第五章存儲器

第五章存儲器5.4內(nèi)存儲器的設(shè)計5.5磁表面存儲器5.6光盤存儲器5.7計算機(jī)的存儲系統(tǒng)5.1存儲器概論5.2內(nèi)存儲器的工作原理5.3按內(nèi)容尋址存儲器CAM取指存儲程序思想二進(jìn)制表示程序…01011001…程序與數(shù)據(jù)一樣放在存儲器中存儲器數(shù)據(jù)

程序指令的自動執(zhí)行執(zhí)行下一條指令i指令i+1…………取指執(zhí)行下一條指令i指令i+1…………第五章存儲器存儲程序原理指令系統(tǒng)中指令的執(zhí)行順序：取指＋譯碼＋指令的控制執(zhí)行指令真正執(zhí)行是從磁盤中取指令開始的存儲器(Memory/Storage)Memory：本意為“記憶裝置”。多指存儲器的整體(包括：記錄介質(zhì)，有關(guān)電路和其他部件)Storage：本意為“倉庫”。多指記錄介質(zhì)本身(包括：磁帶、磁盤、磁卡、磁鼓、存儲矩陣)第五章存儲器本章的特點內(nèi)容繁雜、聯(lián)系廣泛涉及學(xué)科多:電、磁、光、機(jī)械、自控、半導(dǎo)體涉及對象多:電路、芯片、設(shè)備、系統(tǒng)涉及課程多:物理、導(dǎo)論、電子技術(shù)、數(shù)字邏輯名詞術(shù)語、概念多設(shè)備器件更新變化快新型芯片不斷涌現(xiàn)、集成度越來越高設(shè)備器件淘汰快計算機(jī)專用設(shè)備不斷推出第五章存儲器主要內(nèi)容存儲器的組織和工作原理存儲器的基本概念內(nèi)存儲器——半導(dǎo)體存儲器外存儲器——磁盤存儲器、光盤存儲器存儲系統(tǒng)思路：存儲位元存儲單元存儲矩陣存儲芯片存儲模塊/存儲體存儲器存儲器的基本概念知識點：分類與性能指標(biāo)主要內(nèi)容內(nèi)存儲器（InternalMemory）亦稱主存儲器（MainMemory）。內(nèi)存比主存的內(nèi)涵大，內(nèi)存還包括Cache、接口電路等知識點隨機(jī)訪問存儲器RAM(RandomAccessMemory)只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)相聯(lián)存儲器AM(AssociativeMemory)，亦稱按內(nèi)容尋址存儲器CAM(ContentAddressedMemory)主要內(nèi)容外存儲器（ExternalMemory）亦稱輔助存儲器（AuxiliaryMemory）知識點磁表面存儲器MSM（MagneticSurfaceMemory）種類：硬盤、軟盤光盤存儲器ODM（OpticalDiskMemory）VCD（VideoCompactDisk）視頻緊密盤SVCD（SuperVCD）超級視頻緊密盤DVD（DigitalVideo/VersatileDisk）數(shù)字視盤/數(shù)字多功能盤主要內(nèi)容存儲系統(tǒng)（MemorySystem）知識點并行主存系統(tǒng)的構(gòu)成存儲層次結(jié)構(gòu)第5.1節(jié)存儲器概論5.1、存儲器概論知識點了解計算機(jī)中的存儲器理解存儲器的分類理解內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)重點掌握存儲器的分類掌握內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)處理、傳輸、存儲是信息技術(shù)的三大基石容量問題和新摩爾定理從現(xiàn)在起每18個月，新增的存儲量等于有史以來存儲量之和!—1998年圖靈獎獲得者JimGray存儲系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展特性：無限的容量需求和動態(tài)擴(kuò)展需求即使處理、傳輸能力固定不變，隨著數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生，存儲能力也需要動態(tài)單調(diào)遞增處理和傳輸速度越高，數(shù)據(jù)容量增加的梯度就越高5.1.1、計算機(jī)中的存儲器5.1.1、計算機(jī)中的存儲器

計算機(jī)硬件系統(tǒng)各部分中的存儲器Register：具有寄存功能，通常不認(rèn)為是存儲器CM：控制存儲器Cache：高速緩沖存儲器MainMemory：ROM、DRAM、SRAMDisk、Tape、ODMU盤(FlashMemory)其他具有數(shù)據(jù)存儲功能的器件和設(shè)備存儲器的層次結(jié)構(gòu)存儲器的實現(xiàn)技術(shù)速度越快，位價格越高容量越大，速度越慢；只有容量做得大，位價格才能低

實現(xiàn)“容量大、價格低”的要求，需采用提供大容量的存儲技術(shù)滿足“速度快”的要求，需采用昂貴且容量小的快速存儲技術(shù)對存儲器的三個要求是相互矛盾的5.1.1、計算機(jī)中的存儲器

主存儲器在計算機(jī)的作用與地位

主存用于存放當(dāng)前處于活動狀態(tài)的程序和數(shù)據(jù)，是CPU可直接訪問的存儲器。要求其容量足夠大、速度盡量與CPU匹配是計算機(jī)自動運(yùn)算和處理的關(guān)鍵部件之一馮氏計算機(jī)須能存儲程序，控制程序自動執(zhí)行無主存不能稱為計算機(jī)，這是計算機(jī)(Computer)與計算器(Calculator)的主要區(qū)別之一是計算機(jī)處理能力的象征之一指令的執(zhí)行至少要訪問一次存儲器存取速度解決問題的快慢、實時與否存儲容量解題能力，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域5.1.1、計算機(jī)中的存儲器

5.1.2、存儲器分類

分類標(biāo)準(zhǔn)在計算機(jī)中的作用存儲介質(zhì)存儲方式信息的可保存性按存儲器在計算機(jī)中的作用分高速暫存存儲器(Scratch-padStorage)亦稱便箋式存儲器，由寄存器構(gòu)成用來暫存即刻要執(zhí)行的指令、馬上要用的數(shù)據(jù)或得到的處理結(jié)果，屬于CPU的組成部分高速緩沖存儲器(Cache)存放當(dāng)前正在執(zhí)行程序的部分程序段或數(shù)據(jù)，位于主存和CPU之間速度O(ns)、容量O(KB)O(MB)主存儲器存放當(dāng)前處于活動狀態(tài)的程序和有關(guān)數(shù)據(jù)速度O(ns)、容量O(MB)O(GB)5.1.2、存儲器分類

按存儲器在計算機(jī)中的作用分輔助存儲器不能由CPU的指令直接訪問，必須通過專門的程序或?qū)ｉT的通道把所需的信息與主存進(jìn)行成批交換，調(diào)入主存后才能使用聯(lián)機(jī)：速度O(ms)、容量O(GB)O(TB)脫機(jī)：速度O(s)、容量O(海量)其它功能的存儲器控存CM：存儲微程序代碼為加快處理而設(shè)置的表格存儲器（倒數(shù)表、函數(shù)表）顯示輸出設(shè)備中的字符庫和數(shù)據(jù)緩沖存儲器（顯存）5.1.2、存儲器分類

按存儲器的存儲介質(zhì)分存儲介質(zhì)特點僅有兩種穩(wěn)定的物理狀態(tài)方便地檢測出屬于哪種穩(wěn)定狀態(tài)兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間容易相互轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體存儲器（SCM）速度快，用作內(nèi)存記憶原理：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電容（靜態(tài)、動態(tài)）從集成電路類型的角度雙極型晶體管（ECL、TTL、I2L）場效應(yīng)管型MOS（PMOS、NMOS、CMOS）5.1.2、存儲器分類

按存儲器的存儲介質(zhì)分磁表面存儲器MSM用陶瓷、非磁性金屬或塑料作載磁體，磁化后具有兩種不同的剩磁狀態(tài)記錄信息“1”和“0”容量大、每位價格低，用作外存光盤存儲器ODM用有機(jī)玻璃作載磁體，磁化、晶態(tài)/非晶態(tài)可靠性高，保存時間長，容量大且易于更換存儲速度比硬盤低一個數(shù)量級鐵電存儲器FeM（FRAM）鐵電晶體的鐵電效應(yīng)，用兩種極化狀態(tài)表示信息“1”和“0”電壓低(讀寫功耗極低)、存取速度快、可高密度集成5.1.2、存儲器分類

按存儲器的存儲方式分存儲方式：訪問存儲單元的方法兩個名詞術(shù)語存儲位元：記錄（存儲）一位二進(jìn)制信息的存儲介質(zhì)區(qū)域或存儲元器件存儲單元：存儲一個機(jī)器字或一個字節(jié)，且具有唯一地址的存儲場所從物理結(jié)構(gòu)上看，若干個存儲位元組成一個存儲單元例：某存儲器為16×4位

表示：16個存儲單元、每個存儲單元有4個存儲位元5.1.2、存儲器分類

按存儲器的存儲方式分隨機(jī)訪問存儲器（RAM）存儲器的任意單元都可隨時訪問且訪問所需時間都是相同的，速度快(ns)訪問時間與存儲單元所處的物理位置無關(guān)只讀存儲器（ROM）正常工作時只讀，能隨機(jī)讀出，不能隨機(jī)寫入MROM：只讀PROM：一次寫可多次改寫ROM：EPROM、E2PROM按內(nèi)容訪問存儲器（CAM）：相聯(lián)存儲器除隨機(jī)存儲外，還具有比較功能速度快(ns)，價格高5.1.2、存儲器分類

按存儲器的存儲方式分順序存儲器（SAS）信息以文件形式組織，一個文件包含若干個數(shù)據(jù)塊，一個數(shù)據(jù)塊包含若干字節(jié)存儲時以數(shù)據(jù)塊為單位存儲，順序地記錄在存儲介質(zhì)上，數(shù)據(jù)的存儲時間與數(shù)據(jù)所處的物理位置關(guān)系極大速度慢(s)、容量大、成本低，用作后援外存磁帶、電荷耦合器件CCD、VCD直接存取存儲器DAS/DAM：RAM＋SAS信息的組織同SAS，介于隨機(jī)和順序存取之間對信息的存儲分兩步：先隨機(jī)查找數(shù)據(jù)區(qū)域，找到后再順序存取。速度慢(ms)。例：磁盤5.1.2、存儲器分類

按存儲器中信息的可保存性分?jǐn)嚯姾笫欠駚G失數(shù)據(jù)揮發(fā)性存儲器特點：斷電后，信息即丟失。如：SRAM非揮發(fā)性存儲器(非易失性/永久性存儲器)特點：斷電后，信息不丟失。如：ROM、磁盤讀出后是否保持?jǐn)?shù)據(jù)破壞性存儲器特點：讀出時，原存信息被破壞，需重寫。如：DRAM非破壞性存儲器特點：讀出時，原存信息不被破壞。如：SRAM5.1.2、存儲器分類

5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)

性能指標(biāo)存儲容量存取時間MAT(TA)與存儲周期MCT(TM)存儲帶寬可靠性功耗與集成度性能價格比存取寬度（1）存儲容量內(nèi)存所能容納的二進(jìn)制位（bit）個數(shù)的總和，即構(gòu)成內(nèi)存的存儲位元的總和常用單位：B、KB、MB、GB、TB存儲容量=存儲單元個數(shù)×每個存儲單元的存儲位元個數(shù)一般地，內(nèi)存的存儲容量越大越好5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)

（2）存取時間TA與存儲周期TM（單位：ns）TA：啟動一次存儲器操作到完成該操作所用時間寫：從啟動到將MBR內(nèi)容寫入指定存儲單元的時間讀：從啟動讀命令到讀出的數(shù)據(jù)送MBR所需的時間亦稱訪問時間，是反映存儲器速度的指標(biāo)，決定了CPU發(fā)出讀/寫命令后必須等待的時間TM：連續(xù)兩次啟動同一存儲器進(jìn)行存取操作所需的最小時間間隔，亦稱存取周期或訪問周期兩次啟動包括：兩次讀，兩次寫，一次讀或一次寫TA<TM：TA、TM的差別依賴于存儲信息的器件和電路，存儲介質(zhì)和控制線路需要恢復(fù)時間破壞性讀出須重寫；非破壞性讀出時，不須重寫5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)

（3）存儲帶寬每秒傳輸最大數(shù)據(jù)量（位/秒）改善機(jī)器瓶頸的一個關(guān)鍵因素例：存取周期為500ns，每個存取周期可訪問16位，則帶寬為32M位/秒5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)（4）可靠性用MTBF來衡量主存的可靠性

MTBF表示兩次故障之間的平均時間間隔采用糾錯編碼技術(shù)進(jìn)行容錯處理例：銀河-2，CPU字長64位、存儲器字長72位，采用海明碼“糾1檢2”，提高主存可靠性（5）功耗和集成度功耗（PowerLoss）：反映存儲器件耗電多少（單位：mw/片、w/存儲器）維持功耗：保持時功耗(幾百~幾十mw/片)工作功耗：讀寫時功耗(500~1500mw/片)集成度（IntegrationLevel）：標(biāo)識單個存儲芯片的存儲容量5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)

（6）性能價格比—綜合性指標(biāo)更高的容量、速度，更低的位價格：性能價格比越高越好！通常采用層次存儲器技術(shù)才能實現(xiàn)?。?）存取寬度，又稱存儲總線寬度一次訪存操作可存取的數(shù)據(jù)位數(shù)或字節(jié)數(shù)存取寬度由編址方式?jīng)Q定例：銀河-1的存取寬度是64位5.1.3、內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)

5.1.4、存儲器發(fā)展趨勢海量存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究處于探索與試驗階段確保系統(tǒng)計算、通信、存儲能力的均衡匹配是海量存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的目標(biāo)正在研究和探索PB量級新型多層次存儲組織結(jié)構(gòu)、混合式共享存儲結(jié)構(gòu)等如何將不同廠商的各種存儲資源無縫整合成統(tǒng)一的存儲資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速透明訪問和無隙共享是存儲體系結(jié)構(gòu)研究的重點新型存儲介質(zhì)不斷涌現(xiàn)，給高性能海量存儲系統(tǒng)研究帶來新思路和新機(jī)遇目前硬盤仍是最重要的大容量存儲設(shè)備。 自50年代由IBM發(fā)明以來密度增加了一百倍；最近的密度超過100Gb/in2但受超順磁效應(yīng)和機(jī)械轉(zhuǎn)速的限制，磁介質(zhì)存儲密度和磁盤訪問速度的提升已很困難

5.1.4、存儲器發(fā)展趨勢多種新型存儲產(chǎn)品正處于不同的試驗和商業(yè)化階段磁阻RAM(MRAM)應(yīng)用：手機(jī)、移動設(shè)備、PC等數(shù)字產(chǎn)品的存儲器的潛在替代產(chǎn)品非易失鐵電隨機(jī)存儲器（FeRAM）相變內(nèi)存(OUM)鐵電RAM(FRAM)應(yīng)用：機(jī)頂盒、汽車電子、三表收費、考勤門禁、商業(yè)收款等，容量小納米管RAM(NRAM)分子存儲器MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))存儲器等5.1.4、存儲器發(fā)展趨勢小結(jié)存儲器分類1.按存儲介質(zhì)分類(1)半導(dǎo)體存儲器(2)磁表面存儲器(3)光盤存儲器(4)鐵電存儲器易失TTL、MOS磁頭、載磁體激光、磁光材料鐵電晶體、鐵電薄膜非易失(1)

存取時間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問）順序存取存儲器磁帶2.按存取方式分類(2)存取時間與物理地址有關(guān)（串行訪問）隨機(jī)存儲器只讀存儲器直接存取存儲器磁盤在程序的執(zhí)行過程中可讀可寫在程序的執(zhí)行過程中只讀小結(jié)磁盤磁帶光盤

高速緩沖存儲器（Cache）FlashMemory存儲器主存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)RAM動態(tài)RAM3.按在計算機(jī)中的作用分類小結(jié)內(nèi)存儲器性能指標(biāo)1.存儲容量2.存取時間MAT(TA)與存儲周期MCT(TM)3.存儲帶寬4.可靠性5.功耗與集成度6.性能價格比7.存取寬度小結(jié)第5.2節(jié)內(nèi)存儲器的工作原理內(nèi)存儲器的工作原理知識點理解內(nèi)存儲器的概述理解內(nèi)存儲器的基本組成及工作過程了解隨機(jī)訪問存儲器RAM了解RAM存儲芯片了解只讀存儲器ROM重點掌握內(nèi)存儲器的選址方式、存儲原理1.主存和CPU的聯(lián)系MBRMARCPU主存讀數(shù)據(jù)總線地址總線寫5.2.1內(nèi)存儲器的概述

高位字節(jié)地址為字地址

低位字節(jié)地址為字地址設(shè)地址線24根按字節(jié)尋址按字尋址若字長為16位按字尋址若字長為32位字地址字節(jié)地址11109876543210840字節(jié)地址字地址4523014202.主存的存儲單元地址分配224=

16M8M4MIBM370PDP-115.2.1內(nèi)存儲器的概述BIGLittle5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程1、基本組成存儲矩陣MM選址系統(tǒng)讀寫系統(tǒng)時序控制線路芯片容量1K×4位16K×1位8K×8位地址線數(shù)據(jù)線104141138存儲矩陣MM亦稱存儲體、存儲陣列，存儲器的核心組成：由存儲單元構(gòu)成功能：信息駐在地，即存儲信息的基體選址系統(tǒng)組成：地址寄存器MAR、地址譯碼器、地址驅(qū)動器功能：寄存、譯碼地址，找到被訪問的存儲單元并驅(qū)動該單元以便實現(xiàn)讀寫5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程讀寫系統(tǒng)組成：存儲緩沖寄存器MBR

，寫入線路，讀出線路功能：實現(xiàn)讀出、寫入，或重寫(破壞性讀出）時序控制線路組成：控制觸發(fā)器，門電路，延遲電路功能：產(chǎn)生一系列時序信號控制內(nèi)存儲器完成讀寫等操作5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程2、存儲矩陣與選址如何找到存儲單元？選址是關(guān)鍵部件譯碼方法直接影響到存儲器的組織與結(jié)構(gòu)選址方法線選法二維存儲矩陣重合法三維存儲矩陣5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程0,015,015,70,7讀/寫控制電路

地址譯碼器

字線015…………16×8矩陣…………07D07D

位線讀/寫選通A3A2A1A0……2、存儲矩陣與選址(1)線選法00000,00,7…0……07……D07D

讀/寫選通基本特征每根位線與同一位的所有存儲位元連接每根字線僅與同一存儲單元的所有存儲位元連接5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程A3A2A1A0A40,310,031,031,31

Y地址譯碼器

X地址譯碼器

32×32

矩陣……A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D讀/寫……2、存儲矩陣與選址(2)重合法00000000000,031,00,31……I/OD0,0讀基本特征部分譯碼功能移到存儲矩陣內(nèi)部兩種選址方法比較線選法的選擇線較多，重合法的選擇線相對較少線選法需要一次譯碼，重合法需要兩次譯碼線選法適合于容量較小的存儲器，重合法適用于容量較大的存儲器線選法的負(fù)載輕(字線上的負(fù)載為字長個位元)，對位元電路、驅(qū)動器要求都不高，速度快重合法每個存儲單元需要的控制信號增加，字線上的負(fù)載較大，需要增加選擇線的負(fù)載驅(qū)動能力。對位元電路、驅(qū)動器要求較高，速度較慢5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程存儲芯片片選線的作用用16K×1位的存儲芯片組成64K×8位的存儲器

32片當(dāng)?shù)刂窞?5535時，此8片的片選有效

8片16K×1位

8片16K×1位

8片16K×1位

8片16K×1位5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程3、讀操作過程送地址控制器通過地址總線將地址送MAR發(fā)讀命令控制器通過控制總線將“讀存儲器”信號R送時序控制線路從存儲器讀出數(shù)據(jù)時序控制線路依信號R產(chǎn)生一系列存儲器的內(nèi)部控制信號。MAR中的地址經(jīng)地址譯碼器選中并驅(qū)動存儲矩陣中的某一個存儲單元，讀出該單元中所有存儲位元的信息，送MBR5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程4、寫操作過程送地址控制器通過地址總線將地址送MAR送數(shù)據(jù)將要寫入存儲矩陣中的信息經(jīng)數(shù)據(jù)總線送MBR發(fā)寫命令控制器通過控制總線將“寫存儲器”信號W送時序控制線路將數(shù)據(jù)寫入存儲器時序控制線路依信號W產(chǎn)生一系列存儲器的內(nèi)部控制信號。MAR中的地址經(jīng)地址譯碼器選中并驅(qū)動存儲矩陣中的某一存儲單元，將MBR中的數(shù)據(jù)寫入被選中存儲單元的各存儲位元中5.2.2內(nèi)存儲器的組成和工作過程存儲矩陣由若干存儲單元構(gòu)成每個存儲單元由多個存儲位元構(gòu)成一個存儲單元對應(yīng)唯一的物理地址一個存儲單元包含的存儲位元個數(shù)是字節(jié)的整數(shù)倍，通常稱為計算機(jī)字長5.2.3隨機(jī)存取存儲器RAM半導(dǎo)體RAM存儲位元電路記憶原理觸發(fā)器：互補(bǔ)的兩個狀態(tài)電容：充放電晶體管：導(dǎo)通與截止位元電路與存儲器存儲位元存儲單元存儲矩陣存儲芯片(譯碼、驅(qū)動、讀/寫電路)存儲模塊(內(nèi)存條)存儲器5.2.3隨機(jī)存取存儲器RAMRAM位元電路原理：觸發(fā)器和電容要求：具體工作原理一般了解介紹雙極型存儲位元電路BiRAMMOS靜態(tài)存儲位元電路SRAMMOS動態(tài)存儲位元電路DRAM5.2.3隨機(jī)存取存儲器RAM5.2.3.1.雙極型存儲位元電路雙極型存儲位元電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)利用抗飽和肖特基二極管（壓降0.4伏）的變阻抗特性改變觸發(fā)器集電極負(fù)載阻抗兩個三極管的一個發(fā) 射極接維持恒流源（100μA）假定T1通、T2止表示存“1”T2通、T1止表示存“0”保持:X：-1.7V；D、D：-1.9V；Q：-2.7V要寫信息

D

XD1D2QT1T2寫”1”-1.5V-2.4V-0.8V通通通止寫”0”–2.4V-1.5V-0.8V通通止通寫入：讀出:

D:-1.9VX:脈沖-1.7V跳至-0.8V

結(jié)果：D:有電流流出讀出“0”:有電流流出讀出“1”5.2.3.1.雙極型存儲位元電路5.2.3.2.MOS靜態(tài)存儲位元電路靜態(tài)(動態(tài))存儲位元電路當(dāng)沒有外界信號作用時，可以(不能)長久 保持其所處的 穩(wěn)定狀態(tài)MOS靜態(tài)存儲 位元電路 ——靜態(tài) 互補(bǔ)位元電路

靜態(tài)RAM基本電路A’′觸發(fā)器非端1T2

T6TT5觸發(fā)器3TT4、行開關(guān)7TT8、列開關(guān)7TT8、一列共用A觸發(fā)器原端T1T5

T2T6T3T4T7T8A′A寫放大器寫放大器DIN寫選擇讀選擇DOUT讀放位線A位線A′列地址選擇行地址選擇5.2.3.2.MOS靜態(tài)存儲位元電路A′

T3T4T7T8A寫放大器寫放大器DIN寫選擇讀選擇讀放位線A位線A′列地址選擇行地址選擇DOUT①靜態(tài)RAM基本電路的讀操作

行選T3、T4開T7、T8開列選讀放DOUTVAT4T8DOUTT1T5T2T6

T3T4T7T8A′ADIN位線A位線A′列地址選擇行地址選擇寫放寫放讀放DOUT寫選擇讀選擇②靜態(tài)RAM基本電路的寫操作

行選T3、T4開兩個寫放DIN列選T7、T8開（左）反相T3A’′（右）T8T4ADINDINT7T1T5T2T6靜態(tài)存儲位元電路的特點優(yōu)點存取速度快非破壞性讀出只要供電，信息則長久保持，不需刷新缺點功耗較大，尤其是雙極型存儲位元電路所用元器件多，集成度低5.2.3.2.MOS靜態(tài)存儲位元電路5.2.3.3.MOS動態(tài)存儲位元電路動態(tài)存儲位元電路利用MOS晶體管極電容(或MOS電容)上充積的電荷來存儲信息刷新由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可能長久保存，需要周期性地對電容進(jìn)行充電，以補(bǔ)充泄漏的電荷動態(tài)存儲位元電路克服了靜態(tài)存儲位元電路的缺點，使MOS器件的優(yōu)點更得以發(fā)揮DD預(yù)充電信號讀選擇線寫數(shù)據(jù)線寫選擇線讀數(shù)據(jù)線VCgT4T3T2T11動態(tài)RAM基本單元電路讀出與原存信息相反讀出時數(shù)據(jù)線有電流為“1”數(shù)據(jù)線CsT字線DDV010110寫入與輸入信息相同寫入時CS充電為“1”、放電為“0”T無電流有電流三管式單管式5.2.3.3.MOS動態(tài)存儲位元電路

SC

W(字線)GD(位線)DVDL

動態(tài)存儲位元表示

C上有電荷表示“1”

C上無電荷表示“0”為什么要刷新保持信息時，字線W為低電平，MOS管T閉鎖，若C上有電荷，則能保持信息“1”一段時間。但隨著時間的增長，因T漏電，C上的電荷泄漏，故須定時補(bǔ)充電荷，即刷新讀出破壞原信號、需要恢復(fù)構(gòu)成DRAM5.2.3.3.MOS動態(tài)存儲位元電路T工作原理保持電容上是否有電荷表示存儲的信息漏電不能長久保存信息、需要刷新寫入W選通打開T、電荷充/放電W結(jié)束T關(guān)閉、寫入的信息以電荷形式保存在電容上讀出預(yù)充電、W選通打開T、放大D上的信號W結(jié)束T關(guān)閉、破壞原信號、需要恢復(fù)（刷新）對數(shù)據(jù)線D預(yù)充電的原因提高讀出的靈敏度，避免對“1”的讀出時間過長5.2.3.3.MOS動態(tài)存儲位元電路特點破壞性讀出，讀后需恢復(fù)信息需對D預(yù)充電，故速度較慢相對靜態(tài)存儲位元電路功耗?。ê唵危┘啥雀?.2.3.3.MOS動態(tài)存儲位元電路5.2.3.4、小結(jié)1.BiRAM(BipolarRAM)

雙極型RAM存儲位元電路與雙極型外圍電路配合構(gòu)成的隨機(jī)存取存儲器稱為雙極型隨機(jī)存取存儲器2.SRAM(StaticRAM)MOS型靜態(tài)RAM存儲位元電路與MOS型或雙極型外圍電路配合構(gòu)成的隨機(jī)存取存儲器稱為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器3.DRAM(DynamicRAM)MOS型動態(tài)RAM存儲位元電路與MOS型外圍電路配合構(gòu)成隨機(jī)存取存儲器稱為動態(tài)隨機(jī)存取存儲器應(yīng)用場合BiRAM讀寫速度快多用作高速緩沖存儲器CacheDRAM功耗極小且集成度高多用作為主存SRAM在計算機(jī)中可作Cache，也可作為主存三種RAM的特點及應(yīng)用場合特點BiRAM特點:速度快，功耗大，芯片集成度低。 非破壞性讀出的揮發(fā)性存儲器DRAM特點:速度慢，功耗小，芯片集成度高。破 壞性讀出的揮發(fā)性存儲器SRAM特點:速度、功耗和芯片集成度處于BIRAM 與DRAM之間。非破壞性讀出的揮發(fā)性存儲器存儲位元電路的比較各種類型的存儲位元電路的比較記憶原理：主要是觸發(fā)器和電容型位元電路保持信號的電氣要求：是否需要恒流源，是否需要刷新位元電路的器件量：6管靜態(tài)MOS位元電路，單管動態(tài)MOS位元電路

動態(tài)RAM和靜態(tài)RAM比較DRAMSRAM存儲原理集成度芯片引腳功耗價格速度刷新電容觸發(fā)器高低少多?。?/6）大低高慢快有無主存緩存5.2.4、RAM存儲芯片知識點常用引腳，要求記憶熟練掌握BiRAM、SRAM和DRAM芯片的特點由位元電路帶來的優(yōu)缺點地址引腳、數(shù)據(jù)引腳的復(fù)用問題了解新型RAM芯片存儲芯片是將一定數(shù)量的存儲位元組成的存儲矩陣連同與之對應(yīng)的選地、讀寫等系統(tǒng)集成在一個硅片上使用不同種類的存儲位元，構(gòu)造不同種類的存儲芯片采用雙極型RAM存儲位元，構(gòu)造BiRAM存儲芯片采用MOS型靜態(tài)RAM存儲位元，構(gòu)造SRAM存儲芯片采用MOS型動態(tài)RAM存儲位元，構(gòu)造DRAM存儲芯片5.2.4、RAM存儲芯片存儲芯片封裝DIP(DualInlinePackage)雙列直插式封裝QFP(QuadFlatPackage)四方扁平封裝SIMM(SingleInlineMemoryModule)單列直插內(nèi)存模塊DIMM(DoubleInlineMemoryModule)雙列直插內(nèi)存模塊5.2.4、RAM存儲芯片存儲芯片的基本輸入輸出引腳

地址端引腳：Ai

通常下標(biāo)大者為高位

數(shù)據(jù)輸入端引腳：D、I、DI或Din

數(shù)據(jù)輸出端引腳：Q、O、QO或Dout

雙向數(shù)據(jù)端引腳：DQ、IQ、IO

寫使能端/讀寫控制端引腳：輸出使能端引腳：或片選端引腳：控制芯片工作的信號片使能端引腳：芯片是否進(jìn)入有效操作行選控制端引腳:控制行地址,DRAM芯片特有的引腳列選控制端引腳:控制列地址,DRAM芯片特有的引腳電源端和接地端引腳:Vcc、VEE、VDD和GND、VSS

其它引腳：

NC、T/TF、、或或5.2.4、RAM存儲芯片靜態(tài)RAM的舉例－Intel6116讀出邏輯：CS=0,OE=0,WE=1寫入邏輯:CS=0,OE=1,WE=0高阻：CS＝1靜態(tài)RAM芯片舉例（1）Intel2114外特性 基本單元電路由六個MOS管組成存儲容量1K×4位......I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel21145.2.4、RAM存儲芯片A3A4A5A6A7A8A0A1A2A915…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一組第二組第三組第四組

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一組第二組第三組第四組0000000000

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀第一組第二組第三組第四組15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348…………

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀第一組第二組第三組第四組15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348…………

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348…………第一組第二組第三組第四組0163248CSWE

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀第一組第二組第三組第四組15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECSCSWE150311647326348…………01632480000000000…………

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀第一組第二組第三組第四組15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000…………CSWE150311647326348…………0163248

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀第一組第二組第三組第四組15…031…1647…3263…48150311647326348讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路……………………0163015……行地址譯碼列地址譯碼I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000…………CSWE讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路150311647326348…………0163248I/O1I/O2I/O3I/O4

（2）Intel2114RAM矩陣(64×64)

讀(3)靜態(tài)RAM讀時序

tAtCOtOHAtOTDtRCACSDOUT地址有效地址失效片選失效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定高阻片選有效讀周期

tRC：地址有效下一地址有效讀時間

tA：地址有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定tCO

片選有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定tOTD

片選失效輸出高阻tOHA

地址失效后的數(shù)據(jù)維持時間雙極型RAM存儲芯片（BiRAM）例：F1004741K×4位：ECLRAM芯片參見圖5.85.2.4、RAM存儲芯片特點速度快：最快3ns、最慢<30ns位功耗大：工作功耗一般為0.2mW/位集成度低：最大集成度64Kb/片非破壞性讀出，通常陶瓷封裝地址引腳不復(fù)用：芯片需多少位地址碼，則有多少個地址引腳數(shù)據(jù)引腳也不復(fù)用：一位數(shù)據(jù)需要2個引腳，一個引腳作數(shù)據(jù)輸入用，一個引腳作數(shù)據(jù)輸出用（目的：為了BiRAM的速度）5.2.4、RAM存儲芯片

MOS型RAM存儲芯片SRAM(StaticRandomAccessMemory)BiCMOSRAM(BipolarCMOSRAM)

DRAM(DynamicRandomAccessMemory)

5.2.4、RAM存儲芯片

SRAM存儲芯片的特點與BiRAM比較，速度低，位功耗小，集成度高，非破壞性讀出，通常塑料封裝地址引腳不復(fù)用：芯片需多少位地址碼，則有多少個地址引腳數(shù)據(jù)引腳復(fù)用：一位數(shù)據(jù)僅需要1個引腳，該引腳既作數(shù)據(jù)輸入又作數(shù)據(jù)輸出用，此時，芯片必須加輸出使能端引腳或

注意：當(dāng)芯片字位結(jié)構(gòu)為一位結(jié)構(gòu)時，數(shù)據(jù)引腳不復(fù) 用，原因是復(fù)用仍須加輸出使能端引腳或，并未 減少總的引腳個數(shù)，且使芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜了5.2.4、RAM存儲芯片存儲芯片引腳示例5.2.4、RAM存儲芯片

DRAM存儲芯片的特點與SRAM比較，速度更低，位功耗更小，集成度更高，為破壞性讀出，通常塑料封裝地址引腳復(fù)用：芯片需多少位地址碼，則地址引腳個數(shù)為地址碼位數(shù)的1/2上取整，同時需加兩個控制引腳和數(shù)據(jù)引腳復(fù)用：一位數(shù)據(jù)僅需要1個引腳，該引腳即作數(shù)據(jù)輸入又作數(shù)據(jù)輸出用，此時必須加輸出使能端引腳或

注意：當(dāng)芯片字位結(jié)構(gòu)為一位結(jié)構(gòu)時，數(shù)據(jù)引腳不復(fù)用，原因同SRAM5.2.4、RAM存儲芯片DRAM存儲芯片引腳示例4M*42M*81M*164Bank5.2.4、RAM存儲芯片MICRON公司3種芯片的主要性能對比比較參數(shù)BiRAMMOSSRAMMOSDRAM位元雙極型靜態(tài)6管MOS靜態(tài)單管MOS動態(tài)速度快較快慢集成度低較高高功耗大較大小破壞性讀出否否是刷新電路不需要不需要需要封裝陶瓷塑料塑料地址引腳不復(fù)用不復(fù)用復(fù)用數(shù)據(jù)引腳不復(fù)用復(fù)用復(fù)用5.2.4、RAM存儲芯片問題的引入存儲位元的增加只能增加容量，卻不能提高存儲器的速度新型RAM芯片技術(shù)主要有兩種一體化IRAM專用集成電路ASICRAMRAM芯片的發(fā)展受硬件技術(shù)發(fā)展的限制，有的技術(shù)出現(xiàn)不久就已經(jīng)淘汰，目前主要以SDRAM與DDR技術(shù)為主流5.2.4、RAM存儲芯片

新型半導(dǎo)體RAM芯片

1.高速緩沖動態(tài)隨機(jī)存儲器CDRAM(CachedDRAM)

在普通DRAM芯片基礎(chǔ)上再集成一個SRAM作為片內(nèi)Cache2.同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器SDRAM(SynchronousDRAM)

基于雙存儲體結(jié)構(gòu)，操作直接與CPU的時鐘信號同步，圖5.10顯示32MbSDRAM的邏輯結(jié)構(gòu)3.同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器Ⅱ(SDRAMII)，亦稱DDR

交替工作由延時鎖定回路（DLL）精確定位數(shù)據(jù)，時鐘前后(上升、下降)沿，都可讀寫數(shù)據(jù)5.2.4、RAM存儲芯片5.2.4、RAM存儲芯片4.同步鏈接DRAM(SyncLinkDRAM)

增強(qiáng)和擴(kuò)展的DDR，將4體DRAM的DDR增加到16個或更多5.視頻隨機(jī)存儲器VRAM和其它芯片

CVRAM(CachedVideoRAM)SVRAM(SynchronousVideoRAM)WRAM(WindowsRAM)3DRAMSBSRAM(SynchronousBurstSRAM)新型半導(dǎo)體RAM芯片

5.2.4、RAM存儲芯片鐵電隨機(jī)存儲器（FeRAM）鐵電薄膜技術(shù)工作原理

當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當(dāng)原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存。5.2.4、RAM存儲芯片鐵電隨機(jī)存儲器（FeRAM）兼容RAM的一切功能，且和ROM技術(shù)一樣是非易失性的存儲器讀寫速度快（<20ns）集成度比DRAM大（可達(dá)4Mb）存在兩個關(guān)鍵問題可靠性讀寫次數(shù)受限5.2.4、RAM存儲芯片小結(jié)內(nèi)存儲器概述內(nèi)存儲器的組成，了解存儲位元電路，重點掌握存儲矩陣和選址方法了解存儲芯片引腳含義及地址、數(shù)據(jù)引腳個數(shù)的確定原則和主要控制引腳5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

ROM：ReadOnlyMemory

RAM：按地址尋址，CPU以存儲單元為單位，隨機(jī)讀寫任一存儲單元，讀寫時間相同且與單元所處物理位置無關(guān)

ROM：按地址尋址，CPU以存儲單元為單位，只能隨機(jī)讀而不能隨機(jī)寫的存儲器特點速度比DRAM快，與SRAM相當(dāng)可靠性高，集成度高，成本低非揮發(fā)性存儲，非破壞性讀出存儲信息不可更改或更改麻煩5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

應(yīng)用場合

常數(shù)存儲器倒數(shù)、函數(shù)值、漢字庫、字符庫等代碼轉(zhuǎn)換器（各設(shè)備間）代碼轉(zhuǎn)換表、鍵盤位置碼與鍵的代碼轉(zhuǎn)換表游戲卡控制存儲器CM（PROM）BIOS可多次改寫

注意:上述三種應(yīng)用通常由MROM實現(xiàn)5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

ROM分類固定掩膜MROM（FixedMaskROM）只能讀，不能修改一次可改寫的PROM（ProgrammableROM）只能修改一次，修改后只讀可多次改寫的ROM可多次擦除、多次改寫，改寫之前要先擦除光擦除電可編程只讀存儲器，亦稱UVEPROM（UltraVioletErasablePROM）電擦除電可編程只讀存儲器E2PROM：ElectricallyErasablePROM塊擦除電可編程的快擦寫存儲器FM（FlashMemory）5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

1、固定掩膜MROMMROM

依用戶要求，由廠家按確定工序，用是否制造元器件的方法，實現(xiàn)信息寫入。制造完成后，不能再改變的只讀存儲器雙極型MROM(BipolarMROM)

(1)結(jié)構(gòu)組成

重合法三維存儲矩陣，有晶體管為“1”，無晶體管為“0”5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

雙極型MROM(BipolarMROM)(3)只讀狀態(tài)

設(shè)地址為0：X0Y0重合處A被選，驅(qū)動脈沖X0為高，Y0為低，A處有三極管，此時導(dǎo)通，輸出為低，RA工作，讀出信息“1”(2)不工作狀態(tài)無驅(qū)動脈沖，Xi為低，Yj為高，矩陣中三極管都截止，RA不工作，無輸出5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

MROM特點

結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、價格便宜宜于標(biāo)準(zhǔn)化和大批量生產(chǎn)使用不靈活、一經(jīng)生產(chǎn)為成品，則無法修改讀出時間：10～500ns

最大集成度：32Mb/片5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

MROM存儲芯片引腳示意

注意：控制引腳只有片選或片選使能端。且僅有數(shù)據(jù)輸出引腳，地址引腳也不復(fù)用取數(shù)時間為150ns28引腳的DIP封裝16*16點陣的簡易漢字庫需要2片MB8310005.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

2、PROM位結(jié)構(gòu)全“1”熔斷絲型寫“1”：不通入電流，保持原態(tài)寫“0”：通入足夠大的電流，熔斷電阻性的連線Rf，使之開路，寫入“0”只讀：加電壓，管T通導(dǎo)有電流，讀出“1”；管T不通導(dǎo)，無電流，讀出“0”讀寫電流之比為1:105.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

2、PROM位結(jié)構(gòu)全“0”肖特基二極管型肖特基二極管，一電極為金屬，另一電極為 半導(dǎo)體寫“1”：采用足夠高的電壓，擊穿肖特基二極 管，使之短路（不是斷路），寫入“1”寫“0”：不加電壓，保持原態(tài)只讀“1”：加較低電 壓，二極管通導(dǎo)，有 電流只讀“0”：加較低電 壓，二極管不通導(dǎo)， 無電流5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

PROM特點熔斷絲型的PROM為主流可根據(jù)需要編程一次，但熔斷絲熔斷后信息不能改變，PROM原則上無法修改集成度（512kb），取數(shù)時間(幾幾十ns)對改寫電流和工作電流有一定的要求注意：PROM既按地址又按位尋址，編程時是按位編程且須脫機(jī)編程，通常用編程器實現(xiàn)編程5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

3、EPROMSIMOS疊柵注入型(Stacked-gateInjection)MOS管（1）SIMOS管結(jié)構(gòu)

NMOS管，與普通NMOS不同的是有兩個柵極:浮柵FG和控制柵CG，F(xiàn)G在CG正下方且FG被SiO2包圍使之與四周絕緣。FG、CG為多晶硅，其上若有電荷將均勻分布5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（2）SIMOS編程機(jī)理

如何實現(xiàn)擦除和寫入信息，假定:浮柵上有電子表示存“0”;無電子表示存“1”。編程：CG、D:均加20V;S:接地。因CG加20V電壓，形成溝道；S接地,D加20V，使源漏之間有強(qiáng)電子流，部分能量大的電子穿越薄的氧化層進(jìn)入浮柵。去掉電源，電子在浮柵上均勻分布并產(chǎn)生附加電場，成高開啟管，開啟電壓在7V以上,寫入“0”5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（2）SIMOS編程機(jī)理

擦除：紫外光線(12mw/cm2)照射SIMOS管15~20分鐘，F(xiàn)G上的電子獲得足夠的能量，躍遷回襯底寫入“1”，使得SIMOS管變成低開啟管，加較低電壓即可通導(dǎo)

因出廠產(chǎn)品都是無電子的，即都存“1”，故編程是寫“0”，使FG上有電子；擦除是寫“1”，即去除FG上的電子

5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

SIMOS管擦除是通過紫外線光照，編程則通過熱電子隧道效應(yīng)（3）SIMOS管EPROM存儲位元和只讀的實現(xiàn)

1個SIMOS管構(gòu)成1個EPROM存儲位元，見圖5.15(C)編程后即可投入使用只讀：W(CG)和D均接＋5V；S：接地

SIMOS通導(dǎo)，說明FG上無電子為低開啟管，讀出“1”

SIMOS不導(dǎo)通，說明FG上有電子為高開啟管，讀出“0”555.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（4）EPROM存儲芯片基本結(jié)構(gòu)：m字×8位/16位引腳和邏輯功能圖5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（4）EPROM存儲芯片參見P252的表5.65.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（5）EPROM的優(yōu)缺點

EPROM的缺點不能在線擦除和編程不能對單個存儲單元擦除，只能以片為單位擦除芯片封裝麻煩，需留透明石英窗口，以便紫外線擦除編程后，還須用不透明物體覆蓋石英窗口，以免芯片存儲的信息由于光照局部被擦除

EPROM優(yōu)點因存儲位元為單管，故集成度高，功耗小耐久性好(常溫下保持時間：100年；125℃：10年）

5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

4、

E2PROM(ErasableandProgrammablebyElectric)

廣泛使用的是FLOTOX管（浮柵隧道氧化層MOS（1）FLOTOX管結(jié)構(gòu)疊柵結(jié)構(gòu)，與SIMOS管有兩點不同隧道氧化層僅在漏區(qū)上方隧道氧化層厚度不大于20nm導(dǎo)致CG與FG、FG超薄氧化層與部分漏區(qū)構(gòu)成兩個串聯(lián)平板電容C1、C2，且C1>>C2C1C25.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（2）FLOTOX管存儲信息原理

假定：浮柵有電子表示存“0”，即高開啟管存“0”；無電子表示存“1”，即低開啟管存“1”。擦除是寫“1”，編程是寫“0”編程條件：CG接20V；D接地

結(jié)果：D區(qū)自由電子被強(qiáng)拉到FG，產(chǎn)生附加電場，F(xiàn)LOTOX變成高開啟管，寫入“0”擦除條件：CG接地，D接20V

結(jié)果：FG上的自由電子被拽回D，區(qū)附加電場消失，F(xiàn)LOTOX變成低開啟管，寫入“1”5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（2）FLOTOX管存儲信息原理

只讀條件：CG接3V，D接5V，S接地結(jié)果：不通導(dǎo)，讀出“0”； 通導(dǎo)，讀出“1”

何謂F—N隧道效應(yīng)(FowlerNordheim)：亦稱冷電子隧道效應(yīng)。在強(qiáng)正電場作用下，自由電子在漏或(源)與浮柵之間雙向穿越薄氧化層的物理現(xiàn)象

低開啟管，開啟電壓0.8V高開啟管，開啟電壓7V5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（3）FLOTOX管存儲位元

DDDLSSGCGFGNMOSFLOTOXATT1T2WL圖5.18FLOTOX雙管位元電路

擦除:A點接地,DL接20V，T2管S極浮空，WL加20V的脈沖。使T2管FG上的自由電子被拉回漏區(qū)，T2變?yōu)榈烷_啟管，寫入“1”，完成擦除

編程:A點接20V，DL浮空，T2管S極接地，WL加20V的脈沖。使得T2管CG為20V形成溝道，其漏極亦接地，導(dǎo)致漏區(qū)的自由電子被強(qiáng)拉到FG。T2變?yōu)楦唛_啟管,寫入“0”，完成編程

讀出：A點接+3V，T2管S極接地，DL接讀出放大器RA，WL加+5V的脈沖。若T2不通導(dǎo)，說明它處于高開啟管狀態(tài)，RA讀出信息“0”，否則讀出信息“1”5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（4）EEPROM存儲芯片最小容量16Kb/片，最大容量64Mb/片按地址在線擦除和編程，信息保持時間，10年以上擦寫次數(shù)：104105（5）EEPROM優(yōu)缺點優(yōu)點可在線擦除和編程，可單地址擦除和編程因不需留擦除用的石英窗口，芯片封裝容易缺點集成度變低，同容量的EEPROM比SIMOSEPROM大10倍編程和擦除功耗都較大5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

5、FLASH——快閃存儲器（1）FLASH概述Flash存儲器1983年由Intel公司首先推出，商品化于1988年Flash存儲技術(shù)是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集成度從最初的每片64kb發(fā)展到現(xiàn)在的每片256Mb產(chǎn)品讀出速度也從300ns提高到45ns價格也不斷降低，從1991年的80$/Mb降到目前的每Mb不足0.5美元5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（1）FLASH概述優(yōu)點具有像EPROM一樣的單管位元結(jié)構(gòu)并沿用了傳統(tǒng)EPROM的熱電子隧道效應(yīng)的編程機(jī)制，尺寸小、集成度高、功耗低、不需要高壓編程又具有EEPROM在線冷電子F-N隧道效應(yīng)的擦除特點，可在線片擦除或塊擦除，可單地址編程是目前唯一具有大容量、非揮發(fā)性、低價格、可在線改寫和較高速度幾個特性共存的存儲器缺點不能單地址擦除，制造工藝復(fù)雜，價格較貴擦寫次數(shù)只有106次，速度最快45ns主要用途適用于在線編程的大容量、高密度存儲領(lǐng)域作為外設(shè)得到廣泛應(yīng)用5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（2）存儲位元結(jié)構(gòu)單管疊柵結(jié)構(gòu)ETOX（EPROMTunnelOxide）5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（3）存儲信息原理

編程

條件：CG、D接1220V；S接地

結(jié)果：發(fā)生熱電子隧道效應(yīng)，熱電子穿過隧道氧化層進(jìn)入FG，開啟電壓變高（7V），寫入“0”擦除條件：CG、D接地，S接1220V

結(jié)果：S與FG極間發(fā)生F-N隧道效應(yīng)，F(xiàn)G上電子被拽回源區(qū)，開啟電壓變低（2V以下），寫入“1”5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

（4）FLASH存儲芯片基本結(jié)構(gòu)：m字×8位/16位/32位引腳除多一個編程電源VPP外，同SRAM單地址編程時間為s、整片編程時間為s塊擦除時間為ms、整片擦除時間為s5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

非揮發(fā)性存儲芯片比較

芯片種類MROMPROMEPROMEEPROMFlash集成度32Mb512kb64Mb64Mb256Mb字位結(jié)構(gòu)4,8,164,88,168,16,328,16,32取數(shù)時間25~400ns3~100ns15~300ns35~300ns45~300ns擦除方法不能擦除不能擦除脫機(jī)紫外光片擦除在線電單元擦除在線電片或塊擦除編程方法掩模編程用戶按位元編程用戶按單元編程在線按單元編程在線按單元編程功耗20mW~1W500mW~1W100mW~1.8W100mW~250mW150mW左右編程電壓5~7V12~25V10~30V6~20V5.2.5、半導(dǎo)體只讀存儲器ROM

第5.3節(jié)按內(nèi)容尋址存儲器CAM5.3按內(nèi)容尋址存儲器CAM知識點了解CAM概述了解CAM存儲位元電路了解CAM重點掌握CAM的基本概念1、何謂CAM（ContentAddressedMemory）：依所存信息的全部或部分進(jìn)行尋址，然后再存取的隨機(jī)存儲器2、特點依內(nèi)容，找地址，然后再讀寫具有讀、寫、保持和與所有單元同時比較的四種功能5.3.1CAM概述3、為什么提出(引入)CAM

從數(shù)據(jù)塊中查找某數(shù)據(jù)，有兩種方法順序查找：用軟件實現(xiàn)，速度慢同時查找：被查找的數(shù)據(jù)同時和所有單元比較，相同給出標(biāo)志，用硬件實現(xiàn)、速度快網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)的連接人工智能計算機(jī)中的存儲器從數(shù)據(jù)塊中查找比某數(shù)據(jù)大的或小的數(shù)據(jù)，有否，有多少5.3.1CAM概述

使用橋接器：要發(fā)送信息源站名目的站名要傳信息

4、CAM在網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)的鏈接應(yīng)用舉例CAM1存以太網(wǎng)2的工作站名;CAM2存以太網(wǎng)1的工作站名以太網(wǎng)2工作站名1工作站名2工作站名3工作站名n-1…………以太網(wǎng)1工作站名1工作站名2工作站名3工作站名m-1…………橋接器CAM1CAM2CPU1CPU21、CAM的邏輯組成

(1)MM:信息的駐在地(3)MR:屏蔽不參與比較的位或不寫入的位(2)IR:存放關(guān)鍵字。亦稱比較數(shù)、比較字(4)FR:存放符合與否的標(biāo)志(5)AS:實現(xiàn)比較后選址(6)AR:地址寄存器(7)RR:接收讀出信息5.3.2CAM存儲位元電路2、CAM存儲位元電路⑴結(jié)構(gòu)組成①觸發(fā)器:寄存“1”或“0”信息。T1、T2、Rb1、Rb2、Rc1、Rc2構(gòu)成

②讀出門:T5、T6、T7(OC門)構(gòu)成,讀出時高為“1”,低為“0”③比較器:四個二極管和T3、T4構(gòu)成5.3.2CAM存儲位元電路①或W為低：保持原存信息不變②

、D比較數(shù)的0、1端的輸入(比較數(shù)寄存器某位的0、1端)。D為高，說明比較數(shù)相應(yīng)位為“1”，否則為“0”

⑵工作原理假定:T1通(C1點低)、T2止(C2點高)存“1”T1止(C1點高)、T2通(C2點低)存“0”③若輸入信息與位元中信息相同，C輸出為低電平，否則為高電平，邏輯表達(dá)式為：C1?D+C2?位元中的數(shù)為“0”：C1高,C2低;為“1”：C1低,C2高比較數(shù)的位為“0”：D低,

高;為“1”：D高,低

位元中的數(shù)為“0”：C1高,C2低；為“1”:C1低,C2高比較數(shù)的位為“1”：D高,低；為“0”:D低，高5.3.2CAM存儲位元電路5.3.3CAM1．邏輯組成4字×4位線選法CAM邏輯簡圖5.3.3CAM2．工作原理（1）寫入：當(dāng)為低電位時，可向CAM寫入不屏蔽，M0~M3都為低電位，允許數(shù)據(jù)D0~D3寫入，在字驅(qū)動脈沖時，則將4位數(shù)據(jù)并行寫入地址單元如要屏蔽第i位，使其保留原來信息，則加高電位，第i位數(shù)據(jù)被屏蔽，不允許寫入，其它位允許寫入（2）讀出：為高電位，可從CAM讀取數(shù)據(jù)。在字驅(qū)動脈沖時，打開讀出門T6。將地址單元中4位數(shù)據(jù)并行讀出，再經(jīng)“線或”門輸出到Ri（3）比較：為高電位、M0~M3為低電位時，CAM執(zhí)行全位比較若第i字4位都相符，該字給出符合信號，Ci為高電位否則Ci為低電位，表示不符合（4）保持：當(dāng)為高電位，CAM處于保持狀態(tài)5.3.3CAM3．CAM特點可并行對存儲器所有單元的所有位同時進(jìn)行比較利用CAM的屏蔽寄存器可實現(xiàn)對存儲器所有單元的一位或部分位同時進(jìn)行比較，使CAM變得更加靈活方便CAM存儲位元、存儲器結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，造價比較高，功耗也比較大第5.4節(jié)內(nèi)存儲器的設(shè)計5.4、內(nèi)存儲器設(shè)計知識點了解內(nèi)存儲器設(shè)計的原則和方法理解內(nèi)存儲器設(shè)計中的有關(guān)問題存儲容量的擴(kuò)展負(fù)載計算速度估算與CPU的連接理解DRAM刷新重點掌握內(nèi)存儲器設(shè)計5.4、內(nèi)存儲器設(shè)計SCM的設(shè)計目的：利用半導(dǎo)體存儲芯片和其它邏輯芯片，構(gòu)成所需要的存儲器由存儲芯片（mk×n位/片）構(gòu)成存儲器（Mk×N位）其它邏輯芯片：例如地址寄存器、地址譯碼器、刷新控制電路等

5.4.1、設(shè)計存儲器的原則和方法一般原則根據(jù)使用要求，結(jié)合實際條件進(jìn)行設(shè)計，使其具有良好的性能價格比使用要求存儲器的性能指標(biāo)：速度、容量、字長存儲器的性質(zhì)：主存、Cache、CM DRAM、SRAM、ROM存儲器的環(huán)境條件：溫度、濕度、船載、機(jī)載實際條件現(xiàn)有芯片：集成度、速度、功耗、字位結(jié)構(gòu)技術(shù)條件：測試條件、設(shè)計水平生產(chǎn)工藝：測試、組裝、加工等技術(shù)水平設(shè)計的方法步驟1、系統(tǒng)設(shè)計（提出總體方案）提出存儲器的性能指標(biāo)和功能要求字長、容量、存取時間、存儲周期、使用場合總線寬度、控制方式、糾檢錯能力、環(huán)境條件確定存儲結(jié)構(gòu)組成和外圍電路，芯片類型存儲芯片類型：SRAM、DRAM、BiRAM、ROM外圍芯片類型：ECL、TTL、MOS、CMOS選址方法：重合法、線選法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多體、單體，編址方式5.4.1、設(shè)計存儲器的原則和方法設(shè)計的方法步驟2、邏輯設(shè)計（實施總體方案）重點！容量擴(kuò)展 負(fù)載計算與分析速度估算糾檢錯邏輯設(shè)計：提高可靠性3、工藝設(shè)計（工程實現(xiàn)）印刷電路板的尺寸、層次、走線要求機(jī)加工、電裝配的要求工藝規(guī)程、考核條件器件老化、測試、篩選條件及參數(shù)的確定5.4.1、設(shè)計存儲器的原則和方法5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計1、存儲容量的擴(kuò)展位擴(kuò)展存儲芯片(mk×n位/片)構(gòu)成存儲器(mk×N位)字?jǐn)U展存儲芯片(mk×n位/片)構(gòu)成存儲器(Mk×n位)字位同時擴(kuò)展存儲芯片(mk×n位)構(gòu)成存儲器(Mk×N位)注意：m<M，n<N1、存儲容量的擴(kuò)展位擴(kuò)展存儲芯片(mk×n位/片)構(gòu)成存儲器(mk×N位)特點：存儲單元個數(shù)不變，字長加長；即芯片地址碼位數(shù)與存儲器的地址碼位數(shù)相同，每個存儲單元中所含存儲位元數(shù)增加。給出地址后，所有芯片均工作需存儲芯片數(shù)：N/n片例如：由16K×8位的芯片組裝成16K×32位存儲器需要：32/8＝4（片）芯片間各端點（引腳）如何連接地址端，-CS、-WE、-OE端（若有）：分別并接數(shù)據(jù)輸入、輸出端：各位單獨引出5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計1、存儲容量的擴(kuò)展位擴(kuò)展（注意信號線的連接，圖中D、Q無復(fù)用）5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計1、存儲容量的擴(kuò)展字?jǐn)U展存儲芯片(mk×n位/片)構(gòu)成存儲器(Mk×n位)特點：存儲單元個數(shù)增加，字長不變；即芯片地址碼位數(shù)小于存儲器的地址碼位數(shù)，芯片和存儲器二者的存儲單元中所含位元數(shù)相同。給出地址后，選中芯片工作需存儲芯片數(shù)：M/m例如：由32K×8位的芯片組裝成128K×8位存儲器需要：128K/32K＝4（片）芯片間各端點如何連接A、-WE、-OE(若有)、數(shù)據(jù)輸入輸出端：分別并接-CS：單獨引出。與增加的高位地址碼（存儲器地址碼位數(shù)減芯片的地址碼位數(shù)）的譯碼結(jié)果連接5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計1、存儲容量的擴(kuò)展字?jǐn)U展5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計1、存儲容量的擴(kuò)展字、位同時擴(kuò)展存儲芯片(mk×n位)構(gòu)成存儲器(Mk×N位)特點：存儲單元個數(shù)，字長同時增加，即存儲器地址碼位數(shù)多于芯片地址碼位數(shù)，存儲器存儲單元中位元數(shù)大于芯片存儲單元中位元數(shù)。給出地址，同行芯片工作需芯片數(shù)：M/m

N/n例如：由16K×4位的芯片組裝成128K×32位存儲器需要：128K/16K

32/4＝8×8＝64（片）芯片間各端點的連接A、-WE、-OE(若有)：分別并接-CS：位向(同行)并接，字向(不同行)獨立引出D、Q：字向(同列)并接，位向(不同列)獨立引出5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計字、位同時擴(kuò)展5.4.2、存儲器的邏輯設(shè)計2、負(fù)載計算驅(qū)動與負(fù)載的有關(guān)問題存儲器的邏輯設(shè)計中，外圍電路芯片是驅(qū)動，存儲芯片的各端點就是負(fù)載邏輯電路的負(fù)載能力