重庆大学数电(唐治德版)第9章 半导体存储器

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第9 章

半导体存储器

半导体存储器(简称存储器)是存储大 量二进制数据的逻辑部件。它是数字系统， 特别是计算机，不可缺少的组成部分。存 储器的容量越大，计算机的处理能力越强， 工作速度越快。因此，存储器采用先进的 大规模集成电路技术制造，尽可能地提高 存储器的容量。

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本章介绍常用的半导体存储器的结构、 工作原理和使用方法。 9.1 半导体存储器基础 9.2 随机存取存储器(RAM) 9.3 只读存储器(ROM)

9.4 闪存(Flash Memories) 9.5 存储器容量的扩展back

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9.1 半导体存储器基础9.1.1 半导体存储器的结构框图存储器由寻址电路、存储阵列和读写电路组成。CS R/W

A0. . .

An-1

寻址 字线 电路

存储 阵列

位线

读写 电路

D0. . .

Dm-1

图9.1.1 半导体存储器结构框图 存储1或0的电路称为存储单元，存储单元的集合形成存储阵列 (通常按行列排成方阵)。back

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二进制数据以信息单位(简称为字)存储 在存储阵列中。最小的信息单位是1位(Bit), 8位二进制信息称为1个字节(Byte),4位二进制 信息则称为1个半字节(Nibble)。 为便于对每个信息单位(字)进行必要的操作， 存储阵列按字组织成直观的存储结构图。

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例如，图9.1.2是一个64位存储阵列分别按8位、4位和1位字组织的 存储结构图和存储的示例数据。每个存储单元的位置由行序号和列 序号唯一确定。每个字的位置(行序号)称为它的地址，用二进制 码表示(An-1…A1A0);列序号表示二进制位在每个字中的位置。例 如，按4位组织的、地址为14的字存储单元的信息是1110。7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 · · · 1 · · · 1 0 0 0 1 2 · · · 0 1 0 · · ·

2 0 0 1 0 0 0 0 03 0 0 0 1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 0 0 1 0 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 7 0 0 0 0 0 0 0 1 8 字╳8 位

· · · 14 1

62 0 63 1 64 字╳1 位 back

15 1 1 1 1 16 字╳4 位

8 位、 4 位和1 位字组织的存储结构图 图 9.1.2 64 位存储阵列分别按

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存储单元的总数定义为存储器的容量，它等于 存储器的字数和每字位数之积。例如，10位地 址码，每字8位，则存储容量为210 Bytes =1024Bytes=1kB=8kbits。计算机存储器的容 量通常是512MB(1MB=220B)或1GB(=230B)。

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存储器具有2种基本的操作：写操作和读操作。写操作(亦称为存数操作):输入地址码An-1…A1A0,寻 址电路将地址转换成字线上的有效电平选中字存储单元。 在片选信号CS有效(通常是低电平)和读写信号为低电平 时，读写电路通过存储阵列的位线将数据总线上的m位数 据Dm-1…D1D0写入选中的字存储单元中保存(设存储阵 列按每字m位组织)。

读操作

(亦称为取数操作):输入地址码An-1…A1A0,寻 址电路将地址码转换成字线上的有效电平选中字存储单元。 在片选信号CS有效(通常是低电平)和读写信号为高电平 时，读写电路通过存储阵列的位线，将选中的字存储单元 的m位数据输出到数据总线上Dm-1…D1D0(设存储阵列 按每字m位组织)。 back

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在复杂的数字系统(例如数字计算机)中，多个 功能电路间利用一组公共的信号线(导线或其他传导 介质)实现互连，并分时传输信息，这样的一组信号 线称为总线。

对于存储器， 数据总线Dm-1…D1D0是双向总线(输入/输出，常 用表示I/Om-1,…,I/O1,I/O0),而 地址总线An-1…A1A0和控制总线(CS,)则是单向 总线(输入)。

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9.1.2 半导体存储器的分类按功能，存储器分为只读存储器、随机读写存储 器(或称为存取存储器)和闪存。

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工作时只能快速地读取已存储的数据、而不能快速地随时 写入新数据的存储器称为只读存储器(ROM—Read Only Memory)。即只读存储器的写操作时间(毫秒级)远比读操 作时间(纳秒级)长，数据必须在工作前写入存储器，上 电工作后只能从存储器中读出数据，才不影响数字系统的 工作速度。 随机读写存储器(RAM)的写操作时间和读操作时间相当 (都是纳秒级),工作时能够随时快速地读出或写入数 据。即工作时读写存储器具有存入和取出数据 2种功能。 闪存(Flash Memory)工作时可以进行读或写操作，但闪 存的每个存储单元写操作时间长，不能随机写入数据，适 合对众多存储单元批量地写入数据。back

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按寻址方式，存储器分为顺序寻址存储 器和随机寻址存储器。

顺序寻址存储器是按地址顺序存入或读出数据， 其存储阵列的存储单元连接成移位寄存器。有先 进先出(FIFO—First In First Out)和先进后 出(FILO-- First In Last Out)2种顺序寻址存 储器。随机寻址存储器:可以随时从任何一个指定地 址写入或读出数据的存储器。随机寻址存储器的 寻址电路通常采用1个或2个译码器(称为地址译 码器，见9.2节)。back

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采用随机寻址方式的随机读写存储器称为随 机存取存储器(RAM—Random Access Memory)。只读存储器(ROM)和闪存也采用 随机寻址方式。

存储器还可分为易失型存储器和非易失型存储 器。如果掉电(停电)后数据丢失，则是易失 型存储器；否则，是非易失型存储器。RAM是易 失型存储器，而ROM和闪存是非易失型存储器。back

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部分存储器的寻址方式和功能归 纳如表9.1.1。存储器 功能 寻址方式 掉电后 说 明 随机存取存储器(RAM) 读、写 只读存储器(ROM) 读 随机寻址 数据丢失 随机寻址 数

据不丢失 工作前写入数 据

闪存(Flash Memory)

读、写

随机寻址 数据不丢失顺序寻址 数据丢失 顺序寻址 数据丢失

先进先出存储器(FIFO) 读、写 先进后出存储器(FILO) 读、写

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9.2 随机存取存储器(RAM)

存储单元是存储器的核心。根据存储单元 记忆0或1的原理，随机存取存储器分为静态随 机存储器(SRAM—Static RAM)和动态随机存 取存储器(DRAM—Dynamic RAM)。按所用元件 的不同，分双极型和MOS型两种。鉴于MOS电路 具有功耗低、集成度高的优点，目前大容量的 存储器都是MOS型存储器。back

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9.2.1 静态随机存取存储器(SRAM)1. SRAM的静态存储单元SRAM的存储单元是用基本RS触发器记 忆0或1的静态存储单元。图9.2.1是六管 CMOS静态存储单元和读写电路。

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读写电路CS & R/W & T8 Xi G1 G2

Dk G3

T1~T4构成CMOS基本 RS触发器，存储0或1。 T5和T6是行字线Xi 开关管导通时传递0或1, 截止时为高阻态。 T7和T8则是列字线Yj存 储 单 元

Yj VDD T4 T2 Q

T7

QT6 T3 Bj G 位线 G

T5T1 Bj B

D

S D、S可互换 图9.2.1 六管CMOS静态存储单元和读写电 路 back