1、第5章半导体存储器 5 1半导体存储器概述5 2随机存储器5 3只读存储器5 4存储器与CPU的连接5 5存储体系的基本知识5 6内存条 5 1半导体存储器概述5 1 1半导体存储器的分类和特点目前的计算机都是基于程序存储和程序控制 故计算机中就有一种记忆部件来存放程序和数据 这个重要的记忆部件就是存储器 其存取速度是计算机整个系统速度的重要影响因素之一 也是衡量计算机系统能力的一个重要指标 因半导体存储器具有速度高 功耗低 成本较低 体积小及集成度大的优点 现被计算机广泛作为主存 内存 使用 5 1半导体存储器概述半导体存储器的大致综合分类 1 双极型RAM2 MOS型RAM 1 SRAM
2、2 DRAM3 掩膜式ROM4 可编程式ROM5 可擦除可编程ROM6 电可擦除可编程ROM7 快闪存储器FlashMemory 5 1半导体存储器概述5 1 2半导体存储器的性能和指标1 容量半导体存储器的生产是以芯片为单位的 容量是指一块存储器芯片所能存储的二进制位数 通常用N M位表示 意义为芯片中有N个存储单元 每个单元有M个位 如1024 4位 1K 4位 表示该片芯片有1024个存储单元 每个单元可存储4个位 芯片的地址线的条数与N值的大小密切相关 芯片的数据线则与M的值的大小密切相关 如1024 4位即1K 4位 在理论上芯片就需要10根地址线 4根用于输入 输出的数据线 或在逻
3、辑上与此等效根数的地址线和数据线 在这里要注意单位的换算 1GB 1024MB 1MB 1024KB 1K 1024B 5 1半导体存储器概述2 存取速度存取速度一般用存取周期和存取时间来表示 存取时间是指写入操作和读出操作所占用的时间 单位一般用ns 纳秒 表示 3 功耗有两种表示方法 一种是指存储器芯片中每个存储单元所消耗的功率 单位为 W 另一种是按每片存储器芯片的所消耗的总功率来表示 单位为mW 4 电源电源指存储器芯片工作时所需的供电电压的种类 有单一的 5V压 也有的要多种电压才能工作 如 5V 12V等 5 1半导体存储器概述5 1 3半导体存储器芯片的功能结构和工作过程 图5
4、1存储器芯片的一般结构 5 2随机存储器 5 2 1静态RAM原理静态RAM的每个存储位单元由6个MOS管构成 故静态存储电路又称为六管静态存储电路 图为六管静态存储位单元 5 2随机存储器 5 2 2静态RAM芯片介绍1 Intel2114芯片Intel2114芯片内部结构 5 2随机存储器 Intel2114芯片的外部引脚 5 2随机存储器 2 Intel6116芯片Intel6116芯片内部结构 5 2随机存储器 2 Intel6116芯片的外部引脚 5 2随机存储器 5 2 3动态RAM原理如图所示就是一个单管动态RAM的基本位存储单元原理图 它由一个MOS管T1和位于其栅极上的分布电
5、容CS构成 当其栅极电容CS上充有电荷时 表示该存储单元保存信息 1 反之 当其栅极电容CS上没有电荷时 表示该单元保存信息 0 由于栅极电容CS上的充电与放电是两个完全相反的两个状态 故可将它作为一种基本的位存储单元 5 2随机存储器 5 2随机存储器 5 2 4动态RAM芯片介绍Intel2164A是一种采用单管存储电路的64K 1位动态RAM存储器芯片 其他与此类似的芯片还有Intel21256 21464等 1 Intel2164A的内部结构 5 2随机存储器 2 Intel2164A的外部结构 5 3只读存储器 5 3 1只读存储器原理1 掩膜ROM原理 如图所示 是一个4 4位 单
6、译码方式 MOS管的ROM存储阵列 地址输入线为两条 可接收两位地址信息 经过字地址译码器译码后 输出4条字线 字选择线 当字线选中一个字 每一条位线的输出就是该字的对应位 5 3只读存储器 2 可编程ROM原理掩膜ROM的存储单元所保存的信息在ROM芯片在工厂生产完成之后就被固定下来了 用户自己无法固定要保存的信息 这给使用者带来了极大的不便 为了解决这个问题 厂商设计和制造了一种可由用户自己固定要保存的信息的ROM芯片 即用户可通过简易写入设备向ROM写入要保存的信息 这种芯片就是可编程的ROM 又称为PROM ProgrammableROM 5 3只读存储器 PROM的类型有多种 我们以
7、双二极管破坏型4 4位的PROM存储阵列为例来说明其存储原理 如图 5 3只读存储器 3 可擦除可编程ROM原理可擦除可编程的ROM又称为EPROM ErasableProgrammableROM 常用浮栅型的MOS管作为基本的位存储单元 可分N沟道和P沟道两类 这里以P沟道为例来说明其基本的位存储单元的结构和工作原理 如图 5 3只读存储器 4 电可擦除可编程序ROM原理电可擦除可编程序的ROM也称为EEPROM ElectronicErasableProgrammableROM 即E2PROM 典型的芯片有2816 2817 2864等 E2PROM的结构示意图如图 5 3只读存储器 5
8、3 2只读存储器芯片介绍Intel2716芯片是一种2K 8的EPROM存储器芯片 双列直插式封装 24个引脚 其最基本的存储单元就是采用如上所述的带有浮栅的MOS管 其他的典型芯片有Intel2732 27128 27512等 5 3只读存储器 Intel2716芯片的工作方式 5 4存储器与CPU的连接 在微机系统中 CPU对半导体存储器进行访问 读写操作 CPU先要由地址总线向存储器给出地址信号 选择要进行读 写操作的存储单元 然后通过控制总线发出相应的读 写控制信号 最后才能在数据总线上进行数据交换 所以 存储器芯片与CPU之间的连接 实质就是其与系统三总线的连接 即与地址线 数据线和
9、控制线的连接 5 4 1设计连接时需要注意的问题在连接设计中一般要考虑的问题有以下几个方面 1 CPU总线的负载能力问题2 CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题3 片选和存储器的地址分配问题4 读 写控制信号的连接问题 5 4存储器与CPU的连接 5 4 2最简单的连接设计最简单的情况就是一片CPU与一片能负载得起的一片容量足够的存储器芯片的连接 5 4 3位扩充的连接设计在应用系统中 往往会出现单片的存储器的数据线的位数不能满足系统的数据总线的数据位数要求 此时就需要进行位扩充 即将多片存储器芯片 并联 起来使用 达到满足系统数据总线的要求 5 4 4字扩充的连接设计除了位扩充外 在
10、应用系统中往往还会出现单片的存储器的字数容量无法满足系统的总字数容量的要求 此时就需要进行字扩充 即将多片存储器芯片 串联 起来使用 达到满足系统对存储器总字数容量的要求 5 4 5字与位同时扩充的连接设计在应用系统中 往往会出现单片的存储器的字长和字数容量都无法满足系统的总字长和总字数容量的要求 此时就需要同时对字和位进行扩充 即将多片存储器芯片 串 并联 起来使用 达到满足系统对存储器总字长和总字数容量的要求 5 5存储体系的基本知识 5 5 1多层存储体系为了既要降低微机存储器的整体成本 又要保证微机存储器的相对较高的存取速度 现代微机存储系统普遍采用如图5 24所示的Cache 内存
11、主存 外存 辅存 的多层存储体系结构 5 5存储体系的基本知识 5 5 2Cache和虚拟存储器1 CacheCache是一种高速存储器 其读写速度几乎能够与CPU进行匹配 可以使微机系统的存取速度大大提高 因Cache的容量相对内存的容量来说非常小 所以并未对整个存储器系统的成本带来什么增加 CPU对于Cache的基本操作可分读操作和写操作 2 虚拟存储器所谓虚拟存储器 就是当CPU运行一个大于实际内存容量的程序的情况下 实际内存不够时 计算机系统将一部分外存当作虚拟的内存来使用 这部分外存就是虚拟存储器 5 5存储体系的基本知识 5 5 3PentiumCache技术简介为了提高CPU访问
12、存储器的速度 Intel公司从486开始 就在CPU中设计了内置一定容量的数据Cache和指令L1Cache 甚至还可以使用CPU外部的第二级L2Cache PentiumPro在片内采用第一级L1Cache的方案 即分别设置了指令Cache与数据Cache 指令Cache的容量和数据Cache的容量均为8KB 对于第二级L2Cache 它还采用了内嵌式或捆绑式的L2Cache 大小为256KB或512KB PentiumII是PentiumPro的改进型 同样有2级Cache L1为32KB 指令和数据Cache各16KB 是PentiumPro的两倍 L2为512KB 此时 L2Cache
13、已不在内嵌芯片上 而是与CPU通过专用64位高速缓存总线相联 与其他元器件共同被组装在同一基板上 即 单边接触盒 上 PentiumIII也是基于PentiumPro结构为核心 但它具有非锁定的32KBL1Cache和512KBL2Cache L2Cache可扩充到1MB 2MB之多 具有更合理的内存管理效果 能有效地对大于L2Cache容量的数据块进行处理 使CPU Cache和主存的存取协调更趋合理 系统整体性能大幅提高 5 6内存条 内存条是微机中存储器安装和使用的最小单位 本节对微机内存条的连接特性 分类 性能和应用等进行了简要介绍 内存是微机系统中一个非常重要的部件 在微机系统中 将
14、内存芯片封装后来安装在一小条印制电路板上 这就是所谓的内存条 有了内存条 微机内存的出售 安装和拆卸都非常方便 从IBMPC直接将内存芯片安装在主板上 到386出现的内存条 直到今天Pentium 使用的内存条 已经有了很大变化和发展 5 6内存条 5 6 1内存条的连接特性1 内存条与主板的插槽分类DIP DoubleIn linePachage 双列直插式封装的RAM 早期的IBMPC8086 8088 80286等主板采用此种插槽 SIMM SingleIn lineMemoryModule 单列直插存储模块 80286 386 486主板普遍采用此种插槽 DIMM DoubleIn l
15、ineMemoryModule 双列直插存储模块 Pentium级的主板普遍采用此种插槽2 内存条引线分类所谓内存条的引线 是指内存条与主板插接时有多少个导线连接点 也就是所谓的 金手指 的个数 内存条的引线有30线 72线 168线和184线之分 早期30线内存条 其接口宽度即数据线只有8位 而72线的内存条是32位的数据线 168线的则是64位数据线 5 6内存条 5 6 2内存条芯片的封装1 BLP封装BLP BottomLeadedPlastic 即底部引出塑封技术 是新一代最常见的封装技术 其芯片面积与封装面积之比大于1 1 1 符合CSP ChipSizePackage 填封装规范
16、 此种封装不仅面积和高度都极小 制造成本也不高 而且电气特性也进一步得到了提升 现广泛用于SDRAM RDRAM DDR等新一代内存制造上 2 uBGA封装uBGA MicroBallGridArray 即微型球栅阵列封装 是Tessera的独家专利技术 其芯片面积与封装面积之比大于1 1 14 非常适合高频状态下的RDRAM的封装 因其制造成本极其高昂 目前主要用于RDRAM芯片的生产 3 TinyBGA封装TinyBGA TinyBallGridArray 即小型球栅阵列封装 是KingMax的专利 也说是BGA封装技术的一个分支 其芯片面积与封装面积之比不小于1 1 14 应用范围并不广
17、泛 5 6内存条 5 6 3内存条的分类与发展1 FPMRAM FastPageRAM 2 EDORAM ExtendedDataOutRAM 3 BEDORAM BurstExtendedDataOutRAM 4 SDRAM SynchronousDRAM 5 SPDSDRAM6 DDRSDRAM DoubleDataRageSDRAM 7 RDRAM RambusDRAM 8 ECC内存 ErrorCorrectionCoding或ErrorCheckingandCorrecting 9 CDRAM CachedDRAM 10 DRDRAM DirectRambusDRAM 11 SLDR
18、AM SynchronousLinkDRAM 12 VCM VirtualChannelMemory 5 6内存条 5 6 4内存条的性能指标1 速度内存条的速度一般用存取一次数据的时间 单位一般用ns 来作为性能指标 时间越短 速度就越快 2 容量内存条容量大小有多种规格 早期的30线内存条有256KB 1MB 4MB 8MB等容量 72线的EDO内存条则多为4MB 8MB 16MB等容量 168线的SDRAM内存条为16MB 32MB 64MB 128MB 256MB等容量 而184线的DDRDRAM内存条为128MB 256MB容量 甚至更高 3 工作电压FPM内存条和EDO内存条均使用5V电压 SDRAM则使用3 3V电压 而DDRSDRAM采用2 5V工作电压 4 奇偶校验奇偶检验是校验存取数据是否准确无误 内存条中每8位容量能配备1位作为奇偶校验位 并配合主板的奇偶校验电路对存取的数据进行正确校验 5 6内存条 5 6 5内存条的应用1 正确选择内存条插槽和引线2 正确设置内存条的工作电压3 成组地使用同规格的内存条4 内存条的速度要略高于主板的要求5 正确设置CAS的延迟时间6 正确识别内存条的标记7 正确的安装内存条8 正确使用和设置校验
