第5章 半导体存储器

1、第第5章章 半导体存储器半导体存储器1存储器实物图存储器实物图 凡是对电脑有所了解的人都知道内存在计算机中是一个很重要的部分，可是有不少的人对内存的认识仅仅局限在SDRAM和DDR SDRAM这两种类型，事实上，内存的种类是非常多的， 如图5-1所示就是微机中常用的存储器。 （a） DRAM （b） SRAM （c）VRAM （d） DDR SDRAM （e）DDRII （f） DRDRAM （g）EPROM （h）EEPROM （i） Flash Memory图5-1 微机常用的存储器2（1）DRAM(Dynamic RAM, 动态随机存取存储器) 可读可写，需要利用存储器控制电路按周期对存

2、储器进行刷新（其实是对电容补充电荷），才能保证在上电期间数据不丢失，与SRAM比，存取速度较慢，成本较低，容量较大。 这是最普通的RAM，一个晶体管与一个电容器组成一个位存储单元，DRAM将每个内存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来储存信息，但因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。存取时间和放电时间一致，约为24ms。因为成本比较便宜，通常都用作计算机内的主存储器，如图5-1（a）所示。（2）SRAM(Static RAM, 静态随机存取存储器) 可读可写，利用静态触发器构成，存取时间较短，但是成本较高，难以做到大容量。静态，指的是内存里面的数据可

3、以长期保持。每6个晶体管组成一个位存储单元，因为没有电容器，因此无须不断充电即可正常运作，因此它可以比一般的动态随机处理内存处理速度更快更稳定，往往用来做高速缓存，常用的典型SRAM芯片有2114（1KB4位）、6116（2KB8位）、6264（8KB8位）、62128（16KB8位）、62256（32KB8位）、628128（128KB8位）等多种，如图5-1（b）所示。（a） DRAM （b） SRAM 3（3）VRAM(Video RAM, 视频内存) 它的主要功能是将显卡的视频数据输出到数模转换器中，有效降低绘图显示芯片的工作负担。它采用双数据口设计，其中一个数据口是并行式的数据输出入

4、口，另一个是串行式的数据输出口。多用于高级显卡中的高档内存，如图5-1（c）所示。（4）DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM, 双倍数据传输速率同步动态随机存储器) 作为SDRAM的换代产品，主要是利用时钟脉冲的上升沿与下降沿传输数据，相当于原来两倍的频率的工作效率。它具有两大特点：其一，速度比SDRAM有一倍的提高；其二，采用了DLL(Delay Locked Loop：延时锁定回路)提供一个数据滤波信号。这是目前内存市场上的主流模式，如图5-1（d）所示。（5）DDRII (Double Data Rate Synchronous DRAM, 第二代同步双倍速率

5、动态随机存取存储器)DDRII可以看作是DDR技术标准的一种升级和扩展：DDR的核心频率与时钟频率相等，但数据频率为时钟频率的两倍，也就是说在一个时钟周期内必须传输两次数据。而DDRII采用“4 bit Prefetch(4位预取)”机制，核心频率仅为时钟频率的一半、时钟频率再为数据频率的一半，这样即使核心频率还在200MHz，DDRII内存的数据频率也能达到800MHz，也就是所谓的DDRII 800。如图5-1（e）所示。（c）VRAM （d） DDR SDRAM （e）DDRII 4（6）DRDRAM (Direct Rambus DRAM) 它是下一代的主流内存标准之一，由Rambus

6、 公司所设计发展出来，是将所有的接脚都连结到一个共同的Bus，这样不但可以减少控制器的体积，也可以增加资料传送的效率。如图5-1（f）所示。（7）EPROM(Erasable Programmable, 可擦可编程只读存储器) 这是一种具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程的ROM内存，写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的IC卡上的透明视窗的方式来擦除掉。这一类芯片比较容易识别，其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住， 以防止遭到阳光直射。如图5-1（g）所示。（8）EEPROM(Electrically Erasable Progr

7、ammable, 电可擦可编程只读存储器) 功能与使用方式与EPROM一样，不同之处是擦除数据的方式，它是以约20V的电压来进行擦除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。这类ROM内存多应用于即插即用接口中。如图5-1（h）所示。（9）Flash Memory(快闪存储器) 这是一种可以直接在主机板上修改内容而不需要将IC拔下的内存，当电源关掉后储存在里面的数据并不会丢失，在写入数据时必须先将原本的数据擦除掉，然后才能再写入新的数据，缺点为写入数据的速度太慢。目前单片机应用领域用的较多，如图5-1（i）所示。（f） DRDRAM （g）EPROM （h）EEPROM （i） Flash Mem

8、ory5存储器的概述存储器的概述 存储器（存储器（MemoryMemory）是计算机系统中的记忆设备，用来存）是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、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。中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外按用途存储器

9、可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失。就会丢失。65.1.1 存储器的分类存储器的分类从不同的角度出发，存储器有不同的分类方式：从不同的角度出发，存储器有不同的分类方式： 1按存储介质分类按存储介质分类2按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类3按信息存取方式分类按信息存取

10、方式分类71按存储介质分类按存储介质分类 根据存储介质的材料及器件的不同，可分为：根据存储介质的材料及器件的不同，可分为：v半导体存储器半导体存储器v磁存储器磁存储器(磁带、磁盘磁带、磁盘)v光存储器光存储器82按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类v主存储器（简称为主存）主存储器（简称为主存） 存放计算机当前运行时所需要的程序和数据，直接存放计算机当前运行时所需要的程序和数据，直接和和CPU发生联系，故又称为内存储器（简称为内存）发生联系，故又称为内存储器（简称为内存）v辅助存储器（简称为辅存）辅助存储器（简称为辅存） 存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要存放当前暂不参与运行

11、的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息永久性保存的信息,不直接和不直接和CPU发生联系，故又称发生联系，故又称为外存储器（简称为外存）。为外存储器（简称为外存）。93按信息存取方式分类按信息存取方式分类v（1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM） 通过指令可以随机地、个别地对存储器中的各个通过指令可以随机地、个别地对存储器中的各个存储单元进行读写操作，并且该操作所需的时间基存储单元进行读写操作，并且该操作所需的时间基本上是一样的。本上是一样的。RAM中的信息在断电后立即消失。中的信息在断电后立即消失。v（2）只读存储器（）只读存储器（ROM） ROM中的信息是在芯片生产时预先写入的，

12、用户中的信息是在芯片生产时预先写入的，用户在使用时对其内容只能读出不能写入，断电后它的在使用时对其内容只能读出不能写入，断电后它的信息不会丢失。信息不会丢失。ROM通常用于存放固定不变的程通常用于存放固定不变的程序，以及各种常数、函数表等。序，以及各种常数、函数表等。10组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失115.1.2 存储器的性能指标存储器的性能指标1存储容量存储容量 存储容量是指存储器可以储存的二进制数的位数存储容量是指存储器可以储存的二进制数的位数（bit），即：），即：存储容量存储容量=单元数单元数位数位

13、数。 由于微型机中的存储器几乎都是以字节（由于微型机中的存储器几乎都是以字节（Byte）进行编址，进行编址，CPU对存储器的访问主要也是按字节对存储器的访问主要也是按字节（多位同时）进行的，因此字节（多位同时）进行的，因此字节B是最常用的容量单是最常用的容量单位。对于大容量存储器，则用位。对于大容量存储器，则用KB（210字节）、字节）、MB（220字节）、字节）、GB（230字节）、字节）、TB（240字节）表示。字节）表示。 12 2存取速度存取速度 存取速度是反映存储器工作速度的指标，它存取速度是反映存储器工作速度的指标，它直接影响计算机主机的运行速度。存取速度常直接影响计算机主机的运行

14、速度。存取速度常用存储器存取时间和存储周期来表示。用存储器存取时间和存储周期来表示。v 存取时间存取时间：从启动一次存储器读写操作：从启动一次存储器读写操作到完成该操作所经历的时间。到完成该操作所经历的时间。v 存储周期存储周期：启动两次独立的存储器操作之：启动两次独立的存储器操作之间所需的最小时间间隔。间所需的最小时间间隔。 3可靠性可靠性 4功耗功耗 5集成度集成度135.2.1 RAM的分类的分类1415 1.16v每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据v存储容量与地址、数据线个数有关： 芯片的存储容量芯片的存储容量2MN 存储单元数存储单元数

15、存储单元的位数存储单元的位数 M：芯片的地址线根数 N：芯片的数据线根数 17181920212223243.片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑v片选端CS*或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作v输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线v写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线252627SRAM芯片21142829+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1234567891011121314282726252423222120191817

16、1615v存储容量为8K8v28个引脚：13根地址线A12A08根数据线D7D0片选CS1*读写WE*、OE*SRAM芯片626430半导体存储器与半导体存储器与CPU的连接的连接v这是本章的重点内容vSRAM与CPU的连接v译码方法同样适合I/O端口v存储芯片的数据线v 存储芯片的地址线v 存储芯片的片选端v 存储芯片的读写控制线31323334不同容量的存储器所需要的片内地址线根数不同不同容量的存储器所需要的片内地址线根数不同 存储器的容量存储器的容量2 其中：其中：为所需片内地址线的根数为所需片内地址线的根数如如：存储器容量为：存储器容量为1KB，需地址线，需地址线10根根（A9A0）

17、存储器容量为存储器容量为2KB，需地址线，需地址线11根（根（A10A0） 储器容量为储器容量为4KB，需地址线，需地址线12根（根（A11A0） 存储器容量为存储器容量为8KB，需地址线，需地址线13根（根（A12A0）353637383940414243444546（3）字位全扩展字位全扩展根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展以满足容量要求。若已有存储芯片的容量为LK，要构成容量为M N的存储器，需要的芯片数为： （M / L） （N / K）474849505152535455565758596061622）63（3）64656667686970

18、7172DRAM芯片4116v存储容量为存储容量为 16K1v16个个引脚：引脚：7 根地址线根地址线A6A01 根数据输入线根数据输入线DIN1 根数据输出线根数据输出线DOUT行地址选通行地址选通 -RAS列地址选通列地址选通 -CAS读写控制读写控制 -WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC1234567816151413121110973DRAM芯片2164v存储容量为存储容量为 64K1v16个个引脚：引脚：8 根地址线根地址线A7A01 根数据输入线根数据输入线DIN1 根数据输出线根数据输出线DOUT行地址选通行地址选通 -R

19、AS列地址选通列地址选通 -CAS读写控制读写控制 -WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A71234567816151413121110974757677可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器EPROMv顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息过擦除原有信息v一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程v编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条v出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1v编程就是将某些单元写入

20、信息编程就是将某些单元写入信息078典型典型EPROM芯片介绍芯片介绍2716v存储容量为存储容量为2K8v24个个引脚：引脚：11根地址线根地址线A10A08根数据线根数据线DO7DO0片选片选/编程编程CE*/PGM读写读写OE*编程电压编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss79高集成度高集成度EPROM 除了常使用的除了常使用的EPROM 2764外，还常使用外，还常使用27128，27256，27512

21、等。由于工业控制算机的发展，迫切需等。由于工业控制算机的发展，迫切需用电子盘取代硬盘，常把用户程序、操作系统固化在电用电子盘取代硬盘，常把用户程序、操作系统固化在电子盘上，（子盘上，（ROMDISK），这时要用），这时要用27C010（128K8），），27C020（256K8），），27C040（512K8）大容量芯片。）大容量芯片。 80818283电可擦可编程存储器 下面以下面以Intel 2816为例，说明为例，说明EEPROM的基本特点和工作方式的基本特点和工作方式。2816是容量为是容量为2K8的电擦除的电擦除PROM，它的逻辑符号如图所示。，它的逻辑符号如图所示。 芯片的管脚排列

22、芯片的管脚排列与与2716一致，只是一致，只是在管脚定义上，数据在管脚定义上，数据线管脚对线管脚对2816来说来说是双向的，以适应读是双向的，以适应读写工作模式。写工作模式。 28162816的逻辑符号的逻辑符号1. 28161. 2816的基本特点的基本特点842. 2817A EEPROM2. 2817A EEPROM2817A2817A引脚图引脚图v存储容量为存储容量为2K8v28个个引脚：引脚：11根地址线根地址线A10A08根数据线根数据线I/O7I/O0片选片选CE*读写读写OE*、WE*状态输出状态输出RDY/BUSY*85EEPROM芯片2864Av存储容量为存储容量为8K8v

23、28个个引脚：引脚：13根地址线根地址线A12A08根数据线根数据线I/O7I/O0片选片选CE*读写读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615865. 快擦写存储器快擦写存储器v1. 整体擦除快擦写存储器整体擦除快擦写存储器v2. 对称型块结构快擦写存储器对称型块结构快擦写存储器v3. 带自举块快擦写存储器带自举块快擦写存储器8788895.4 内存管理内存管理5.

24、4.1 80X86系列系列CPU的工作模式的工作模式CPU数据总线数据总线地址总线地址总线寻址范围寻址范围支持操作系统支持操作系统80868位位20位位1MB实方式实方式8028616位位24位位16MB实、保护方式实、保护方式80386/80486/Pentium32位位32位位4096MB实、保护、实、保护、V86方式方式表表5-10 5-10 不同不同CPUCPU的寻址范围的寻址范围90919293945.4.2 内存空间的管理内存空间的管理 Intel 80X86系列系列CPU组成的组成的微机系统中的内微机系统中的内存空间如图存空间如图5.33所示。所示。 图图5.33 5.33 内存

25、空间分布内存空间分布951. 常规内存 v常规内存（常规内存（Conventional Memory）在内存分配表中占用）在内存分配表中占用最前面的位置，从最前面的位置，从0KB到到640KB（地址（地址000000H109FFFFH），共占），共占640KB的容量。它在内存的最前面并的容量。它在内存的最前面并且在且在DOS可管理的内存区，因此又称之为可管理的内存区，因此又称之为Low Dos Memory（低（低DOS内存），或基本内存（内存），或基本内存（Base Memory），），使用此空间的程序有使用此空间的程序有BIOS操作系统、操作系统、DOS操作系统、外操作系统、外围设备的驱动

26、程序、中断向量表、一些常驻的程序、空闲围设备的驱动程序、中断向量表、一些常驻的程序、空闲可用的内存空间、以及一般的应用软件等都可在此空间执可用的内存空间、以及一般的应用软件等都可在此空间执行。行。vMS-DOS可以控制和管理可以控制和管理1MB的内存空间，常规内存占了的内存空间，常规内存占了640KB，其他的，其他的384KB保留给保留给BIOS ROM及其他各种扩展及其他各种扩展卡使用。这卡使用。这640KB的常规内存基本上分两部分，一部分给的常规内存基本上分两部分，一部分给各种不同的操作系统程序使用，另一部分给数据、程序的各种不同的操作系统程序使用，另一部分给数据、程序的使用。使用。 962. 上位内存 v上位内存（上位内存（Upper Memory Block，简称，简称UMB）是常规内存上面一层的内存（是常规内存上面一层的内存（640KB1024KB），），地址为地址为0A0000H0FFFFFH。v在运行很多大的软件时，在运行很多大的软件时，640K