半导体存储器分类介绍
微机原理第六章：半导体存储器
I/O 接
输
出 设
口
备
数据总线 DB
控制总线 CB
6．1 半导体存储器概述
★ 按存储器与CPU的关系分为：内存和外存
一、内存即内部存储器的简称，又称主存
◆ 用来存放正在运行的程序和数据，可以被CPU或
外设直接访问；
◆ 内存具有存取速度快的能力，从而保证计算机的
工作速度；
◆ 内存一般都以半导体存储器作为存储介质。
固态大容量存储器，在便携机上取代小容量硬盘基本成为可能。
二、同步动态存储器SDRAM（Synchronous DRAM） ★ SDRAM 基于双存储体结构，内含两个交错的存储阵列，当CPU
访问一个存储阵列时，另一个已准备好读写数据，使读取效率得 到成倍提高。理论上速度可与CPU频率同步。 ★ SDRAM不仅可用做主存，在显示卡专用内存方面也有广泛应用。
★ 它与DRAM的区别在于引脚定义会随命令而变，一组引脚可根据 定义成为地址线或控制线。使引脚数目仅为正常DRAM 的1/3。
★ 在扩展芯片容量时，仅需改变命令而不需增加芯片引脚。
★ 此芯片支持400 MHz外频，再利用上升沿和下降沿两次传输数据， 使数据传输率达到800 MHz。
6.1.3 存储器技术的新发展
DVD盘为4.7GB、 “优盘”为1G 等。
★ 大容量半导体存储器如FLASH存储器的价格在迅速
下降，闪存制成的“优盘“成为了一种很受欢迎的外存。
6.1.1 半导体存储器的分类 一、RAM 和 ROM
1．随机读写存储器 RAM（存储器掉电后信息会丢失）
2．只读存储器 ROM（内部存储的信息不会因掉电而丢失）
6.3 只读存储器 ROM
6.3.1 ROM 的分类
半导体存储器分类的介绍
半导体存储器分类介绍§ 1. 1 微纳电子技术的发展与现状§1.1.1 微电子技术的发展与现状上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。
此后为了提高电子元器件的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高。
1962年，由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组装成的集成电路（IC）成为微电子技术发展的核心。
自从集成电路被发明以来[1,2]，集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。
按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模（VLSI），再到现在的甚大规模集成电路（ULSI）的发展阶段。
随着集成电路制造业的快速发展，新的工艺技术不断涌现，例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等，这些新的技术被迅速推广和应用，使器件的特征尺寸不断的减小。
其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米，甚至是亚30纳米。
器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度，同时又使运算速度和可靠性大大提高，价格大幅下降。
随着微电子技术的高速发展，人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候，新的挑战已经悄然到来。
微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久？摩尔定律还能支配集成电路制造业多久？进入亚微米领域后，器件性能又会有哪些变化？这一系列的问题使人们不得不去认真思考。
20世纪末期，一门新兴的学科应运而生并很快得到应用，这就是纳电子技术。
§1.1.2 纳电子技术的应用与前景2010年底，一篇报道英特尔和美光联合研发成果的文章《近距离接触25nm NAND闪存制造技术》[4]，让人们清楚意识到经过近十年全球范围内的纳米科技热潮，纳电子技术已逐渐走向成熟。
第七章 半导体存储器 半导体存储器的分类
第七章 半导体存储器数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。
存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。
半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。
目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。
存储器——用以存储一系列二进制数码的器件。
半导体存储器的分类根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM —Random Access Memory ）和只读存储器（ROM —Read-Only memory ）。
按照存储机理的不同，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。
存储器的容量存储器的容量=字长（n ）×字数（m ）7.1随机存取存储器（RAM ）随机存取存储器简称RAM ，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。
RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。
一． RAM 的基本结构由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。
存储矩阵读/写控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入图7.1—1 RAM 的结构示意框图1. 存储矩阵RAM 的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。
图7.1—5所示是1024×1位的存储矩阵和地址译码器。
属多字1位结构，1024个字排列成32×32的矩阵，中间的每一个小方块代表一个存储单元。
为了存取方便，给它们编上号，32行编号为X 0、X 1、…、X 31，32列编号为Y 0、Y 1、…、Y 31。
这样每一个存储单元都有了一个固定的编号（X i 行、Y j 列），称为地址。
11113131131********列 译 码 器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......X X X Y Y Y 0131131A A A A A A A A A A 地 址 输 入地址输入0123456789D D数据线....图7.1－5 1024×1位RAM 的存储矩阵2． 址译码器址译码器的作用，是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。
半导体存储器介绍
04
价格竞争： 各厂商通过 调整产品价 格来争夺市
场份额
05
市场趋势： 随着市场需 求的扩大， 市场竞争将
更加激烈
发展趋势
01
市场规模不断扩大，需 求持续增长
03
市场竞争激烈，企业并 购和整合频繁
05
政策支持，推动半导体 存储器产业发展
02
技术进步，存储密度和 速度不断提高
04
应用领域不断拓展，如 人工智能、物联网等
存储速度：半导体存储器的存储速度取 决于其内部电路的运行速度和数据传输 速度。
存储技术：半导体存储器有多种存储技术， 如DRAM、SRAM、Flash等，每种技术 都有其独特的存储容量和速度特点。
发展趋势：随着技术的进步，半导体存 储器的存储容量和速度也在不断提高， 以满足不断增长的数据存储需求。
半导体存储器市场
0 3 存储单元：由晶体管和电容器组 成，用于存储数据
0 4 存储方式：分为随机存取存储器 （RAM）和只读存储器（ROM）
0 5 存储容量：取决于存储单元的数 量和每个单元的存储能力
0 6 存储速度：取决于存储单元的访 问速度和数据传输速度
存储容量和速度
存储容量：半导体存储器的存储容量取 决于其内部存储单元的数量和每个存储 单元的存储容量。
数据不丢失
EEPROM（电可擦除
4
可编程只读存储器）：
可擦除和重新编程，断
电后数据不丢失，速度
较慢
Flash Memory（闪
5
存）：可擦除和重新编
程，断电后数据不丢失，
速度快，广泛应用于U
盘、SD卡等设备
半导体存储器特点
01
存储速度快：半导 体存储器的读写速 度远高于磁性存储
半导体存储器分类
半导体存储器一．存储器简介存储器（Memory）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。
在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。
计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
存储器件是计算机系统的重要组成部分，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。
存储器（Memory）计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
它根据控制器指定的位置存入和取出信息。
自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。
存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。
存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。
这些器件也称为记忆元件。
在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。
记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。
日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。
计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。
储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。
由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。
一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。
每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。
一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。
假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。
半导体存储器分类
半导体存储器分类
半导体存储器分类
1、按功能分为
（1）随机存取存储器（RAM）特点：包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器），当关机或断电时，其中的信息都会随之丢失。
DRAM主要用于主存（内存的主体部分），SRAM主要用于高速缓存存储器。
（2）只读存储器（ROM）特点：只读存储器的特点是只能读出不能随意写入信息，在主板上的ROM里面固化了一个基本输入/输出系统，称为BIOS（基本输入输出系统）。
其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。
2、按其制造工艺可分为
（1）双极型存储器特点：运算速度比磁芯存储器速度约快3个数量级，而且与双极型逻辑电路型式相同，使接口大为简化。
半导体存储装置
半导体存储装置半导体存储装置在现代科技领域发挥着至关重要的作用。
它们被广泛应用于计算机、手机、平板电脑等电子设备中，为数据存储和处理提供高效快速的解决方案。
本文将介绍半导体存储装置的原理、种类以及未来发展的趋势。
一、半导体存储装置的原理半导体存储装置是利用半导体材料的特性来实现数据存储的设备。
半导体材料具有可以在导电和绝缘之间进行切换的能力，这使得它们可以作为存储单元来存储和读取数据。
在半导体存储装置中，最常见的原理是基于电荷存储的方式。
它通过在半导体材料中嵌入电荷来表示数据的不同状态，例如0和1。
当电荷被嵌入时，表示存储的数据为1；而当电荷被移除，则表示存储的数据为0。
另一种常见的原理是基于电阻变化的方式。
这种存储装置利用半导体材料中电阻随着电流通过而发生变化的特性来存储和读取数据。
通过控制电流的强弱，可以改变电阻的状态，从而表示不同的数据。
二、半导体存储装置的种类目前，主要的半导体存储装置种类包括闪存存储器、动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）以及相变存储器等。
1. 闪存存储器闪存存储器是一种非易失性存储器，具有高速度、高稳定性和低功耗的特点。
它可以被用于数据的长期存储，并且在断电后仍能保持数据。
2. DRAMDRAM是一种易失性存储器，它通过电容来存储数据。
DRAM的读取速度非常快，但电容内的电荷会随着时间的推移而逐渐减少，因此需要周期性地刷新来保持数据。
3. SRAMSRAM也是一种易失性存储器，它利用了触发器的原理来存储数据。
相比于DRAM，SRAM的读取速度更快，但它的存储密度较低，成本较高。
4. 相变存储器相变存储器利用了物质在相变过程中电阻发生变化的特性来实现数据的存储和读取。
它具有较高的存储密度和较低的功耗，被认为是未来存储技术的发展方向之一。
三、半导体存储装置的未来发展趋势随着科技的不断进步，半导体存储装置在容量、速度和功耗方面都有着不断的提升和改进。
半导体存储器的分类
半导体存储器的分类一．ROM只读存储器，英文名为ROM（Read Only Memory）,所谓只读，从字面上理解就是只可以从里面读出数据，而不能写进去，ROM就是单片机用来存放程序的地方。
只要让存储器满足一定的条件就能把数据预先写进去（用指令编写好程序，再将程序编译成机器码hex文件，用编程器写入单片机集成电路中。
）二．Flash ROM是一种快速存储式只读存储器，这种程序存储器的特点是既可以电擦写，而且掉电后程序还能保存，编程寿命可以达到一千次左右，可以反复烧写的。
目前新型的单片机都采用这种程序存储器。
还有两种早期的程序存储器产品：PROM，EPROM和EEPROM。
（1） PROM：被称为可编程只读存储器，只能写一次，不能重新擦写，习惯上我们把带这种程序存储器的单片机称为OTP型单片机。
存储器容量单位1KB＝1024B；1MB＝1024KB；1GB＝1024MB。
（2）EPROM；称之为紫外线擦除的可编程只读存储器，它里面的内容写上去之后，如果觉得不满意，可以用一个特殊的方法去掉后重写，就是用紫外线照射，这种芯片可以擦除的次数也是有限的，几十次吧，电脑上的BIOS芯片采用的就是这种结构的存储器。
（3） EEPROM：而这种存储器可以直接用电擦写，比较方便数据的改写，它有点类似以Flash存储器，但比Flash存储器速度要慢，现在新型的外部扩展存储器都是这种结构的。
三．RAM：了解了ROM，我们再来讲另外一种存储器，叫随机存取存储器，也叫内存，英文缩写为RAM（Random Access Memory），它是一种既可以随时改写，也可以随时读出里面数据的存储器，类似以我们上课用的黑板，可以随时写东四上去，也可以用黑板擦随时擦掉重写，它也是单片机的重要组成部分，单片机中很多功能寄存器都与它有关。
半导体存储器的分类
半导体存储器的分类作者去者日期 2010-3-20 14:27:0021．按制造工艺分类半导体存储器可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。
双极型（bipolar）由TTL晶体管逻辑电路构成。
该类存储器件的工作速度快，与CPU处在同一量级，但集成度低，功耗大，价格偏高，在微机系统中常用做高速缓冲存储器cache。
金属氧化物半导体型，简称MOS型。
该类存储器有多种制造工艺，如NMOS, HMOS, CMOS, CHMOS等，可用来制造多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。
该类存储器的集成度高，功耗低，价格便宜，但速度较双极型器件慢。
微机的内存主要由MOS型半导体构成。
2．按存取方式分类半导体存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。
ROM是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，就固定不变，掉电后，信息也不会丢失。
在使用过程中，只能读出，一般不能修改，常用于保存无须修改就可长期使用的程序和数据，如主板上的基本输入/输出系统程序BIOS、打印机中的汉字库、外部设备的驱动程序等，也可作为I/O数据缓冲存储器、堆栈等。
RAM是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，一旦掉电，信息就会自动丢失，常用做内存，存放正在运行的程序和数据。
（1）ROM的类型根据不同的编程写入方式，ROM分为以下几种。
① 掩膜ROM掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在生产过程中采用掩膜工艺（即光刻图形技术）一次性直接写入的。
掩膜ROM一旦制成后，其内容不能再改写，因此它只适合于存储永久性保存的程序和数据。
② PROMPROM（programmable ROM）为一次编程ROM。
它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储的信息：当熔丝被烧断时，表示信息“0”；当熔丝接通时，表示信息“1”。
由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。
半导体存储器的分类及应用
半导体存储器的分类及应用半导体存储器主要分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。
1. 随机存储器（RAM）：RAM是一种易失性存储器，其中存储的数据在断电后会丢失。
RAM主要用于临时存储计算机的运行数据和程序。
根据存储单元的结构，RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。
- 静态随机存储器（SRAM）：SRAM由触发器构成，每个存储单元需要多个晶体管和电容器来存储一个位。
SRAM具有快速访问速度和较低的功耗，常用于高速缓存、寄存器文件和缓冲存储器等。
- 动态随机存储器（DRAM）：DRAM由电容器和晶体管构成，每个存储单元只需要一个电容器和一个晶体管来存储一个位。
DRAM的存储单元较小，但在每次读取数据后需要刷新电容器，因此访问速度相对较慢。
DRAM广泛应用于主存储器（内存）和图形存储缓冲区等。
2. 只读存储器（ROM）：ROM是一种非易失性存储器，其中存储的数据在断电后不会丢失。
ROM主要用于存储不需要频繁修改的固定数据，例如计算机的固件程序、启动代码和存储器初始化信息等。
根据存储单元的可编程性，ROM可分为可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。
- 可编程只读存储器（PROM）：PROM的存储单元由固定的晶体管和电容器组成，存储内容不能被修改。
- 可擦除可编程只读存储器（EPROM）：EPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过曝光紫外光擦除并重新编程。
EPROM的擦除程序相对麻烦。
- 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）：EEPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过电信号擦除和编程。
EEPROM的擦除和编程过程相对容易，且可以单独对存储单元进行操作。
半导体存储器广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域，包括但不限于以下几个应用：- 主存储器（内存）：作为计算机的主要存储器，用于存储正在执行的程序和运行数据。
半导体存储器分类
半导体存储器分类1. 引言半导体存储器是一种用于存储和检索数据的电子设备，广泛应用于计算机、通信设备、嵌入式系统等领域。
根据存储原理和结构特点，半导体存储器可以分为多种不同类型。
本文将对半导体存储器进行分类，并对每种类型进行详细介绍。
2. 分类根据存储原理和结构特点，半导体存储器可以分为以下几种类型：2.1 随机存取存储器（RAM）随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）是一种能够随机访问任意存储单元的存储器。
RAM可以分为静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM）两种类型。
2.1.1 静态随机存取存储器（SRAM）静态随机存取存储器使用触发器作为存储单元，每个存储单元由6个晶体管构成。
SRAM的速度快、可靠性高，但功耗较高，存储密度较低。
2.1.2 动态随机存取存储器（DRAM）动态随机存取存储器使用电容作为存储单元，每个存储单元由一个电容和一个访问晶体管构成。
DRAM具有较高的存储密度和较低的成本，但需要定期刷新以保持数据的稳定性。
2.2 只读存储器（ROM）只读存储器（Read-Only Memory，ROM）是一种无法进行写操作的存储器，其中的数据在制造过程中被烧录，并在使用过程中保持不变。
ROM可以分为可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦写只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）和闪存（Flash）等类型。
2.2.1 可编程只读存储器（PROM）可编程只读存储器是一种可以被用户编程的只读存储器。
在制造过程中，PROM的存储单元被烧录为1或0，用户可以使用特殊的设备将某些存储单元从1改为0，但无法反向操作。
2.2.2 可擦写只读存储器（EPROM）可擦写只读存储器可以被用户多次擦除和编程的只读存储器。
EPROM在制造过程中被烧录，但用户可以使用紫外线辐射将其擦除，并重新编程。
微机原理半导体存储器
位地址线）。
虚拟存储器程序占用存储空间，可达246字节。
实存储器
由32位 RAM
地址
ROM
232＝4G
虚存储器 磁盘 设备
246＝64T
•虚拟存储器实际上是由磁盘等外存储器旳支持来 实现旳，即由操作系统把磁盘存储器当主存来使 用，以扩大内存。
所以，存储器和CPU旳连接，有三个部分： （1）、地址线旳连接； （2）、数据线旳连接； （3）、控制线旳连接。 在详细连接时应考虑下面问题：
1、CPU总线旳负载能力
在微机系统中，CPU经过总线与数片存储器和若干I/O 芯片相连，而这些芯片可能为TTL器件，或MOS器 件，所以构成系统时CPU总线能否支持其负载是必须 考虑旳问题。
24 ——VCC ——A8 ——A9 ——WE ——OE ——A10 ——CE ——D7 ——D6 ——D5 ——D4
13 ——D3
引脚功能
D0－D7 8位数据输入／输出 A0-A10地址输入 ,11位
CE 片选（芯片允许） WE 写允许 OE 输出允许
一般RAM都有这三个控制端
• 2K*8=2024*8=16384个基本元电路，用11根地址 线对其进行译码，以便对2K个单元进行选择，选 中旳8bit位同步输入/输出，数据旳方向由CE， WE，OE一起控制。
旳存取时间tRC或tWC；一般以CPU旳时序来拟定对存储
器旳存储速度旳要求 ；在存储芯片已拟定旳情况下， 则应考虑是否需要迁入TW周期等。
• 背面设计，假设能配合，不考虑插入电路。
3、存储器旳地址分配和片选问题
因为目前单片存储器旳容量依然是有限旳，所以 总是要由许多片才干构成一定容量旳存储器。
半导体存储器分类
半导体存储器是计算机和电子设备中常用的内部存储器类型，根据不同的特性和用途，可以分为多种分类。
以下是常见的半导体存储器分类：1.RAM（随机存取存储器）：SRAM（静态随机存取存储器）：使用触发器构建，读写速度快，但需要较多的芯片面积和功耗。
DRAM（动态随机存取存储器）：基于电容的存储单元，需要定期刷新，但相对较高的存储密度使其成为主流内存选项。
2.ROM（只读存储器）：PROM（可编程只读存储器）：用户一次性编程，无法擦除或重新编程。
EPROM（可擦除可编程只读存储器）：需要特殊设备进行擦除，然后重新编程。
EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可通过电子擦除和编程，较为灵活，但擦写次数有限。
Flash 存储器：类似于EEPROM，但支持块擦除，用于各种应用，包括闪存驱动器、存储卡和固态硬盘。
3.Cache 存储器：L1、L2、L3 Cache：位于处理器内部的高速缓存，用于加速数据访问。
缓存存储器层次结构：不同级别的缓存通过层次结构来平衡速度和容量。
4.寄存器文件：寄存器组：在CPU 内部的小型存储器单元，用于存储指令、数据和控制信号。
5.存储卡和存储棒：SD 卡、MicroSD 卡、USB 存储棒等：用于移动设备和计算机的便携式存储。
6.堆栈存储器：堆栈内存：用于存储函数调用、局部变量和返回地址等，通常遵循先进后出（LIFO）原则。
7.内存芯片：内存芯片：集成了多个存储单元，通常作为外部存储器使用。
这些存储器类型在不同的应用场景中具有不同的特点和用途。
随着技术的发展，各类存储器不断优化和演进，以满足日益复杂的计算和数据存储需求。
半导体存储器的分类
2.4 E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）：也称为EEPROM，是可以电擦除的可编程只读存储器。由于能以电信号擦除数据，并且可以对单个存储单元擦除和写入（编程），因此使用十分方便，并可以实现在系统擦除和写入。
2.5 闪速存储器（Flash Memory）：闪速存储器是新型非易失性存储器，在系统电可重写。它与EPROM的一个区别是EPROM可按字节擦除和写入，而闪速存储器只能分块进行电擦除。它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦出可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U盘）。 目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一快的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。 一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（Disk On Chip）和我们通常用的“闪盘”，可以在线擦除。目前市面上的FLASH 主要来自Intel，AMD，Fujitsu和Toshiba，而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。
半导体存储器概述
数字电路逻辑设计
数字电路逻辑设计
半导体存储器概述
本章将介绍各种半导体存储器的基本结构、工作原理、功能 及应用。半导体存储器一般可分为随机存取存储器（Random Access Memory）RAM以及只读存储器（Read-only Memory）ROM 两种。RAM可在任何时刻对存储器内任意一个单元直接存取信息， 根据所采用的存储器单元结构的不同，RAM又可分为静态存储器 SRAM和动态存储器DRAM。
ROM在正常运行时，只能读出信息而不能写入，但断电后所 存储的数据不会消失。ROM有掩膜只读存储器、可编程只读存储 器（PROM）、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）、电信号可 擦除的可编程ROM（EEPROM），快闪存储器（Flash Memory）等 不同种类。
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有存储容量和存取时间两种。 存储器中一个基本存储单元能存储1个Bit的信息，所以存储容量 就是该存储器基本存储单元的总数，存储容量的单位为Kb， 1Kb=210=1024bit。存储器的存取时间一般用读（或写）周期来 描述，连续两次读取（或写入）操作所间隔的最短时间称为读 （或写）周期。读（或写）周期短，即存取时间短，存储器的工 作速度就高。
半导体存储器
1.1半导体存储器的分类
2. 半导体存储器按其功能分为只读存储器ROM和读写存储
器RAM (1) ROM
1）掩膜ROM，其存储的信息在制造过程中生成，以后不可
2)可编程只读存储器PROM（programmable ROM）。其信 息可由用户通过特殊手段一次性写入，以后不可以再改变。3） 可擦除只读存储器EPROM（erasable PROM）。其信息可 由用户编程写入，并可将其信息擦除进行重写。按照擦除信 息的方式，又分为紫外线擦除（用紫外光照射器件上的窗口） 的EPROM和电擦除（在线带电擦除）的EEPROM （electrically erasable PROM
1.3存储芯片的组成
2. 地址译码器是用来接收来自CPU的n位地址，经译码后
产生2n个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。 3.
控制逻辑电路是用来接收片选信号CS及来自CPU的读/ 写控制信号，形成芯片内部控制信号，控制数据的读出和写
4. 数据缓冲器是用来寄存来自CPU的写入数据或从存储体
内读出的数据。
MOS ①静态RAM（SRAM，static RAM）。其存储的信息在非掉电情
②动态RAM（DRAM，dynamic RAM）。其存储的信息经过一
③集成RAM（IRAM，integrated RAM）。能自动完成其内部存 储的信息周期刷新的随机存储器。
1.1半导体存储器的分类
1.2半导体存储器的主要性能指标
微型计算机原理与接口技术
半导体存储器
存储器是用来存储信息的部件，是计算机系统的重 要组成部件。计算机中的全部信息包括要处理的原始数 据、中间结果和最终结果，以及控制计算机运行的各种 程序，全部需要存放在存储器中。根据冯·诺依曼结构： 程序存储，程序控制，程序管理。可见存储器在计算机 部件中的地位。
半导体存储器及其应用
存储器构造框图
存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器 如：1K容量存储器，有10根地址线。 单向译码需要1024根译码输出线和驱动器。
双向译码 X、Y方向 各为32根译码输出线 和驱动器， 总共需要64根译码线 和64个驱动器。
静态RAM Intel 2114 Intel 2114 容量 1k×4位
PROM：可编程ROM
顾客可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入
写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改
写。
１、熔丝型ＰＲＯＭ旳构成：
由镍铬熔丝等构成 ２、熔丝型ＰＲＯＭ旳编程写入
出厂时，全部位均为“０”
编程写入：用过电流将要写
“１” 旳位旳熔丝熔断。
３、“读”工作原理 字线被选中，有(无)熔丝旳位
程序存储器旳工作方式-2716(见P110)
EPROM2716 工作方式真值表
/CE /OE VPP D0~D7 方式
0 0 +5V 输出
读
× 1 +5V 高阻 未选中
1 × +5V 高阻
维持
正脉 冲1
+25V
输入
编程
0 0 +25V 输出 编程校验
0 1 +25V 高阻 编程禁止
注：VPP为编程脉冲，可觉得 +5V,+12.5v,+21V,+25V等
第五章 半导体存储器及其应用
5-1 半导体存储器旳分类 5-2 随机存取存储器RAM 5-3 只读存储器ROM 5-4 CPU与存储器旳连接 5-5 MCS-51存储器旳扩展
5.1 半导体存储器旳分类
ห้องสมุดไป่ตู้ 1. 随机存取存储器RAM (Random Access Memory)
半导体存储器编址方式
半导体存储器编址方式一、引言随着计算机技术的不断发展，存储器作为计算机系统的重要组成部分也得到了不断的改进和升级。
其中，半导体存储器因其具有速度快、功耗低、容量大等优点而被广泛应用。
在半导体存储器中，编址方式是其最基本的实现原理之一。
二、半导体存储器分类1. 静态随机存储器（SRAM）SRAM是一种基于触发器实现的存储器，具有读写速度快、功耗低等优点。
其编址方式主要包括直接编址和间接编址两种。
2. 动态随机存储器（DRAM）DRAM是一种基于电容实现的存储器，具有容量大、成本低等优点。
其编址方式主要包括行地址和列地址两种。
3. 快闪存储器（Flash Memory）Flash Memory是一种非易失性存储器，具有读写速度快、耐用性好等优点。
其编址方式主要包括页地址和偏移地址两种。
三、半导体存储器编址方式详解1. 直接编址直接编址又称为绝对寻址，它是指将数据或指令直接存放在特定的存储单元中，并通过该存储单元的地址进行访问。
直接编址方式适用于SRAM等静态存储器，其寻址方式简单、速度快，但是容易受到地址空间限制。
2. 间接编址间接编址是指将数据或指令存放在寄存器或内存单元中，并通过该寄存器或内存单元的地址进行访问。
间接编址方式适用于SRAM等静态存储器和DRAM等动态存储器，其寻址方式灵活、容量大，但是速度相对较慢。
3. 行地址编址行地址编址适用于DRAM等动态随机存储器，其访问方式类似于读取一张表格中的某一行数据。
在行地址编址中，需要先确定所需数据所在的行号，然后再通过列地址进行访问。
行地址编址具有容量大、成本低等优点，但是需要经过多次访问才能获取到完整数据。
4. 列地址编址列地址编址同样适用于DRAM等动态随机存储器，其访问方式类似于读取一张表格中的某一列数据。
在列地址编址中，需要先确定所需数据所在的列号，然后再通过行地址进行访问。
列地址编址具有速度快、访问效率高等优点，但是容量相对较小。
5. 页地址编址页地址编址适用于Flash Memory等快闪存储器，其访问方式类似于读取一本书中的某一页内容。
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半导体存储器分类介绍§ 1. 1 微纳电子技术的发展与现状§1.1.1 微电子技术的发展与现状上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。
此后为了提高电子元器件的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高。
1962年，由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组装成的集成电路（IC）成为微电子技术发展的核心。
自从集成电路被发明以来[1,2]，集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。
按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模（VLSI），再到现在的甚大规模集成电路（ULSI）的发展阶段。
随着集成电路制造业的快速发展，新的工艺技术不断涌现，例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等，这些新的技术被迅速推广和应用，使器件的特征尺寸不断的减小。
其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米，甚至是亚30纳米。
器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度，同时又使运算速度和可靠性大大提高，价格大幅下降。
随着微电子技术的高速发展，人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候，新的挑战已经悄然到来。
微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久？摩尔定律还能支配集成电路制造业多久？进入亚微米领域后，器件性能又会有哪些变化？这一系列的问题使人们不得不去认真思考。
20世纪末期，一门新兴的学科应运而生并很快得到应用，这就是纳电子技术。
§1.1.2 纳电子技术的应用与前景2010年底，一篇报道英特尔和美光联合研发成果的文章《近距离接触25nm NAND闪存制造技术》[4]，让人们清楚意识到经过近十年全球范围内的纳米科技热潮，纳电子技术已逐渐走向成熟。
电子信息技术正从微电子向纳电子领域转变，纳电子技术必将取代微电子技术主导21世纪集成电路的发展。
目前，半导体集成电路的特征尺寸已进入纳米尺度范围，采用32纳米制造工艺的芯片早已问世，25纳米制造技术已正式发布，我们有理由相信相信亚20纳米时代马上就会到来。
随着器件特征尺寸的减小，器件会出现哪些全新的物理效应呢？（1）量子限制效应。
当器件在某一维或多维方向上的尺寸与电子的徳布罗意波长相比拟时，电子在这些维度上的运动将受限，导致电子能级发生分裂，电子能量量子化，出现短沟道效应、窄沟道效应以及表面迁移率降低等量子特性。
（2）量子隧穿效应。
当势垒厚度与电子的徳布罗意波长想当时，电子便可以一定的几率穿透势垒到达另一侧。
这种全新的现象已经被广泛应用于集成电路中，用于提供低阻接触。
（3）库仑阻塞效应。
单电子隧穿进入电中性的库仑岛后，该库仑岛的静电势能增大e2/2C，如果这个能量远远大于该温度下电子的热动能K B T，就会出现所谓的库仑阻塞现象，即一个电子隧穿进入库仑岛后就会对下一个电子产生很强的排斥作用，阻挡其进入。
以上这些新的量子效应的出现使得器件设计时所要考虑的因素大大增加。
目前，国际上较为先进的是25nm半导体制造工艺，在这样小的尺寸范围内进行器件设计不仅仅要考虑单个器件可能因尺寸等比例缩小所带来的各种量子效应，还要考虑器件与器件间距不断缩小可能出现的各种可靠性问题以及Cu互联线之间的各种耦合效应。
目前，包括Intel、IBM、Samsung以及TSMC在内的各大企业都投入了大量的人力、物力用于研究纳米尺度下可能面临的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法、技术标准和检测手段。
在这样的背景下，如何更好地掌握和利用这些新的物理效应，并将其应用于新型的纳米器件中就显得尤为重要，而这正是本文研究的出发点。
§ 1. 2 新一代非易失性半导体存储器的分类与发展§1.2.1 非易失性半导体存储器的种类与特点2008年，美国IBM实验室提出“存储级内存”(SCM, Storage-Class Memory)的概念[5]，用于概括新一代的非易失性闪存技术。
IBM公司对SCM的定义为：能够取代传统硬盘并对DRAM起到补充作用的这样一类非易失性数据存储技术[8]。
据IBM提供的资料，SCM大约在五年之内可实现商品化，到时1Gb的成本大约只有闪存的1/3，同时具有比传统存储器更高的性能，高的性价比使得SCM能够很快取代传统存储设备中的硬盘。
如图1.1所示，SCM的出现必将对计算机数据存储系统的发展路线产生深远影响。
图1.1 半导体存储器发展路线示意图（图片来源：IBM Research Center）有望成为下一代非易失性存储器候选者的SCM主要包括以下几种：铁电随机存储器（FeRAM）、磁阻随机存储器（MRAM）、阻变随机存储器（RRAM）、相变随机存储器（PCRAM）。
FeRAM利用铁电晶体的铁电效应来实现数据存储，铁电晶体在自然状态下分为正、负两极。
当在外加电场时，晶体中心原子在电场作用下运动，极性统一最终达到稳定状态；当电场撤除后，中心原子恢复原来的位置，因此能够保存数据。
FeRAM的一个基本存储单元由电容和场效应管（所谓的2T2C结构）组成，如图1.2所示。
电容由两电极板中间沉淀晶态铁电晶体薄膜材料组成，目前应用最多的铁电晶体主要为钙钛矿材料。
FeRAM的优点是速度快、功耗低、无需擦除即可反复写入；存在的问题是当达到一定的读写次数后将失去耐久性，另外，减小单个存储单元尺寸，提高存储密度以及提高器件可靠性也是亟待解决的问题。
图1.2 铁电随机存储器结构示意图（图片来源：）MRAM的核心是磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ），常用的材料为氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）等等。
通过外加磁场（如图1.3左所示）或电场（如图1.3右所示）驱使MTJ极化方向发生变化，出现平行和反平行两种状态，而这两种状态所对应的磁阻（Tunneling Magnetoresistance,TMR）有很大差异，因而可以用低阻和高阻作为“0”和“1”两种不同的状态。
MRAM的擦写速度极快、耐久性很高同时功耗也很低，但磁性材料大多与常规的CMOS工艺不兼容，要做到大规模集成还有很多困难。
近年来，MRAM作为SCM一个强有力的候选者得到很多闪存厂商的青睐，相关研究工作也在紧锣密鼓地进行，相信假以时日MRAM一定可以大展宏图。
图1.3 磁阻随机存储器原理示意图（图片来源：http://techon.nikkeibp.co.jp）RRAM是忆阻器（memristor）最简单也是最重要的应用，是目前存储器领域的研究热点之一。
忆阻器简单说来就是一种有记忆功能的非线性电阻，通过控制电流的变化改变阻值，实现高阻“1”和低阻“0”的数据存储功能。
金属氧化物的电阻转变特性发现于20世纪60年代，由于受到实验条件的制约，直到2000年美国休斯顿大学报道了PCMO氧化物薄膜的电阻转换特性之后，人们才又重新认识到这一现象，随后惠普公司科学家在2008年5月的《自然》杂志上撰文研究了RRAM的机理，将对RRAM的研究推向高潮。
RRAM的结构非常简单，如图1.4所示，作为候选的材料主要有有机化合物、钙钛矿多元氧化物以及简单的二元氧化物，最具潜力的当属二元过渡金属氧化物半导体材料，比如CuO、ZnO、NiO、TiO、ZrO等。
RRAM的优点主要有：制备简单、擦写速度快、存储密度高、与传统CMOS工艺兼容性好。
目前，RRAM作为一种全新的存储技术，其电致阻值转变的物理机制尚不清楚，但RRAM众多的优点使其仍然很具吸引力。
图1.4 RRAM结构示意简图（图片来源：）PCRAM依靠相变材料非晶态和晶态之间相互转换时所表现出的不同电阻特性来存储数据，在相变材料上施加复位电压或电流就能触发两个状态之间的切换，PCRAM的基本结构如图1.5所示，上下电极之间是一层相变材料，周围是绝热材料。
目前，被广泛采用的相变材料为Ge:Se:Te（GST）。
PCRAM主要的优点是：单元体积小、读写速度快、功耗低、寿命长并且可实现多级存储。
以IBM为代表的业界认为PCRAM在65纳米以后将凸显其优势，是下一代新型存储器最有希望的候选者。
尽管如此，PCRAM还是有其固有的缺点，例如在相变过程中如何绝热以及存储数据可靠性等问题。
图1.5 PCRAM结构示意图（图片来源：http://www.iht.rwth-aachen.de）最后，将这几种不同的新型存储器性能进行比较，如表1.1所示。
表1.1 几种新型存储器性能比较简表传统闪存FeRAM MRAM RRAM PCRAM 存储器类型参数阵列规模16Gb256Mb4Mb512Mb存储单元尺寸（F2）8-101810-204-85-8可擦写次数106101610141071012读取/写入电压（V）2/12 1.5/1.5 3.3/3.30.5/2.50.4/1.0读取/写入速度80ns/100μs50ns/50ns10ns/10ns50ns/50ns50ns/50ns 单元尺寸缩小的限制因素隧穿氧化层电容电流密度光刻光刻§1.2.2 闪存领域当前面临的机遇与挑战闪存(Flash)领域一直是纳电子高新技术应用的最前沿，也是各种新型存储器商品化进程中竞争最为激烈的领域。
因而，闪存领域更能体现存储器制造业目前面临的机遇与挑战。
自从1989年日本东芝公司提出NAND结构以后，越来越多的处理器使用NAND接口，并能直接从NAND(没有NOR)导入数据。
如今随着数码产品的普及，闪存领域的发展可谓日新月异。
数码相机、MP3/MP4播放器、PDA、智能手机等等数码产品目前已经完全被闪存占据，市场旺盛的需求驱使各大闪存厂商竞相扩大产能，引进新技术的同时大幅提升闪存的容量和速度。
大概在2007年，一个容量为1G的U盘市场价格大约为几百元，而在2009年年初一个4G的U盘售价竟然降至35元，闪存市场竞争之激烈让人吃惊[6]。
闪存价格骤降对于消费者而言无疑是件好事，但对于生产商而言却苦不堪言。
在闪存领域占主导地位、被人称之为“半导体产业成长最快产品”的NAND flash同样面临这样的挑战。
三星（Samsung）、东芝（Toshiba）、海力士（Hynix）和美光（Micron）并称NAND flash“四巨头”，占据闪存市场90%的份额。
但即使是这样的大公司也在2008-2009年的价格战中背负了沉痛的代价。
在这场残酷的市场竞争中，大多数公司依靠进一步减小特征尺寸来降低成本，25-28纳米这样的特征尺寸在NAND制造业已经或即将投入运营，而我们大家熟知20纳米将是光刻技术的极限，因此单靠缩小器件尺寸来降低闪存价格的这种方法不是长久之计。