【大學(xué)課件】電子技術(shù) 半導(dǎo)體存儲器

半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組件。它們利用半導(dǎo)體材料的特性，存儲和讀取數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體存儲器概述半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組件，用于存儲數(shù)據(jù)和指令。它們使用半導(dǎo)體材料，如硅或鍺，來構(gòu)建存儲單元。半導(dǎo)體存儲器被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦等各種電子設(shè)備。它們提供快速訪問速度，并且易于集成到電子系統(tǒng)中。半導(dǎo)體存儲器的分類按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器主要分為兩大類，即靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）。按讀寫特性分類根據(jù)讀寫特性，可將半導(dǎo)體存儲器分為只讀存儲器（ROM）和可讀寫存儲器。半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展歷程120世紀(jì)60年代第一代半導(dǎo)體存儲器，如早期的DRAM220世紀(jì)70年代第二代半導(dǎo)體存儲器，如SRAM，EPROM320世紀(jì)80年代第三代半導(dǎo)體存儲器，如EEPROM，閃存420世紀(jì)90年代至今第四代半導(dǎo)體存儲器，如DDRSDRAM，NAND閃存半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了從單一功能到多功能，從低集成度到高集成度，從低容量到高容量的演變過程。半導(dǎo)體存儲器的重要性11.數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)代社會中數(shù)據(jù)量爆炸，存儲器提供可靠的數(shù)據(jù)存儲空間，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。22.數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要快速訪問數(shù)據(jù)，存儲器是數(shù)據(jù)處理過程中不可或缺的關(guān)鍵部件，為數(shù)據(jù)處理提供高速通道。33.設(shè)備運(yùn)行存儲器在各種電子設(shè)備中扮演著至關(guān)重要的角色，為設(shè)備運(yùn)行提供必要的程序和數(shù)據(jù)，保證設(shè)備正常運(yùn)行。44.社會發(fā)展隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲器在各種應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用，推動著社會發(fā)展。半導(dǎo)體存儲器的基本特性非易失性即使斷電后，數(shù)據(jù)依然能夠保存。隨機(jī)存取能夠直接訪問任何存儲單元，無需順序訪問。速度快讀寫速度快，能滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)行要求。體積小集成度高，體積小巧，便于集成到各種電子設(shè)備中。半導(dǎo)體存儲器的基本結(jié)構(gòu)集成電路芯片半導(dǎo)體存儲器由集成電路芯片構(gòu)成，這些芯片包含了存儲單元、地址譯碼器、讀寫電路等。存儲單元每個存儲單元能夠存儲一個二進(jìn)制位的信息，由晶體管、電容等元件組成。地址譯碼器地址譯碼器將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，用于定位存儲單元。讀寫電路讀寫電路控制存儲單元的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取。半導(dǎo)體存儲器的工作原理數(shù)據(jù)存儲半導(dǎo)體存儲器通過控制晶體管的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)來存儲數(shù)據(jù)，導(dǎo)通代表邏輯“1”，截止代表邏輯“0”。地址選擇存儲器內(nèi)部有地址譯碼器，根據(jù)地址信號選擇具體的存儲單元，進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)讀寫讀操作時，根據(jù)地址選擇要讀取的單元，并將其數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上；寫操作時，根據(jù)地址選擇要寫入的單元，并將數(shù)據(jù)寫入到該單元。刷新操作動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）需要定期刷新，以保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲。半導(dǎo)體存儲器的主要指標(biāo)半導(dǎo)體存儲器的主要指標(biāo)包括讀寫速度、容量、功耗、工作電壓和工作溫度等。這些指標(biāo)直接影響著存儲器的性能和使用范圍。半導(dǎo)體存儲器的讀寫操作1寫入操作寫入操作是指將數(shù)據(jù)寫入到存儲單元的過程。寫入操作通常通過將數(shù)據(jù)寫入到存儲器中的特定地址來完成。2讀取操作讀取操作是指從存儲單元讀取數(shù)據(jù)的過程。讀取操作通常通過從存儲器中的特定地址讀取數(shù)據(jù)來完成。3數(shù)據(jù)傳輸讀寫操作涉及到數(shù)據(jù)在存儲器和CPU之間傳輸，通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)安全可靠傳遞。半導(dǎo)體存儲器的編址方式線性編址每個存儲單元都有唯一的地址，地址從0開始連續(xù)排列。簡單易懂，易于實(shí)現(xiàn)，但地址空間有限。頁式編址將存儲器空間劃分為多個頁面，每個頁面包含多個存儲單元。邏輯地址分為頁號和頁內(nèi)偏移量。地址空間更大，但管理更復(fù)雜。段式編址將存儲器空間劃分為多個段，每個段包含多個存儲單元。邏輯地址分為段號和段內(nèi)偏移量。適合程序模塊化管理，但地址空間可能存在碎片。段頁式編址將存儲器空間同時劃分為段和頁，邏輯地址分為段號、頁號和頁內(nèi)偏移量。兼具段式和頁式的優(yōu)點(diǎn)，但地址空間更大，管理更復(fù)雜。半導(dǎo)體存儲器的信號時序半導(dǎo)體存儲器的信號時序是指存儲器讀寫操作過程中各個信號的出現(xiàn)順序和時間關(guān)系。它對存儲器正常工作至關(guān)重要。信號時序主要包括地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號和時鐘信號，它們共同協(xié)作完成存儲器的讀寫操作。常見半導(dǎo)體存儲器DRAM動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM是目前使用最廣泛的一種半導(dǎo)體存儲器，它利用電容來存儲數(shù)據(jù)，需要定期刷新來防止數(shù)據(jù)丟失。DRAM模塊DRAM通常以模塊的形式提供，例如DIMM或SODIMM，用于安裝到計(jì)算機(jī)主板上，提供系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM結(jié)構(gòu)DRAM結(jié)構(gòu)包括存儲單元陣列、行/列地址譯碼器、讀/寫電路、刷新電路等，這些組成部分共同完成數(shù)據(jù)的存儲和訪問操作。DRAM的原理及特點(diǎn)1動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM是一種常用的半導(dǎo)體存儲器，以電容存儲數(shù)據(jù)。電容需要定期刷新才能保持?jǐn)?shù)據(jù)，否則數(shù)據(jù)會丟失。2高密度、低成本由于其結(jié)構(gòu)簡單，DRAM在存儲密度上具有優(yōu)勢，且成本相對較低，廣泛應(yīng)用于電腦內(nèi)存。3高速存儲器與其他存儲器相比，DRAM具有較高的讀寫速度，滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求。4易失性DRAM是易失性存儲器，斷電后數(shù)據(jù)會丟失，需要定期刷新來保持?jǐn)?shù)據(jù)。DRAM的讀寫操作1讀操作將存儲單元內(nèi)容復(fù)制到外部2地址選通根據(jù)地址信號，選擇相應(yīng)的存儲單元3數(shù)據(jù)讀取通過數(shù)據(jù)線，將存儲單元內(nèi)容傳遞到外部4寫操作將外部數(shù)據(jù)寫入存儲單元寫操作過程類似，先選通地址，然后將數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的存儲單元。讀寫操作通常需要時鐘信號控制，確保數(shù)據(jù)傳輸同步。DRAM的刷新機(jī)制1電容泄漏DRAM使用電容存儲數(shù)據(jù)，電容會隨著時間推移而泄漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。2周期性刷新刷新操作定期讀取并重新寫入數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)完整性。3刷新周期刷新周期通常為幾毫秒，根據(jù)DRAM類型和環(huán)境溫度而有所不同。常見半導(dǎo)體存儲器SRAM高速存取SRAM的讀寫速度非?？?，通常比DRAM快一個數(shù)量級。數(shù)據(jù)保持SRAM不需要刷新，可以長期保存數(shù)據(jù)，無需擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失。功耗較高由于SRAM需要持續(xù)供電才能保持?jǐn)?shù)據(jù)，因此其功耗比DRAM高。成本較高SRAM的集成度不如DRAM高，成本也相對較高。SRAM的原理及特點(diǎn)靜態(tài)存儲SRAM是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，使用晶體管和電容來存儲數(shù)據(jù)。存儲單元由一個晶體管和一個電容組成，它們形成一個保持?jǐn)?shù)據(jù)值的回路，不會丟失數(shù)據(jù)。高速存取SRAM的讀寫速度非?？?，因?yàn)閿?shù)據(jù)被直接存儲在晶體管和電容中，無需刷新。這使得SRAM非常適合需要高速訪問數(shù)據(jù)的應(yīng)用，例如高速緩存。功耗高SRAM的功耗較高，因?yàn)楸３謹(jǐn)?shù)據(jù)需要不斷向晶體管供電。此外，SRAM的存儲密度較低，與DRAM相比，存儲相同數(shù)量的數(shù)據(jù)需要更大的面積。價(jià)格昂貴由于SRAM具有較高的速度和復(fù)雜性，其價(jià)格也相對較高。SRAM通常用于需要高速訪問數(shù)據(jù)的應(yīng)用，例如高速緩存和嵌入式系統(tǒng)。SRAM的讀寫操作1數(shù)據(jù)寫入通過地址總線選擇存儲單元，將數(shù)據(jù)寫入存儲單元2地址選擇根據(jù)地址總線上的地址信息，找到對應(yīng)存儲單元3數(shù)據(jù)讀取通過地址總線選擇存儲單元，從存儲單元讀取數(shù)據(jù)SRAM的讀寫操作簡單高效，寫入數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)存儲單元，讀取數(shù)據(jù)時，將存儲單元中的數(shù)據(jù)輸出。常見半導(dǎo)體存儲器ROM只讀存儲器ROM是只讀存儲器，其數(shù)據(jù)在制造過程中寫入，無法修改。ROM用于存放程序代碼，引導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)表等。ROM應(yīng)用ROM廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中，為系統(tǒng)提供基本的操作指令和數(shù)據(jù)。ROM結(jié)構(gòu)ROM采用特定類型的存儲單元，這些單元在制造過程中被寫入，然后保持不變，用于存儲不可更改的信息。ROM的分類及特點(diǎn)1掩模ROM掩模ROM在制造過程中寫入數(shù)據(jù)，無法修改。2可編程ROM可編程ROM允許用戶一次性編程寫入數(shù)據(jù)。3可擦除可編程ROM可擦除可編程ROM允許用戶擦除并重新編程多次。4電可擦除可編程ROM電可擦除可編程ROM允許用戶使用電信號進(jìn)行擦除和編程。ROM的讀寫操作讀取操作ROM只能讀取，不能寫入，讀取過程是直接訪問存儲單元，并讀取存儲單元的內(nèi)容。寫入操作ROM在出廠時就已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)，通常無法在使用過程中修改數(shù)據(jù)，某些類型的ROM可以一次寫入，之后就不能修改。數(shù)據(jù)存儲ROM用于存儲固定的程序或數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常是不可更改的。常見半導(dǎo)體存儲器EPROMEPROM是一種紫外線可擦除可編程只讀存儲器，具有非易失性，可重復(fù)擦除和編程的特性。EPROM芯片具有一個透明的石英窗口，可以通過紫外線照射來擦除數(shù)據(jù)，編程時需要使用特殊的編程器。EPROM通常用于存儲固件、引導(dǎo)程序和其他需要非易失性存儲的程序，但在現(xiàn)代應(yīng)用中，已經(jīng)逐漸被EEPROM和Flash存儲器取代。EPROM的原理及特點(diǎn)原理EPROM使用浮柵晶體管存儲數(shù)據(jù)。通過紫外線照射，可以改變浮柵電荷，從而擦除數(shù)據(jù)。特點(diǎn)EPROM具有非易失性，數(shù)據(jù)可永久存儲。讀寫速度較慢，擦除需要紫外線照射，不方便。EPROM的編程與擦除1擦除紫外線照射2編程高壓電寫入3驗(yàn)證讀出數(shù)據(jù)確認(rèn)EPROM編程通常需要專門的編程器，在編程前需要先擦除存儲單元，通過紫外線照射的方式清除所有數(shù)據(jù)。編程過程通過高壓電寫入數(shù)據(jù)，最后通過讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。常見半導(dǎo)體存儲器Flash非易失性存儲器Flash存儲器是一種非易失性存儲器，這意味著即使斷電后數(shù)據(jù)仍然保留。高密度存儲Flash存儲器具有高密度存儲容量，可以存儲大量數(shù)據(jù)，適用于各種應(yīng)用。高速讀寫Flash存儲器具有較快的讀寫速度，能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的快速數(shù)據(jù)訪問需求。耐用性Flash存儲器具有良好的耐用性，可以承受多次擦寫操作，適用于需要頻繁數(shù)據(jù)寫入的應(yīng)用。Flash的原理及特點(diǎn)非易失性存儲器Flash存儲器是一種非易失性存儲器，即使斷電后，數(shù)據(jù)也能保持。高密度存儲Flash存儲器具有高密度存儲特性，可以存儲大量數(shù)據(jù)?？焖僮x寫Flash存儲器讀取速度快，寫入速度相對較慢，但比傳統(tǒng)的ROM速度更快。可擦寫Flash存儲器可以重復(fù)擦除和寫入數(shù)據(jù)，具有較長的壽命。Flash的編程與擦除1編程Flash存儲器采用電荷泵技術(shù)，通過在控制柵極上施加電壓，將電子寫入到浮動?xùn)艠O中，從而完成編程操作。編程時間取決于存儲單元的大小和編程電壓。2擦除擦除操作需要對整個塊或扇區(qū)進(jìn)行。通過對控制柵極施加高電壓，將浮動?xùn)艠O中的電子釋放到隧穿氧化層中，從而擦除存儲單元。3編程和擦除Flash存儲器可反復(fù)編程和擦除，但擦除次數(shù)有限。每次擦除操作都會降低Flash存儲器的壽命。半導(dǎo)體存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，用于存儲程序、數(shù)據(jù)和其他信息。例如，計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存、硬盤和固態(tài)硬盤都使用半導(dǎo)體存儲器。消費(fèi)電子產(chǎn)品半導(dǎo)體存儲器廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)字相機(jī)和游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品。它們用于存儲應(yīng)用程序、照片、視頻和其他用戶數(shù)據(jù)。工業(yè)自動化半導(dǎo)體存儲器在工業(yè)自動化系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，用于存儲控制程序、參數(shù)和實(shí)時數(shù)據(jù)。它們在機(jī)器控制、數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控等方面應(yīng)用廣泛。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備半導(dǎo)體存儲器用于路由器、交換機(jī)和