计算机组成原理(4.2半导体存储原理及存储芯片)-2010

T1
Vcc
T4 T2 Z
W
T6
触发器 T5、T6：控制门管 Z：字线，选择存储单元 W、 W：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。
W
（3）工作
Z：加高电平， T5、T6 导通，选中该单元。
Vcc T5 T3 T4 T6
W
写入：在W、W上分别加
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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。
T1
C1 C2
T2
Z
（4）保持
Z：加低电平，T3、T4截止，该单元未选中，保持原状态。
需定期向电容补充电荷（动态刷新），所以称为动态存储器。 四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。
4.2.2 动态MOS存储单元与存储芯片
2.单管单元
（1）组成
C：记忆单元 T：控制门管 Z：字线 W：位线 T C W Z
（2）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， 在W上加高/低电平，写1/0。
读出：W先预充电， 断开充电回路。
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DRAM的研制与发展
5. Rambus DRAM（RDRAM） Rambus公司研制，着重提高存储器频率带宽。 RDRAM 与 CPU 之间通过专用的 RDRAM 总线传送数据， 而不是常用的RAS、CAS、WE、CE信号。 采用异步成组数据传输协议，开始时需要较大的存取时 间（例如48ns），以后可达500MB/s的传输速率。 Rambus得到Intel公司的支持，其高档的Pentium III 处理 器采用Rambus DRAM结构。
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掩膜MOS只读存储器
掩模式ROM中所存储的信息，是在制 造的过程中用掩膜工艺来完成写入的。 掩膜式ROM一般适用于固定程序而且生 产批量较大的产品。
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可编程只读存储器（PROM）
一次编程的只读存储器（PROM） PROM写入信息是一次性的。 可擦除的可编程只读存储器（EPROM）
可擦除的EPROM在需要改写时，用特殊的方法（如紫外线 照射）将原写入的信息擦除，重新编程写入，这就给使用带 来很大方便
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
8 位 地 址 锁 存 器
128×128 存储矩阵 128 读出放大器 1/2(1/128 列译码器) 128 读出放大器 128×128 存储矩阵
1/128 行译码器
128×128 存储矩阵 128 读出放大器 1/2(1/128 列译码器) 128 读出放大器 1/4 I/O 门 输出 缓冲 器
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DRAM的研制与发展
3. EDO DRAM（EDRAM） 扩充数据输出（extended data out，简称EDO），它在 完成当前内存周期前即可开始下一周期的操作，因此能 提高数据带宽或传输率。 4. 同步 DRAM（SDRAM） 典型的 DRAM 是异步工作的， CPU 送地址和控制信号 之后，等待存储器的内部操作完成，此时 CPU 不能做别 的。 SDRAM与CPU之间的数据传输是同步的，CPU送出地 址和控制信号后，经过已知数量的时钟后，SDRAM完成 内部操作，此期间， CPU 可以做其他的工作，而不必等 待。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
目前，几乎所有的主存储器都采用 半导体存储芯片构成。
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 2010秋季学期
半导体存储器的分类
双极型 工艺 电路结构 MOS型 工作方式 TTL型 ECL型 速度很快、功耗大、 容量小 PMOS 功耗小、 容量大 （静态MOS除外）
高、低电平，写1/0。 读出：根据W、W上有无
T1
T2 Z
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电流，读1/0。
（4）保持
Z：加低电平， T5、T6截止，该单元未选中，保持原状态。
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，故称静态。
静态单元是非破坏性读出，读出后不需重写。
7
2.存储芯片
外特性： Vcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE 例.SRAM芯片2114（1K×4位） 地址端： A9～A0（入）
1/128 行译码器
128×128 存储矩阵
RAS CAS WE DIN
行时钟缓冲器
列时钟缓冲器
写允许时钟缓冲器
数据输入缓冲器
DOUT
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4.2.4 半导体只读存储器
只读存储器的存储元件实质上 可以看作是一个固定的开关电路， 以“开”和“关”两个状态来记 存信息“0”和“1”。 ROM的组织结构与RAM相似，一 般也是由地址译码电路、存储阵 列、读出电路与控制电路等几部 分组成，控制信号中只需片选信 号即可，因为它是只读的，不需 要读写控制信号。
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，T截止，该单元未选中，保持原状态。
单管单元是破坏性读出，读出后需重写。
3.存储芯片 外特性：GND
例.DRAM芯片2164 （64K×1位）
16 1
CAS Do A6
A3 A4 A5
A7 9 8
2164（64K×1）
空闲/刷新 Di WE RAS A0 A2 A1 Vcc
W T3 T1
C1 C2
T4 T2
Z
W、 W： 位线 （2）定义 “0”：T1导通，T2截 （C1有电荷，C2无电荷）； 止 “1”：T1截止，T2导通 （C1无电荷，C2有电荷）。
4.2.2 动态MOS存储单元与存储芯片
1.四管单元
Z：加高电平， T3、T4导通，选中该单元。
W
T3 T4
W
（3）工作
NMOS CMOS
静态MOS 动态MOS
2
半导体存储器的分类（续）
静态存储器SRAM
存储信 息原理 (双极型、静态MOS型):
依靠双稳态电路内部交叉反馈的机 制存储信息。 功耗较大,速度快,作Cache。 动态存储器DRAM (动态MOS型):
依靠电容存储电荷的原理存储信息。 功耗较小,容量大,速度较快,作主存。
3
4.2.1 双极型存储单元与芯片
双极型存储器有TTL型与ECL型两种，工作速度快，但功耗 大、集成度较低，适于做小容量快速存储器，如高速缓冲 存储器或集成化通用寄存器组。
存储 单元 存储 芯片
16 15 14 13 12 11 10 9 8
SN74189
1 2 3 4 5 6 7
4
4.2.2 静态MOS存储单元与芯片 1.六管单元 W （1）组成 T3 T5 T1、T3：MOS反相器 T2、T4：MOS反相器
•D3
•1 •1 •0 •1
•D2
•0 •0 •1 •1
•D1
•0 •1 •0 •1
•D0
•1 •0 •1 •1
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EPROM基本存储电路
•
字 线
•
D S
•
浮 空
位 线
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Flash Memory（也称快擦型存储器或闪速存储器）
采用CMOS工艺，既有EPROM结构简单的特点，又吸收 了E２PROM可在线擦除的特点；不但具有RAM的高速性， 而且兼有ROM的非易失性。Flash Memory读出时间为 70~160ns，比普通外存（如硬盘）快50~200倍。可整体擦 除或分页擦除，耗电低，集成度高，体积小，可重复使用 达10万次以上，有很高的可靠性。 目前，Flash Memory被广泛地用于便携式笔记本电脑或 微机的主板上。
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•
字 线 地 址 译 码 器
• • • • • •
位 线 2
3
• • • • • •
2
• •
VD D 字 线 0 字 线 1
• •
A0
A1
• •
字 线 2
•
•
位 线 1 D
•
•
•
字 线 3
D
位 线 3 位 线 4 字 线 4 D1 D0
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PROM内部结构图
掩膜ROM的内容
• 单元 •0 •1 •2 •3
地址端： A7～A0（入） 分时复用，提供16位地址。 数据端： Di（入） Do（出） = 0 写 高8位地址 写使能WE = 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 低8位地址
1脚未用，或在新型号中用于片内自动刷新。
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DRAM的研制与发展
6. 集成随机存储器（IRAM） 将整个DRAM系统集成在一个芯片内，包括存储单元阵 列、刷新逻辑、裁决逻辑、地址分时、控制逻辑及时序 等。片内还附加有测试电路。 7. ASIC RAM 根据用户需求而设计的专用存储器芯片，它以 RAM 为 中心，并结合其他逻辑功能电路。 例如，视频存储器（video memory）是显示专用存储器， 它接收外界送来的图像信息，然后向系统提供高速串行 信息。
电改写可编程只读存储器（E２PROM）
E２PROM可用电气方法将存储内容擦除，再重新写入。它在联机条件 下可以用字擦除方式擦除，也可以用页擦除方式擦除，同时也可以将全部 内容擦除。以字擦除方式操作时，能够只擦除被选中的那个存储单元的数 据；在页擦除方式操作时，可擦除存储芯片的一行或一列。E２PROM基 本解决了EPROM存在的问题，故更受用户的欢迎。一般为10万次。
应用 Cache 计算机主存 固定程序，微程序控制器 用户自编程序，工业控制机或电器 用户编写并可修改程序，产品试制阶段程 序 IC卡上存储器 固态盘、IC卡