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半导体存储器的分类

存储器是计算机系统的重要组成部分,用来存放程序和数据。微机的存储系统通常由高速缓冲存储器(Cache)、主存储器(内存)和辅助存储器(外存) 组成。Cache由高速存储器件SRAM制成,容量较小,设置于CPU与主存之间,用于存放CPU当前执行的程序和数据(这些信息是主存的副本)。 Cache通常分为两级:一级Cache集成在CPU内部,二级Cache安装在主板上;在CPU运行过程中,首先访问Cache,以提高系统的运行速 度。主存安装在主板上,由只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)构成。ROM采用EPROM,或EEPROM或Flash器件,用于存放系统程序和 参数,在计算机运行期间,只能读出,不能修改。RAM采用存储密度高、价格低廉的动态随机存储器(DRAM)器件,用于存放计算机运行期间从外存调入的程 序和数据。辅助存储器属于外部设备,如磁盘、光盘、可移动盘等。它们的特点是存储容量大,信息能永久保存,但存取速度比内存慢,主要用做后备存储器,备份 大量的程序和数据。

  5.1.1 半导体存储器的分类

  半导体存储器从器件制造的工艺角度,可分为双极型和MOS型 两大类。双极型存储器由TTL(TransistorTransistor Logic)电路制成,其特点是存取速度快、集成度低、功耗大、价格较高。 MOS型存储器由金属氧化物半导体电路制成,与双极型存储器比较,它的特点是集成度高、功耗小、价格便宜,但存取速度慢。

  从应用角 度,可分为只读存储器ROM(Read Only Memory)和随机存储器RAM(Random Access Memory)。ROM是一种非易失 性存储器,其特点是信息一旦写入就固定不变,掉电后信息也不会丢失。在使用过程中只能读出,不能修改,常用于保存一般无须修改就可长期使用的程序和数据, 如主板上的BOIS(基本输入输出系统程序)、打印机中的汉字库、外部设备的驱动程序等。RAM是一种易失性存储器,其特点是在使用过程中信息可以随机写 入或读出,使用灵活,但信息不能永久保存,一旦掉电,信息会自动丢失,常用做内存,存放正在运行的程序和数据。

  1.ROM的类型

  根据不同的编程写入方式,ROM分为以下几种。

  1)掩膜ROM

   掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求,在生产过程中采用掩膜工艺(即光刻图形技术)一次性直接写入的。它存储的信息是靠在存储单元的字线与 位线之间是否跨接MOS管来表示信息“0”还是“1”:跨接MOS管时,表示信息“0”;没有跨接MOS管时,则表示信息“1”。一旦掩膜ROM制成后, 其内容不能再改写,因此它只适合于存储永久性保存的程序和数据。

  2)PROM

   PROM(Programmable ROM)为一次编程ROM。它的编程逻辑器件是靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储信息“0”还是“1”:当熔 丝被烧断时,表示信息“0”;当熔丝没有烧断时,则表示信息“1”。由于一旦存储单元的熔丝被烧断就不能恢复,因此PROM存储的信息只能一次编程写入, 不能擦除改写。

  3)EPROM

  EPROM(Erasable Programmable ROM)是一种紫外线 可擦除可编程ROM。其编程逻辑器件使用浮栅编程技术,利用绝缘栅场效应管中的浮栅存储电荷,使开启电压发生变化来存储信息。写入信息是在专用编程器上实 现的,具有能多次改写的功能。EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口,当需要改写时,将它放在波长为2-537×10-10m紫外线灯光下照射约 15~20分钟便可以擦去信息,使所有的存储单元恢复到初始状态“1”,又可以编程写入新的内容。由于EPROM在紫外线照射下信息易丢失,故在使用时应 在玻璃窗口处用不透光的纸封严,以避免信息丢失。

  4)EEPROM

  EEPROM也称 E2PROM(Electrically Erasable Programmable ROM),是一种电可擦除可编程ROM。由于它的改写不需要使用 专用编程设备,只需在指定的引脚上加上适合的电压(如+5V),即可进行在线擦除和改写,使用更加方便灵活。

  5)闪速存储器

   闪速存储器(Flash memory),简称Flash或闪存。它与EEPROM类似,也是一种电擦写型ROM。与EEPROM的主要区别 是:EEPROM是按字节擦写,速度慢;而闪存是按块擦写,速度快。Flash芯片从结构上分为串行传输和并行传输两大类:串行Flash能节约空间和成 本,但存储容量小、速度慢;而并行Flash存储容量大、速度快。

  Flash是近年来发展最快的一种新型半导体存储器。由于它具有在 线电擦写、低功耗、大容量、擦写速度快的特点,同时还具有与DRAM等同的低价位成本的优势,因此受到广大用户的青睐。目前,Flash在计算机系统、寻 呼机系统、嵌入式系统和智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用。

  2.RAM的类型

  根据不同的存储电路结构,RAM分为以下几种。

  1)SRAM

   SRAM(Static RAM)是一种静态随机存储器。它的存储电路由MOS管触发器构成,用触发器的导通和截止状态来表示信息“0”或“1”。其特 点是速度快、工作稳定,并且不需要刷新电路,使用方便灵活,但由于它所用MOS管较多,致使集成度低、功耗较大、成本也较高。在微机系统中,SRAM常用 做小容量的高速缓冲存储器。

  2)DRAM

  DRAM(Dynamic RAM)是一种动态随机存储器。它的存储电 路是利用MOS管的栅极分布电容充放电来保存信息的,充电成高电位后表示“1”,放电后表示“0”。其特点是集成度高、功耗低、价格便宜,但由于电容存在 漏电现象,电容电荷会因为漏电而逐渐丢失,因此必须定时对DRAM进行充电(称为刷新)。在微机系统中,DRAM被大量用做内存(即内存条)。

  3)NVRAM

   NVRAM(NonVolatile RAM)是一种非易失性随机存储器。它的存储电路由SRAM和EEPROM共同构成,在正常运行时和SRAM的功 能相同,既可以随时写入,又可以随时读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间,它可以立即把SRAM中的信息保存到EEPROM中,使信息得到自动保护。 NVRAM多用于存储系统中的重要信息保存和掉电保护。

  5.1.2 半导体存储器的性能指标

  存储器是计算机系统的重要部件之一,计算机在运行过程中,大部分的总线周期都是对存储器进行读/写操作,因此存储器系统性能的好坏在很大程度上影响计算机的性能。通常用以下几个指标来衡量存储器的性能。

  1.存储容量

  存储容量是指存储器所能容纳的二进制信息总量。一位二进制数为最小单位(bit),8位二进制数为一个字节(Byte),单位用B表示。由于微机中都是按字节编址的,因此B是存储器容量的基本单位。存储器容量常用的单位还有KB、MB、GB和TB。它们的定义如下:

  1KB210B1024B;

  1MB220B1048 576B;

  1GB230B1073 741824B;

  1TB240B1099 511627 776B。

  对于按字节编址的计算机,通常以字节数来表示容量,如KB、MB、GB、TB。例如,某微机系统的存储容量为64KB,表明它所能容纳的二进制信息位为64×1024×8。

  2.存取速度

   存取速度通常由存取时间来衡量。存取时间又称为访问时间或读/写时间。它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如,读出时间是指从 CPU向存储器发出有效地址和读命令开始,直到将被选单元的内容读出为止所用的时间;写入时间是指从CPU向存储器发出有效地址和写命令开始,直到信息写 入被选中单元为止所用的时间。显然,存取时间越短,存取速度越快。

  内存的存取时间通常用ns(纳秒)表示。通常,超高速存储器的存取 时间一般约20 ns,高速存储器的存取时间一般为几十纳秒,中速存储器的存取时间一般为100~250 ns,而低速存储器的存取时间一般为300  ns左右。例如,SRAM的存取时间约60 ns, DRAM的存取时间为120~250 ns。

  3.可靠性

  可靠性是指在规定的时间内,存储器无故障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF(MeanTime Between Failures)来衡量可靠性。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔,越长说明存储器的性能越好。

  4.功耗

  功耗反映了存储器件耗电的多少,同时也反映了其发热的程度。功耗越小,存储器件的工作稳定性越好。大多数半导体存储器的维持功耗小于工作功耗。

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