存储系统及半导体存储器(1)
数字逻辑与计算机组成原理：第三章 存储器系统(1)
A3 0
字线
地0 A2 0 址
译
A1
0码 器
A0 0
15
读 / 写选通
… …
…
0,0 … 0,7
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0
…
7 位线
读/写控制电路
D0
… D7
(2) 重合法（双译码方式）
0 A4
0,00
…
0 A3
阵
A2
译
0码
31,0
…
A1
器 X 31
0 A0
… …
或低表示存储的是1或0。 T5和T6是两个门控管，读写操作时，两管需导通。
六管存储单元
保持
字驱动线处于低电位时，T5、T6 截止， 切断了两根位线与触发器之间的 联系。
六管存储单元
单译码方式
读出时: 字线接通 1)位线1和位线2上加高电平; 2)若存储元原存0，A点为低电
平，B点为高电平，位线2无电 流，读出0。
3)若存储元原存1，A点为高电 平，B点为低电平，位线2有电
流，读出1。
静态 RAM 基本电路的 读 操作（双译码方式）
位线A1
A T1 ~ T4 B
位线2
T5
行地址选择
T6
行选
T5、T6 开
列选
T7、T8 开
T7
T8
读选择有效
列地址选择 写放大器
写放大器
VA
T6
读放
读放
DOUT
T8 DOUT
DIN
1．主存与CPU的连接
是由总线支持的; 总线包括数据总线、地址总线和控制总线; CPU通过使用MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储
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。
半导体存储器的原理
半导体存储器的原理半导体存储器是一种用于存储和检索数据的主要电子器件，常见的半导体存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
半导体存储器的原理是基于半导体材料的导电性能以及电荷在其中的存储能力。
半导体存储器通常由一组存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位（bit）的数据。
一个存储单元由一个晶体管和一个电容器构成，晶体管用于控制读或写操作，而电容器则用于存储数据。
在RAM中，存储单元使用晶体管和电容器的组合来存储数据。
每个存储单元有一个控制线（Word Line）和一个位线（Bit Line），通过激活控制线和位线的组合，可以选择和操纵特定的存储单元。
当我们想在RAM中写入数据时，首先要将相关的地址和数据信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑根据传递的信号确定要写入的存储单元，然后将数据写入对应的存储单元中。
当需要读取数据时，通过将地址信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑会找到对应的存储单元，并将该存储单元中的数据传递给输出引脚。
在ROM中，存储单元包含一个或多个可编程的开关，这些开关用于控制存储单元的导通状态。
在制造ROM芯片时，有选择性地烧写或编程存储单元的导通状态，使得这些开关可以表示不同的二进制位。
一旦存储单元的导通状态确定，它就无法再次改变。
因此，ROM存储的是固化的数据，不可修改。
半导体存储器之所以能够存储和检索数据，是因为半导体材料具有导电性和非易失性。
导电性是指材料在受到电场激励时能够通过电子传导产生电流，这是由于半导体材料中的载流子（电子和空穴）的存在。
非易失性是指数据在断电后仍然保持不变，这是由于存储单元中的电荷在断电后能够保持在电容器中。
通过合理的控制和设计，半导体存储器可以长时间保存数据而不需要持续提供电力。
半导体存储器具有许多优点，例如快速的读写速度、低功耗、体积小、可靠性高等。
这使得半导体存储器在计算机和电子设备中得到了广泛的应用。
例如，RAM 用于计算机的主存储器，可临时保存正在运行的程序和数据，而ROM用于存储系统的基本程序和指令，例如BIOS。
大学微机原理半导体存储器详解演示文稿
不可再次改写。
PROM基本存储电路
PROM的写入要由专用的电路（大
电流、高电压）和程序完成。
第17页，共36页。
第5章 半导体存储器
5.3.2 可擦除的PROM 一、EPROM（紫外线可擦除） 用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容 全为“1” ），便可再次改写。
一、RAM原理
构成
存储体（R-S触发器构成的存储矩阵） 外围电路 译码电路、缓冲器
I/O控制电路
0
0
地
1
1
数
址
存储
据
n位 译
矩阵
缓
地址 码 2n-1
m
冲
器
器
m位 数据
CS 控制 逻辑
R/W
存储芯片构成示意图
第6页，共36页。
第5章 半导体存储器
地址译码器：
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
3. 按存储器的功能来分类 ✓按存储器与CPU的关系分类
控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、
外存储器EM ；
✓按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM；
✓按数据存储单元的寻址方式分类
随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ；
内存储单元的选址。
控制逻辑电路：
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入。
数据缓冲器：
寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。
存储体：
存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。
半导体存储器
第7章半导体存储器内容提要半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。
（2）各种存储器的存储单元。
（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。
（4）半导体存储器芯片的应用。
教学基本要求掌握：（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。
（2）存储器的技术指标。
（3）用ROM实现组合逻辑电路。
理解SAM、RAM和ROM的工作原理。
了解：（1）动态CMOS反相器。
（2）动态CMOS移存单元。
（3）MOS静态及动态存储单元。
重点与难点本章重点：（1）SAM、RAM和ROM的功能。
（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。
（3）用ROM 实现组合逻辑电路。
本章难点：动态CMOS 反相器、动态CMOS 移存单元及MOS 静态、动态存储单元的工作原理。
7.1■■■■■■■■■半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的 重要组成部分。
半导体存储器分类如下：I 融+n 右西方性翼静态（SRAM ）（六管MO 白静态存储单元） 随机存取存储器〔^^'｛动态侬^1口3网又单管、三管动态则□吕存储单元） 一固定艮cmil 二极管、M 口号管） 可编程RDM （PROM ）［三极管中熠丝上可擦除可编程ROM （EPROM ）［叠层栅管、雪崩j1-电可擦除可编程良口财（EEPROM^【叠层栅管、隧道）按制造工艺分，有双极型和MOS 型两类。
双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。
MOS 型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。
按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM ）、随机存取存储器（RAM ）和只读存储器（ROM ）三类。
（1）顺序存取存储器（简称SAM ）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。
（2）随机存取存储器（简称RAM ）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。
半导体存储器
(1)只读型光盘(CD—ROM)。这种光盘内的数据和程序是 由厂家事先写入的，使用时用户只能读出，不能修改或写入 新的内容。因它具有ROM特性，故叫做CDROM(Compact Disk-ROM)。
(2)只写一次型光盘(WORM) 。这种光盘允许用户写入信 息，写入后可屡次读出，但只能写入一次，而且不能修改， 主要用于计算机系统中的文件存档，或写入的信息不再需要 修改的场合。
储单元，且存取时间和存储单元的物理位置无关，都是一个存取周期。半导体存储器通〔DAM〕: DAM既不象RAM那样随机地 访问任一个存储单元，也不象SAM那样严格按着挨次进展 存取，而是介于两者之间。存储信息时，先指向存储器中 的某个小区域，然后在该小区域内按挨次检索，直到找到 目标单元后再进展读/写操作。这种存储器的存取时间和 信息所在的位置是有关的。磁盘、磁鼓就属于这类存储器。
第六章 存储系统
4. 片选线的连接
由于存储器是由很多存储芯片叠加组成的， 哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选掌握 端 是否能接收到来自CPU的片选有效信号。
片选有效信号与CPU的访存掌握信号有关， 由于只有当CPU要求访存时，才要求选择存储芯 片。假设CPU访问I/O，则 为高，表示不要求存 储器工作。此外，片选有效信号还和地址有关， CPU给出的存储单元地址的位数往往大于存储芯 片的地址线数，未与存储芯片连上的高位地址必 需和访存掌握信号共同作用，产生片选信号。
第六章 存储系统
6.4.1 并行存储器 1． 单体并行系统 2． 多体并行系统
第六章 存储系统
6.4.2 高速缓冲存储器
1、Cache的工作原理
第六章 存储系统
〔2〕Cache的根本构造
第六章 存储系统
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。
第3章 存储系统(一)
目前使用的半导体存储器大多为并行存取方式，但也有以串行存取方式工作的存储器，如电耦合器件(CCD)、串行移位寄存器和镍延迟线构成的存储器等。
6.按在计算机系统中的作用分类
根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。
3.1.2存储器的分级结构
3.1.3主存储器的技术指标
主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间和存储周期。
存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。如果计算机中可编址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为按字编址的计算机。如果计算机中可编址的最小单位是字节，则该计算机称为按字节编址的计算机。一个机器字可以包含数个字节，所以一个存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址。例如，PDP-11系列计算机，一个16位二进制的字存储单元可存放两个字节，可以按字地址寻址，也可以按字节地址寻址。当用字节地址寻址时，16位的存储单元占两个字节地址。
作业
根据存储元件的性能及使用方法不同，分为哪几类？
主存储器有哪些性能指标？
P96 3.8题
教学反馈
对存储器的要求是容量大，速度快，成本低，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用三级存储器结构，即使用快速缓冲存储器、主存储器和外存储器。中央处理器能直接访问的存储器称为内存储器，它包括快速缓冲存储器和主存储器。中央处理器不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能为中央处理器进行处理。
上述三种类型的存储器形成计算机的三级存储管理，各级存储器承担的职能各不相同。其中快速缓冲存储器主要强调快速存取，以便使存取速度和中央处理器的运算速度相匹配；外存储器主要强调大的存储容量，以满足计算机的大容量存储要求；主存储器介于快存与外存之间，要求选取适当的存储容量和存取周期，使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程序。
存储器系统(6116)
第4章存储器系统引入：电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。
随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。
特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。
计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能。
本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯片的结构、工作原理3）存储器的扩展方法4）高速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1 存储器概述4.1.1 存储器的分类在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。
存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。
存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。
一、按其用途分（1）内存储器内存储器又叫内存，是主存储器。
用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。
CPU可以对他直接访问，存取速度较快。
（2）外存储器外存储器又叫外存，是辅助存储器。
外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。
外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也可以保存。
存取速度较慢，要用专用的设备来管理。
计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。
二、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存储单元。
现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再由若干芯片组成大容量的存储器。
半导体存储器又分为双极型半导体存储器和MOS 型半导体存储器。
（2）磁表面存储器再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。
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。
半导体存储器原理
半导体存储器原理半导体存储器是计算机系统中至关重要的组成部分，它用于数据的存储和读取。
在本文中，我们将讨论半导体存储器的原理和工作机制。
一、概述半导体存储器是由多个存储单元组成的，每个存储单元可以存储一个或多个二进制位的数据。
根据存取方式的不同，半导体存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
二、随机存取存储器（RAM）1. SRAM（静态随机存取存储器）SRAM使用触发器作为存储单元，每个存储单元由多个晶体管构成。
SRAM具有高速读写的特点，但需要更多的晶体管，因此在成本上较高。
2. DRAM（动态随机存取存储器）DRAM使用电容器作为存储单元，每个存储单元由一个电容器和一个晶体管构成。
由于电容器会自然漏电，因此DRAM需要定期刷新操作来重新存储数据。
尽管DRAM读写速度较慢并需要刷新操作，但其成本较低。
三、只读存储器（ROM）只读存储器是一种无法修改存储内容的存储器。
常见的ROM类型有：1. PROM（可编程只读存储器）：可以被编程一次，之后无法改变。
2. EPROM（可擦写可编程只读存储器）：可以被擦除和重新编程。
3. EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可以通过电信号进行擦除和重新编程。
四、工作原理半导体存储器的工作原理基于半导体器件的特性。
以SRAM为例，当输入一个写入信号时，存储单元的触发器会将数据保存在其中。
当输入一个读取信号时，存储单元的数据将被传输到输出线上。
对于DRAM，输入的写入信号会改变电容器的电荷状态来保存数据。
读取信号会读取电容器的电荷状态，并将其转换为电压信号，随后输出。
只读存储器在制造过程中被编程或擦除，因此存储内容无法再次修改。
五、总结半导体存储器是现代计算机系统中重要的组成部分。
它具有高速读写、可擦写的特性，因此在数据存储和读取方面具有广泛应用。
无论是RAM还是ROM，每种存储器都有其各自的特点和应用场景。
通过了解半导体存储器的原理和工作机制，我们能够更好地理解计算机系统中数据的存储过程。
存储系统结构(1)
图3.2 六管静态存储元电路工作过程演示
2. SRAM存储器的组成
图示3.3为SRAM存储器的结构框图。
其内部组成结构是： 存储体：存储单元的集合，通常用X选择线
(行线)和Y选择线(列线)的交叉来选择所需要的 单元。
地址译码器：将用二进制代码表示的地址转
换成输出端的高电位，用来驱动相应的读写电 路，以便选择所要访问的存储单元。地址译码 有两种方式。
分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、 控制存储器等。
3.1.2 存储器的分级结构
为了解决对存储器要求容量大，速度快， 成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级 存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、 主存储器和外存储器。
名称
高速缓冲 存储器 主存储器
简称 Cache
主存
外存储器 外存
用途
特点
高速存取指令和数据
片选: 在地址选择时，首先要选片,只有当片 选信号有效时，此片所连的地址线才有效。
输出驱动电路: 为了扩展存储器的容量，常 需要将几个芯片的数据线并联使用；另外存储 器的读出数据或写入数据都放在双向的数据总 线上。这就用到三态输出缓冲器。
3. SRAM存储器芯片实例
在了解了SRAM的内部组成结构后，下 面我们通过实际中的存储器芯片来加以具体 说明。下图是2114存储器芯片(1K×4)的逻辑 结构方框图。
tCWL— 写命令开始到CAS
无效的时间
tDS— 写入数据建立时间 tDH— 写入数据保持时间
4. DRAM的刷新
动态MOS存储器采用“读出”方式进行 刷新。从上一次对整个存储器刷新结束到下 一次对整个存储器全部刷新一遍为止，这一 段时间间隔叫刷新周期。
常用的刷新方式有三种： 集中式 分散式 异步式
模电课件第七章 半导体存储器和可编程逻辑器件
（2）可编程逻辑器件
（Programmable Logic Device，PLD）
可编程逻辑器件是20世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊 的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的器件。 特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高
（3）微处理器
微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言 编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其 他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门的接口电 路。 微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外，多 用于实时处理系统。
2. PLD器件的连接表示方法 （1）PLD 器件的连接表示法
固定连接
可编程连接
不连接
（2）门电路表示法
1
A
A
A
1
A
A
A
反向缓冲器
A
&
B
F
C
ABC
&
F
与门
A
≥1
B
F
C
ABC
≥1
F
或门
缓（冲d）器
ABC
（3） 阵列图
1
1
1
& D=BC
& E=AABBCC=0 & F=AABBCC=0
& G=1
1）浮栅注入 MOS 管（FAMOS 管） 存储单元采用两只 MOS管 缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢
2）叠层栅注入 MOS 管（SIMOS 管）
层叠栅存储单元
叠层栅MOS管剖面示意图
控制栅 与字线 相连，控制信息的 读出和写入
浮栅 埋在二氧化硅绝缘层， 处于电“悬浮”状态， 不与外部导通，注入电 荷后可长期保存
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。
计算机组成原理_第三章
第三章 存储器及存储系统3.1 存储器概述3.1.1存储器分类半导体存储器 集成度高 体积小 价格便宜 易维护 速度快 容量大 体积大 速度慢 比半导体容量大 数据不易丢失按照 存储 介质 分类磁表面存储器激光存储器随机存储器 主要为高速缓冲存储器和主存储器 存取时间与存储元的物理位置无关 (RAM)按照 存取 方式 分类串行访问存 储器 SAS 只读存储器 (ROM)存取时间与存储元的物理位置有关 顺序存取器 磁带 直接存储器 磁盘 只能读 不能写 掩模ROM: 生产厂家写可编程ROM(PROM): 用户自己写 可擦除可编程ROM EPROM :易失性半导体读/写存储器按照 可保 存性 分类存储器非易失性 存储器包括磁性材料半导体ROM半导体EEPROM主存储器按照 作用 分类辅助存储器缓冲存储器 控制存储器3.1.23级结构存储器的分级结构Cache 高速缓冲 存储器 主 存 主机 外 存1 高速缓 冲存储器 2 主存 3 外存CPU 寄 存 器3.2主存储器3.2.1 主存储器的技术指标1 存储容量 字存储单元 字节存储单元 2 存取时间 字地址 字节地址访问 写操作/读操作从存储器接收到访问命令后到从存 储器读出/写 入所需的时间 用TA表示 取决于介质的物理特性 和访问类型 3 存取周期 完成一次完整的存取所需要的时间用TM表示 TM > TA, 控制线路的稳定需要时间 有时还需要重写3.2.2 主存储器的基本结构地 址 译 码 器地址 CPUn位2n位存储体 主存 m位 数据寄存器 m位 CPUR/W CPU 控制线路3.2.3 主存储器的基本操作地址总线k位MAR数据总线n位主存容量 2K字 字长n位MDRCPUread write MAC 控制总线主存3.3半导体存储芯片工 艺速度很快 功耗大 容量小 PMOS 功耗小 容量大 电路结构 NMOS 静态MOS除外 MOS型 CMOS 静态MOS 工作方式 动态MOS 静态存储器SRAM 双极型 静态MOS型 双极型依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息TTL型 ECL型存储 信息 原理动态存储器DRAM 动态MOS型功耗较小,容量大,速度较快,作主存3.3.1 静态MOS存储单元与存储芯片1.六管单元 1 组成T1 T2 工作管 T2 T4 负载管 T5 T6 T7 T8 控制管 XY字线 选择存储单元 T7 WY地址译码线 X地址 译码线Vcc T3 T4 A T1 T2 T8 W B T6T5WW 位线完成读/写操作2 定义 “0” T1导通 T2截止“1” T1截止 T2导通X地址 译码线Vcc T3 T4 A T1 T7 T2 T8Y地址译码线3 工作 XY 加高电平 T5 T6 T7 T8 导通 选中该 单元T5T6 BWW写入 在W W上分别读出 根据W W上有 加高 低电平 写1/0 无电流 读1/04保持XY 加低电平 只要电源正常 保证向导通管提供电流 便能维 持一管导通 另一管截止的状态不变 称静态2.静态MOS存储器的组成1 存储体 2 地址译码器 3 驱动器 4 片选/读写控制电路存储器外部信号引线D0 A0传送存储单元内容 根数与单元数据位数相同 9地址线 选择芯片内部一个存储单元 根数由存储器容量决定7数据线CS片选线 选择存储器芯片 当CS信号无效 其他信号线不起作用 R/W(OE/WE)读写允许线 打开数据通道 决定数据的传送方向和传 送时刻例.SRAM芯片2114 1K 4位Vcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE1外特性18 12114 1K 410 9地址端 数据端A9 A0 入 D3 D0 入/出 片选CS = 0 选中芯片 控制端 = 1 未选中芯片 写使能WE = 0 写 = 1 读 电源 地线A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GND2内部寻址逻辑寻址空间1K 存储矩阵分为4个位平面 每面1K 1位 每面矩阵排成64行 16列 64 16 64 16 6 行 位 行 译 X0 地 1K 1K 码址 X63 X63 Y0 Y1564 161K64 161K列译码 4位列地址两 级 译 码一级 地址译码 选择字线 位线 二级 一根字线和一组位线交叉 选 择一位单元W W W WXi读/写线路 Yi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3.3.2 动态MOS存储单元与存储芯片1.四管单元 1 组成T1 T2 记忆管 C1 C2 柵极电容 T3 T4 控制门管W T3 T1C1 C2W A B T2 T4字线 W W 位线 Z 2 定义 “0” T1导通 T2截止 C1有电荷 C2无电荷 “1” T1截止 T2导通 C1无电荷 C2有电荷 3 工作 Z 加高电平 T3 T4导通 选中该单元Z写入 在W W上分别加高 低电平 写1/0 读出 W W先预 充电至高电平 断开充电回路 再根据W W上有 无电流 读1/0 W T3 T1C1 C2T4 T2W4保持Z 加低电平 需定期向电容补充电荷 动态刷新 称动态 四管单元是非破坏性读出 读出过程即实现刷新Z2.单管单元 C 记忆单元 T 控制门管 1 组成Z 字线 W 位线 W T Z C2定义“0” C无电荷 电平V0 低 “1” C有电荷 电平V1 高3工作写入 Z加高电平 T导通 读出 W先预充电 断开充电回路 Z加高电平 T导通 根据W线电位的变化 读1/0 4 保持 Z 加低电平 单管单元是破坏性读出 读出后需重写3.存储芯片例.DRAM芯片2164 64K 1位 外特性GND CAS Do A6 16 1 A3 A4 A5 A7 9 82164 64K 1空闲/刷新 Di WE RAS A0 A2 A1 VccA7—A0 入 分时复用 提供16位地址 数据端 Di 入 Do 出 = 0 写 写使能WE 高8位地址 = 1 读 控制端 行地址选通RAS =0时A7—A0为行地址 片选 列地址选通CAS =0时A7—A0为列地址 电源 地线 低8位地址 1脚未用 或在新型号中用于片内自动刷新 地址端动态存储器的刷新1.刷新定义和原因 定期向电容补充电荷 刷新动态存储器依靠电容电荷存储信息 平时无电源 供电 时间一长电容电荷会泄放 需定期向电容 补充电荷 以保持信息不变 注意刷新与重写的区别 破坏性读出后重写 以恢复原来的信息 非破坏性读出的动态M 需补充电荷以保持原来的 信息2.最大刷新间隔 2ms 3.刷新方法各动态芯片可同时刷新 片内按行刷新 刷新一行所用的时间 刷新周期 存取周期4.刷新周期的安排方式 1 集中刷新 2ms内集中安排所有刷新周期R/W R/W50ns刷新 刷新 2ms 死区用在实时要 求不高的场 合2分散刷新用在低速系 统中各刷新周期分散安排在存取周期中 R/W 刷新 R/W 刷新100ns3异步刷新 各刷新周期分散安排在2ms内 每隔一段时间刷新一行每隔15.6微秒提一次刷新请求 刷新一行 2毫秒内刷新完所有 15.6 微秒 行例. 2ms 128行R/W R/W 刷新 R/W R/W 刷新 R/W 15.6 微秒 15.6 微秒 15.6 微秒 刷新请求 刷新请求 DMA请求 DMA请求用在大多数计算机中3.3 只读存储器1掩模式只读存储器 MROM采用MOS管的1024 8位的结构图 UDDA0 A1 A90 地 址 译 1 码 驱 动 1023 器读出放大器读出放大器cs D7D0D12可编程读存储器 PROM用户可进行一次编程 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3.EPROM 可擦除PROM用户可以多次编程 编程加写脉冲后 某些存 储单元的PN结表面形成浮动栅 阻挡通路 实 现信息写入 用紫外线照射可驱散浮动栅 原 有信息全部擦除 便可再次改写4.EEPROM 可电擦除PROM 既可全片擦除也可字节擦除 可在线擦除信息 又能失电保存信息 具备RAM ROM的优点 但写 入时间较长 .NOVRAM 不挥发随机存取存储器 实时性好 可以组成固态大容量存储装置 Flash Memor 闪存 集成度和价格接近EPROM,按块进行擦除 比普 通硬盘快的多3.4 主存储器组织存储器与微型机三总线的连接 1 数据线D0 2 地址线A0 3.片选线CS 连接地址总线高位ABN+1 4 读写线OE WE(R/W) 连接读写控制线RD WR微型机n nDB0 AB0Nn连接数据总线DB0ND0 A0 CSnNN连接地址总线低位AB0ABN+1 R/ WR/ W 存储器1存储器芯片的扩充用多片存储器芯片组成微型计算机系统所要求的存储器系统 要求扩充后的存储器系统引出线符合微型计算机 机的总线结构要求 一.扩充存储器位数 例1用2K 1位存储器芯片组成 2K 8位存储器系统 例2用2K 8位存储器芯片组成2K 16位存储器系统例1用2K 1位存储器芯片组成 2K 8位存储器系统当地址片选和读写信号有效 可并行存取8位信息例2用2K 8位存储器芯片组成2K 16位存储器系统D0D8715D0 R/W CE A0107R/W CE A010D0 R/W CE A0107地址片选和读写引线并联后引出 数据线并列引出二.扩充存储器容量字扩展法例用1K 4位存储器芯片组成4K 8位存储器系统存储器与单片机的连接存储器与微型机三总线 的一般连接方法和存储器 读写时序 1.数据总线与地址总线 为两组独立总线AB0 DB0NDB0 AB0n ND0 A0 CSn NABN+1 R/ W 微型机 地址输出 数据有效采 样 数 据R/ W 存储器nR/W2.微型机复用总线结构 数据与地址分时共用一 组总线AD0nD0Di Qi G 地址 锁存器nA0nALE R/W 单片机R/W 存储器ALE锁 存地 址 数据 有效 采 样 数 据 地址 输出 存锁 址地AD0n地址 输出数据 有效 采 样数 据R/W半导体存储器逻辑设计需解决 芯片的选用 地址分配与片选逻辑 信号线的连接例1.用2114 1K 4 SRAM芯片组成容量为4K 8的存储 器 地址总线A15 A0 低 ,双向数据总线D7 D0 低 ,读/写信号线R/W 1.计算芯片数 1 先扩展位数 再扩展单元数 2片1K 4 1K 8 8片 4组1K 8 4K 82 先扩展单元数 再扩展位数4片1K 4 4K 4 4K 8 2组4K 4 2.地址分配与片选逻辑存储器寻址逻辑8片芯片内的寻址系统(二级译码) 芯片外的地址分配与片选逻辑 由哪几位地址形成芯 片选择逻辑 以便寻 找芯片为芯片分配哪几位地址 以便寻找片内的存储单元 存储空间分配4KB存储器在16位地址空间 64KB 中占据 任意连续区间芯片地址 任意值 片选 A15…A12A11A10A9……A0 0 0 0 …… 0 0 0 1 …… 1 0 1 0 …… 0 0 1 1 …… 1 1 0 0 …… 0 1 0 1 …… 1 1 1 0 …… 0 1 1 1 …… 164KB1K 1K 1K 1K 4 4 4 4 1K 1K 1K 1K 4 4 4 44KB需12位地址 寻址 A11— A0低位地址分配给芯片 高位地址形成片选逻辑 芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑 1K A9 A0 CS0 A11A10 A11A10 1K A9 A0 CS1 A11A10 1K A9 A0 CS2 1K A9 A0 CS3 A11A103.连接方式1 扩展位数 2 扩展单元数 4 形成片选逻辑电路D7~D4 D3~D0 4 4 4 1K 4 4 R/W 1K 4 4 4 1K 4 4 4 1K 4 43 连接控制线1K 4 A9~A0 CS0 10 CS11K 4 10 CS21K 4 10 CS31K 4 10A11A10A11A10A11A10A11A10例2.某半导体存储器 按字节编址 其中 0000H 07FFH为ROM区 选用EPROM芯片 2KB/片 0800H 13FFH为RAM区 选用RAM芯片 2KB/片和1KB/片 地址总线A1 A0 低 给出地址分配和片选逻辑1.计算容量和芯片数ROM区 2KBRAM区 3KB2.地址分配与片选逻辑 存储空间分配 先安排大容量芯片 放地址低端 再安排小容量芯片便于拟定片选逻辑64KBA15A14A13A12A11A10A9…A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 …… 0 …… 1 …… 0 …… 1 0 … 0 1 … 12K 2K 1KROM 5KB 需13 位地 RAM 址寻 址低位地址分配给芯片 高位地址形成片选逻辑 芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑 2K A10 A0 CS0 A12A11 2K A10 A0 CS1 A12A11 1K A9 A0 CS2 A12A11 A10 A15A14A13为全03.4.2 高速缓冲存储器。
半导体存储器概述
半导体存储器概述半导体存储器（Semiconductor Memory）是一种用于存储和读取数字信息的电子设备，广泛应用于计算机、通信设备、嵌入式系统等各种电子设备中。
相比于传统的磁性存储器，半导体存储器具有速度快、功耗低以及体积小等优点，因此在现代电子设备中得到广泛使用。
半导体存储器的基本构成单元是存储单元，它是由一个或多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个或多个二进制位的信息。
存储单元可以分为静态存储单元（Static Random Access Memory，SRAM）和动态存储单元（Dynamic Random Access Memory，DRAM）两类。
静态存储单元由6个晶体管组成，其中包括两个交叉连接的反相非门（Inverter），一个传输门（Transfer Gate）和两个位线连接器（Bit Line）。
SRAM主要用于高速缓存等需要快速访问和读写的场景中，速度快、性能好，但是价格昂贵且功耗较高。
动态存储单元则由一个电容和一个开关管组成，电容用于存储信息，开关管用于控制读写操作。
DRAM的存储单元面积小，功耗低，但是随着时间的推移，电容中存储的电荷会逐渐泄漏导致信息丧失，因此需要定期刷新。
DRAM被广泛应用于主存储器（Main Memory）中。
除了SRAM和DRAM之外，还有一些其他的半导体存储器类型，如闪存（Flash Memory）、EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）和EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）等。
闪存是一种非易失性存储器，主要用于嵌入式系统和便携设备中。
它通过划分为多个块并使用电荷来存储信息，可以被分别擦除和写入。
闪存的特点是存储密度高、功耗低、可擦写次数有限。
EEPROM是可以通过电压改编信息的一种可擦写存储器，通常用于存储配置参数、固件等不需要频繁修改的数据，具有很高的擦写次数和可靠性。
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读
入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔
存
丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电 平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。换
储
句话说，所有存储单元出厂时均存放信息1，
器
一旦写入0使熔丝烧断，就不可能再恢复。
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11
可擦除可编程的ROM（EPROM）
只
读 存 储
特点：芯片的上方有一个石英玻璃 的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中 的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏 走，使电路恢复起始状态，从而将写入
器
现的列地址选通信号 （ CAS Column Address
Strobe）把后出现的8位地址送至列地址锁
存器。这8条地址线也用于刷新（刷新时地
址计数，实现一行行刷新）。
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6
64K存储体由4个128×128的存储矩阵构成。每
个128×128的存储矩阵，有7条行地址和7条列
随
地址线进行选择。7条行地址经过译码产生128 条选择线，分别选择128行；7条列地址线经过
储
地址线为16条A15～A0，
器
数据线8条O7～O0，
带有三态输出缓冲，
读出时只需单一的＋5V电源。
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15
可擦除可编程的ROM（EPROM）
内
只
部
读
结
存
构
储
器 27512有五种工作方式
▪ 读方式
▪ 维持方式
▪ 编程方式
▪ 校验方式
▪ 编程禁止方式
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16
电可擦除可编程的ROM（E2PROM）
的 分
❖可擦除的PROM（EPROM，Erasable
Programmable ROM）
类
❖电可擦除的PROM（E2PROM，Electrically
Erasable Programmable ROM）
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3
静态RAM（SRAM)
❖基本的存储电路
随
机
存
取
存
储
器
❖典型的静态RAM芯片
6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、
机
有64K（65536）个地址单元， 每个地址单 元存放一位数据。需要16条地址线，地址线
存
分为两部分：行地址与列地址。
取
芯片的地址引线只要8条，内部设有地址
存
锁存器，利用多路开关，由行地址选通信号
储
变低 RAS（Row Address Strobe），把先出现 的8位地址，送至行地址锁存器；由随后出
62256（32KB×8位）、628128（128KB×8
位）等。
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4
动态RAM（DRAM)
❖ 单管动态存储电路
随
机
存
取
存
储
器
❖ 动态RAM的刷新
为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM不断 进行读出和再写入
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5
动态RAM（DRAM)
❖64K位动态RAM存储器
随
芯片2164A的容量为64K×1位，即片内共
出厂时，硅栅上没有电荷，则管子内没
只
有导电沟道，D和S之间是不导电的。当把
读
EPROM管子用于存储矩阵时，它输出为全1（或
存
0）。要写入时，则在D和S之间加上25V的高压， 另外加上编程脉冲（其宽度约为50ms），所选
储
中的单元在这个电源作用下，D和S之间被瞬时
器
击穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当
息写入，该过程被称为“编程”。对可
擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来
信息擦除，以便再次编程。
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9
掩膜式ROM
掩膜式ROM一般由生产厂家根据用户的
只
要求定制的。
读
存
储
器
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10
可编程的ROM
出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。
只
编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写
器
的信号擦去。
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12
可擦除可编程的ROM（EPROM）
原理：
只
读
存
储
器 在N型的基片上安置了两个高浓度的P型
区，它们通过欧姆接触，分别引出源极（S） 和漏极（D），在S和D之间有一个由多晶硅构 成的栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包 围。
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13
可擦除可编程的ROM（EPROM）
机
译码也产生128条选择线，分别选择128列。
存
取
存
ห้องสมุดไป่ตู้
储
器
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7
锁存在行地址锁存器中的7位行地址
RA6～RA0同时加到4个存储矩阵上，在每
随 个矩阵中都选中一行，则共有512个存储
机
电路被选中，它们存放的信息被选通至
存
512个读出放大器，经过鉴别、锁存和重
取
写。锁存在列地址锁存器中的7位列地址
应用特性：
只
（1）对硬件电路没有特殊要求，编程简
读
单。
存
（ 2 ） 采 用 ＋ 5 V 电 源 擦 写 的 E2PROM， 通
储
常不需要设置单独的擦除操作，可在写
器
入过程中自动擦除。
（ 3 ） E2PROM 器 件 大 多 是 并 行 总 线 传 输 的
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17
闪速存储器（Flash Memory）
高压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，故
注入的电子无处泄漏走，硅栅就为负，于是就
形成了导电沟道，从而使EPROM单元导通，输
出为“0“（或”1“）。
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14
可擦除可编程的ROM（EPROM）
典型芯片： Intel 27512
只
特性：64K×8的EPROM芯片，
读
28脚双列直插式封装，
存
存 储
CA6～CA0（地址总线上的A14～A8），在 每个存储矩阵中选中一列，则共有4个存 储单元被选中。最后经过1/4 I/O门电路
器
（由RA7与CA7控制）选中一个单元，可
以对这个单元进行读写。
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8
只读存储器ROM，是一种非易失性的半
只 导体存储器件。其中所存放的信息可长
读 期保存，掉电也不会丢失，常被用来保 存 存固定的程序和数据。在一般工作状态 储 下，ROM中的信息只能读出，不能写入。 器 对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信
第五章 存储系统及半导体存储器
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1
半导体存储器的分类
主
随机存取存储器
要
只读存储器
内
容
CPU与存储器的连接
微机中存储系统的结构
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2
随机存取存储器
半
❖双极性半导体RAM
导 体
❖动态金属氧化物（MOS)RAM
存 读写存储器
储
❖掩膜式ROM
器
❖可编程ROM(PROM,Programmable ROM)
Flash Memory芯片借用了EPROM结构简单，
只
又吸收了E2PROM电擦除的特点；不但具备RAM
读
的高速性，而且还兼有ROM的非挥发性。同时
存
它还具有可以整块芯片电擦除、耗电低、集成 度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、
储
可重新改写、重复使用性好（至少可反复使用