计算机组成结构—半导体存储器

计算机组成结构—半导体存储器

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_74098337/article/details/137507009

半导体存储器是计算机系统中不可或缺的组成部分，它负责存储程序和数据，支撑着计算机的正常运行。从早期的固定掩模型ROM到现代的闪存技术，半导体存储器经历了巨大的发展。本文将带你深入了解半导体存储器的分类、工作原理和特点，帮助你更好地理解计算机硬件的工作机制。

半导体存储器主要分为两大类：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM是一种可读/写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。

RAM按照存储信息的原理不同，又可以分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。主存储器主要由DRAM实现，靠近处理器的那一层缓存（Cache）则由SRAM实现，它们都是易失性存储器。ROM是非易失性存储器。

采用超大规模集成电路制造工艺，可以将半导体存储器集成在一个芯片上，一个芯片内主要包括了具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读/写电路等。主存中各个存储单元的空间位置，是由一个地址号来表示的；通过地址总线可以给定一个存储单元的地址号，从而根据地址读出或者写入一个存储字。

译码驱动与读/写电路

译码驱动：将地址总线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号，该信号在读/写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作。

读/写电路：包括读出放大器和写入电路，用来完成读/写操作。存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。地址线和数据总线共同反映了芯片的存储容量。比如，10根地址线，4根数据线，表示芯片的存储容量（单位为位）为：×4=4Kib。

• 地址线是单向输入的，其位数与芯片存储容量有关。
• 数据线是双向输入的，其位数与芯片每次可读出或写入的数据位数有关，从而也影响到存储容量。
• 控制线包括了读/写控制线和片选线。读/写控制线决定芯片进行的具体操作，片选线用来选择芯片。不同的存储芯片的控制线可能是不同的，有的芯片读/写控制线是两根（引脚名称一般是和），有的芯片则读/写共用一根（引脚）；片选线一般是一根（引脚或），也有可能是两根。

半导体存储芯片的译码驱动，主要有两种方式：线选法和重合法。

• 线选法：是用一根字选择线（字线），直接选中一个存储单元的各位。这种方式结构比较简单，不过只适合用于容量不大的存储芯片。
• 重合法：用两个方向的地址，共同决定选中存储矩阵中的一个存储单元。相比“一维”的线选法，重合法就升级到了“二维”，可以用更少的选择线实现对所有存储单元的选择。

上面是一个采用线选法译码驱动的存储芯片结构示意图。这个芯片有8位地址线和8位数据线，所以有=256个存储字，需要256根字线来实现选中每个存储字。如果采用重合法，则可以使用X、Y两个方向的地址译码器分别对4位地址进行译码，只需要两个方向各16根选择线，就可以直接选中16×16存储矩阵中的每一位。

当然，在这个示例中，如果用重合法实现256个字节（256×8）的存储器，需要使用8片上面结构的芯片，这样一来总的选择线并没有更少。不过如果考虑更大容量的存储器，比如地址线有32位、数据线仍为8位时，则线选法需要根字线；而重合法是需要8片芯片，每片芯片只需×2=根选择线就可以实现。

SRAM

通常把存放一个二进制位的物理器件称为存储元，它是存储器最基本的构件。地址码相同的多个存储元构成一个存储单元。存储单元的集合构成存储体。

静态RAM（Static RAM，SRAM）的存储元是用双稳态触发器（六晶体管MOS）来记忆信息的，因此信息被读出后，它仍保持其原状态而不需要刷新；这种读特性被称为“非破坏性读出”。

上图中，构成了MOS管双稳态触发器基本电路；而、受行地址选择信号控制，、受列地址选择信号控制，它们就像开关，将位线A’、A与数据线连接起来。由这6个MOS管构成了静态RAM的基本单元电路，、则不包含在内，它们是芯片内同一列的各个基本单元电路所共有的。

下面是Intel 2114 RAM芯片的存储矩阵结构示意图。2114芯片有10根地址线，其中6根行地址线、4根列地址线，存储矩阵由64×64个基本单元电路组成，总容量为1Ki×4=4Kib可能你会疑问，这是6根行地址线，4根列地址线，应该是64x16的存储矩阵啊，为什么会是64x64呢。实际上，当行地址线选中，列地址线选中，此时选中的并不是一个存储元，而是4个存储元。比如行地址线0和列地址线0选中的是4个存储元，一次性输出4位。对比之前，相当于，把缺的4根列地址线换成了数据线，当然，这只是便于理解的说法，其实这是“存储器的位扩展”，具体内容我会在下一篇文章阐述。

SRAM使用触发器工作原理存储信息，因此在读出信息后，它仍会保持原来的状态，不需要刷新。不过如果电源掉电，存储的信息就会丢失，所以它属于易失性半导体存储器。

SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗较大，价格昂贵，一般用于Cache。

DRAM

动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）是利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息的。若电容上存有足够多的电荷表示存“1”，电容上无电荷则表示存“0”。

常见的动态RAM基本单元电路有三管式和单管式两种。单管式只需要一个MOS管和一个电容，因此可以极大地提高集成度。

• 当读取数据时，字线上的高电平使MOS管T导通，如果电容有电荷就会在数据线上产生电流，可以看作“1”；反之如果没有电荷，数据线上就没有电流，看作“0”。进行读操作之后，电容上的电荷就释放掉了，所以必须进行“再生”处理；这种读取方式为破坏性读出。
• 对于写入操作，同样是字线高电平令T导通，如果数据线上为高电平则对电容充电，存入“1”；如果为低电平则电容放电，存“0”。

可以看到，DRAM的基本存储元可以只使用一个晶体管,所以它比SRAM的密度要高很多。为了进一步提高集成度，DRAM采用地址复用技术，地址信号分行、列两次传送，这样地址线是原来的一半，地址引脚数也可以减少一半，就能够进一步减小芯片的体积。

下面是Intel 4116 RAM芯片的整体结构和存储矩阵示意图。4116芯片的存储矩阵为128×128，共有16K个单管MOS基本单元电路，容量为16K×1位。本来芯片应该有14根地址线，不过为了减少芯片封装的引脚数，地址线只有7根。这就需要将完整的地址信息分成行、列两部分（各自7位），分两次传送。

相对SRAM来说，DRAM具有容易集成、价位低、容量大和功耗低等优点，但DRAM的存取速度比SRAM慢，一般用于大容量的主存系统。

DRAM的刷新

由于电容上的电荷一般只能维持1~2ms，因此即使电源不掉电，信息也会自动消失。为此，必须在2ms内对所有存储单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或者刷新。

刷新的过程，实质上是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。由于存储单元是被随机访问的，有些存储单元可能一直不会被访问，因此其存储的原信息将会慢慢消失。因此，必须进行定时刷新。一般要求在一定的时间内，对动态RAM的全部基本单元必须作一次刷新，这个时间称为刷新周期，也叫再生周期，一般取2ms。

通常有三种刷新方式：集中刷新、分散刷新和异步刷新。

（1）集中刷新

在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间进行逐行刷新；刷新时必须停止读/写操作。

例如，我们有一个芯片的存储矩阵为128×128，它的存取周期为0.5μs，刷新周期为2ms（4000个存取周期），那么对它的128行存储单元进行集中刷新需要：

0.5μs×128=64μs

那剩余的1936μs（3872个存取周期）就可以用来读/写或者维持信息。由于在这64μs内无法进行读/写操作，所以这段刷新时间被称为“死时间”，也叫访存“死区”。死时间占据存取周期的比例64μs/2ms×100%=3.2%，称为死时间率。

（2）分散刷新

对每行存储单元的刷新，分散到每个存取周期内完成。这样，每个存储周期就分成了两段：前半段用来读/写或者维持信息，后半段用来刷新。所以：

=+同样以128×128存储矩阵的芯片为例，读/写周期=0.5μs，那么存取周期=1μs。逐行进行刷新，每隔128μs就可以将存储芯片全部刷新一遍。

这样的好处是不存在停止读/写操作的死时间，而且刷新间隔比要求的刷新周期2ms短得多；缺点在于存取周期变长了，使得整个系统速度变慢。

（3）异步刷新

异步刷新是前两种方式的结合，它既可以缩短“死时间”，又能充分利用最大的刷新间隔2ms。

还是之前的例子，对于128×128存储矩阵的芯片，存取周期=0.5μs，可以让它把对128行的刷新平均分配到2ms的刷新周期内。也就是说，每隔2ms÷128≈15.6μs刷新一行，每次刷新的时间还是一个存取周期=0.5μs。

这样一来，2ms内用于刷新的时间仍然是128=64μs，而由于分散到了整个刷新周期内，每次刷新一行只停了一个存取周期；所以对于每行来说，刷新的间隔还是2ms，而“死时间”缩短为0.5μs。

如果将DRAM的刷新安排在CPU对指令的译码阶段，由于这个阶段CPU不会访问存储器，所以这样就完全避免了“死时间”的问题，从根本上提高了机器效率。

DRAM和SRAM的比较

目前，随着DRAM的容量不断扩大，速度不断提高，它的应用要比SRAM更加广泛。DRAM主要用在计算机的主存中，而SRAM通常用于容量不大的高速缓存（Cache）中。

两者的特点可以比较如下：

ROM

ROM（Read Only Memory）最原始的定义是“只读存储器”，一旦写入原始信息后就不能更改。所以ROM通常用来存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。

不过随着用户的需要和技术的发展，又出现了更多类型的ROM，让用户拥有了修改数据的能力。

根据制造工艺不同，ROM可分为固定掩模型ROM（MROM）、一次可改写ROM（PROM）、紫外线擦除电可编程ROM（EPROM）、电擦除电可编程ROM（EEPROM）、快擦写（Flash）存储器。

早期只读存储器的存储内容根据用户要求，厂家采用掩模工艺，把原始信息记录在芯片中，一旦制成后无法更改，称为掩模型只读存储器（Masked ROM，MROM）。随着半导体技术的发展和用户需求的变化，只读存储器先后派生出可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）以及用电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）。到20世纪80年代，又出现了闪速存储器（Flash Memory），它具有EEPROM的特点，而速度比EEPROM快得多。

Flash

闪速存储器（闪存，Flash），又称快擦型存储器，是在EEPROM的工艺基础上发展而来的，性价比更好、可靠性更高。其主要特点有：

• 价格便宜、集成度高；
• 属非易失性存储器，适合长期保存信息；
• 能快速擦写（电可擦除），写入前必须先擦除，因此写比读要慢。

由于Flash的擦除、重写时间已经非常短，比一般的EEPROM要快得多，所以Flash已经具备了RAM的功能，可以与CPU直接相连。电脑的BIOS程序由于包含了开机后的自检程序和自举装载程序，一般都会固化到主板上的一个ROM芯片中；如今的电脑通常就会用Flash芯片来存放BIOS程序。

Flash可以至少擦写10000次以上，而且是非易失性存储器，所以在需要周期性修改存储信息、并长期保存的场合，它是一个非常理想的存储器；比如工控系统、单片机中作为数据采集和存储器件，用于制作U盘和移动硬盘等。

目前随着闪存技术的发展，容量越来越大、价格越来越低，让大容量Flash取代磁盘成为了可能。用闪存技术做成固态硬盘（SSD），可以代替传统的磁盘，速度更快，功耗更低，体积更小。如今很多笔记本电脑中都使用了SSD，使得计算机平均无故障时间大大延长。

SRAM、DRAM和ROM这3种存储器的特点可以总结如下。