意图(b) 六管基本存储电路图5-1 六管静态存储单元当X译码输出线为高电平时，T5、T6管导通，A、B端就分别与位线D0及D0相连；若相应的Y译码输出也是高电平，则T7、T8管(它们是一列公用的，不属于某一个存储单元)也是导通的，于是D0及D0(这是存储单元内部的位线)就与输入/输出电路的I/O线及I/O线相通。

写入操作：写入信号自I/O线及I/O线输入，如要写入“1”，则I/O线为高电平而I/O线为低电平，它们通过T7、T8管和T5、T6管分别与A端和B端相连，使A=“1”，B=“0”，即强迫T2管导通，T l管截止，相当于把输入电荷存储于T l和T2管的栅级。

当输入信号及地址选择信号消失之后，T5、T6、T7、T8都截止。

由于存储单元有电源及负载管，可以不断地向栅极补充电荷，依靠两个反相器的交叉控制，只要不掉电，就能保持写入的信息“1”，而不用再生(刷新)。

若要写入“0”，则I/O线为低电乎而I/O线为高电平，使Tl管导通，T 2管截止即A=“0”，B=“1”。

读操作：只要某一单元被选中，相应的T5、T6、T7、T8均导通，A点与B 点分别通过T5、T6管与D0及D0相通，D0及D0又进一步通过T7、T8管与I/O及I/O线相通，即将单元的状态传送到I/O及I/O线上。

由此可见，这种存储电路的读出过程是非破坏性的，即信息在读出之后，原存储电路的状态不变。

2．静态RAM存储器芯片Intel 2114Intel 2114是一种1K×4的静态RAM存储器芯片，其最基本的存储单元就是如上所述的六管存储电路,其它的典型芯片有Ietel 6116/6264/62256等。

(1)．芯片的内部结构如图5-2所示，它包括下列几个主要组成部分：图5-2 Intel2114静态存储器芯片的内部结构框图•存储矩阵：Intel2114内部共有4096个存储电路，排成64×64的短阵形式；•地址译码器：输入为10根线，采用两级译码方式，其中6根用于行译码，4根用于列译码；•I/O控制电路：分为输入数据控制电路和列I／O电路，用于对信息的输入／输出进行缓冲和控制；•片选及读／写控制电路：用于实现对芯片的选择及读／写控制。

(2)．Intel 2114的外部结构Intel2114RAM 存储器芯片为双列直插式集成电路芯片，共有18个引脚，引脚图如图5-3所示，各引脚的功能如下：• A 0-A 9：10根地址信号输入引脚。

• WE ： 读／写控制信号输入引脚，当WE 为低电 平时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元；反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线。

• I/O 1~I/O 4 ：4根数据输入／输出信号引脚， 图5-3 Intel 2114引脚图 • CS ： 低电平有效，通常接地址译码器的输出端。

• +5V ： 电源。

• GND ：地。

二、 动态RAM1．动态RAM 基本存储单元静态RAM 的基本存储单元是一个RS 触发器，因此，其状态是稳定的，但由于每个基本存储单元需由6个MOS 管构成，就大大地限制了RAM 芯片的集成度。

如图5-4所示，就是一个动态RAM 的基本存储单元，它由一个MOS 管T 1和位于其栅极上的分布电容c 构成。

当栅极电容C 上充有电荷时，表示该存储单元保存信息“1”。