微机原理与接口技术学习笔记 半导体存储器的基

存储器是计算机系统中必不可少的组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息——程序和数据。根据其在计算机系统中的地位可分为内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存），内存储器又称为主存储器（简称主存），外存储器又称为辅助存储器（简称辅存）。内存储器通常由半导体存储器组成，而外存储器的种类较多，通常由磁盘存储器、光盘存储器及磁带存储器等组成。

    3.1.1 半导体存储器的分类

    半导体存储器的特点是：（1）速度快、存取时间可为ns级；（2）集成化，不仅存储单元所占的空间小，而且译码电路和缓冲寄存器以及存储单元都制作在同一芯片中，体积特别小；（3）非破坏性读出，特别是半导体静态存储器，不仅读操作不破坏原来的信息，而且不

需要再生，这样既缩短了读写周期，又简化了控制操作。

    从器件组成的角度来分类，半导体存储器可分为单极型存储器和双极型存储器两种。双

极型存储器是用TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）电路制成的存

储器，其特点是速度快、功耗不大，但集成度较低；单极型存储器是用MOS（MetaOxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）电路制成的存储器，其特点是集成度高、功耗低、价格便宜，而且随着半导体集成工艺和技术的长足进展，目前MOS存储器的速度已经

可以同双极型TTL存储器媲美。

    从存储器工作特点、作用和制作工艺的角度来看，又可分为如下几种：

    1．随机存取存储器 RAM（Random Access Memory）

    RAM的特点是存储器中信息能读能写，且对存储器中任一存储单元进行读写操作所需时间基本上是一样的，RAM中信息在关机后即消失。又可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。

    （1）SRAM。SRAM是利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”，最简单的TTL电路组成的SRAM是由两个双发射极晶体管和两个电阻构成的触发器电路；而MOS管组成的单极型SRAM是由6个MOS管组成的双稳态触发电路。SRAM的特点是只要电源不撤除，写入SRAM的信息将不会消失，不需要刷新电路。同时再读出时不破坏原存信息，一经写入可多次读出。SRAM的功耗较大，容量较小，存取速度较快。

    （2）DRAM。DRAM是利用MOS管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以储存电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1” 和“0”。DRAM的每个存储单元所需的MOS管较少，可以由4管、3管和单管MOS组成，因此DRAM的集成度较高、功耗也低。但缺点是保存在DRAM中的信息——MOS管栅极分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，一般信息保存时间为2ms左右。为了保存DRAM中的信息，每隔1ms～2ms要对其刷新一次，因此采用DRAM的计算机必须配置刷新电路。另外，DRAM的存取速度较慢，容量较大。一般微机系统中的内存都采用DRAM。

    2．只读存储器（Read only Memory）

    ROM的特点是用户在使用时只能读出其中信息，不能修改和写入新的信息，存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时一次性写入，ROM中的信息在关机后不会消失。这种ROM称为掩膜ROM（Masked ROM）。此外，ROM还有如下几种类型。

    （1）PROM（Programmable ROM，可编程ROM）。PROM中的程序和数据是由用户自行写入的，但一经写入，就无法更改，是一次性写入的ROM。

    （2）EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）EPROM可由用户自行写入程序和数据，写入后的内容可由紫外线照射擦除，然后可重新写入新的内容，EPROM可多次擦除，多次改写。这种由紫外线擦除的EPROM可写为UVEPROM（UVUltra Violet）。

    （3）E2PROM（E1ectrically Erasable Programmable ROM电可擦除可编程ROM）。可用电信号进行清除和改写的存储器，使用方便，芯片不离开插件板便可擦除或改写其中的数据。又可表示为EEPROM或 EAPROM（Electrically Alterable ROM，电可改写的ROM）。

E2PROM使用方便，但存取速度较慢，价格较贵。

    3.1.2  半导体存储器的主要技术指标

    1.存储容量

    一个半导体存储器芯片的存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存

储地址寄存器MAR的编址数与存储字位数的乘积表示。例如，某存储器芯片的MAR为16位，存储字长为8位，则其存储容量为2∧16 *8位=64K*8位，64K即16位的编址数；20位MAR的编址数为1M。图3-1中M位地址总线、N位数据总线的半导体存储器芯片的存储容量为2∧M * N位。   

 图3-1 内存储器的墓本结构

    对于一个微机系统而言，有关存储容量还需搞清两个概念，一个是由系统地址总线决定的内存最大容量，另一个是内存的实际装机容量，例如，一个PC486机，其地址总线为32位，

则内存允许的最大容量为2∧32=4GB，而实际装机容量可能只有4MB或2MB。

    2．存储速度

    存储器的存储速度可以用两个时间参数表示，一个是“存取时间”（access rime）Ta，

定义为从启动一次存储器操作，到完成该操作所经历的时间。例如，在存储器读操作时，从

给出读命令到所需要的信息稳定在MDR（存储数据寄存器）的输出端之间的时间间隔，即为“存取时间”，另一个是“存储周期”（Memory Cycle）Tmc，定义为启动两次独立的存储器操作之间所需的最小时间间隔。通常存储周期Tmc略大于存取时间Ta。存储速度取决于内存储器的具体结构及工作机制。

    3．可靠性

    存储器的可靠性用MTBF（Mean Time Between Failures），平均故障间隔时问来衡量，

MTBF越长，可靠性越高，内存储器常采用纠错编码技术来延长MTBF以提高可靠性。

    4．性能/价格比

    这是一个综合性指标，性能主要包括上述三项指标——存储容量、存储速度和可靠性。对不同用途的存储器有不同的要求。例如，有的存储器要求存储容量，则就以存储容量为主，有的存储器如高速缓冲器，则要求以存储速度为主。

    3.1.3 内存储器的基本结构

    计算机系统中内存储器的基本结构如图3-1所示，图中还画出了内存储器与CPU的连接和信息在其间流动的概貌。

    图3-1中，虚线框为内存储器，其中MB为存储体，是存储单元的集合体，内存储器通过M位地址线、N位数据线和一些有关的控制线同CPU交换信息。 M位地址线用来指出所需访问的存储单元的地址，N位数据线用来在CPU与内存之间传送数据信息，而控制线用来协调和控制CPU与内存之间的读写操作。当CPU启动一次存储器读操作时，先将地址码中CPU通过地址线送入地址寄存器MAR，然后是控制线中的读信号线READ线有效，MAR中地址码经过地址译码后选中该地址对应的存储单元，并通过读写驱动电路，将选中单元的数据送入数据寄存器MDR，然后通过数据总线读入CPU。

    3.1.4 存储器中的数据组织

    计算机系统中，作为一个整体一次存放或取出内存储器的数据称为“存储字”，例如8位机的存储字是8位字长（即一个字节）；16位机的存储字是16位字长；32位机的存储字是32位字长……。在现代计算机系统中，特别是微机系统中，内存储器一般都以字节编址，即一个存储地址对应一个8位存储单元。这样一个16位存储字就占了两个连续的8位存储单元。在Intel 80X86系统中，16位存储字或32位存储字的地址是2个或4个存储单元中最低端的存储单元中的地址，而此最低端存储单元中存放的是32位字中最低8位。例如，32位存储字12345678H存放在内存中的情况如图3-2（a）所示，占有24300H～24303H4个地址的存储单元，其中最低字节78H存放在24300H中，则该32位存储字的地址即24300H。32M存储字在内存中的存放情况也有相反排列的情况、如在Motorola的680X0系统中，该32位存储字的存放情况如图3-2（b）所示，最高8位信息12H存放在最低地址24300H，32位存储字的地址24300H指向最 高8位的存储单元。