第二节半导体存储器工艺双极型MOS型TTL型ECL型速度很快、功耗大、容量小电路结构PMOSNMOSCMOS功耗小、容量大工作方式静态MOS动态MOS存储信息原理静态存储器SRAM动态存储器DRAM(双极型、静态MOS型):依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。(动态MOS型):依靠电容存储电荷的原理存储信息。功耗较大,速度快,作Cache。功耗较小,容量大,速度较快,作主存。(静态MOS除外)4.2.1静态MOS存储单元与存储芯片1.六管单元(1)组成T1、T3:MOS反相器Vcc触发器T3T1T4T2T2、T4:MOS反相器T5T6T5、T6:控制门管ZZ:字线,选择存储单元位线,完成读/写操作、W:(2)定义“0”:T1导通,T2截止;“1”:T1截止,T2导通。(3)工作T5、T6Z:加高电平,高、低电平,写1/0。(4)保持只要电源正常,保证向导通管提供电流,便能维持一管导通,另一管截止的状态不变,∴称静态。VccT3T1T4T2T5T6ZWW导通,选中该单元。写入:在W、W上分别加读出:根据W、W上有无电流,读1/0。Z:加低电平,T5、T6截止,该单元未选中,保持原状态。2.存储芯片例.SRAM芯片2114(1K×4位)外特性:静态单元是非破坏性读出,读出后不需重写。地址端:2114(1K×4)191018A6A5A4A3A0A1A2CSGNDVccA7A8A9D0D1D2D3WEA9~A0(入)数据端:D3~D0(入/出)控制端:片选CS=0选中芯片=1未选中芯片写使能WE=0写=1读电源、地4.2.2动态MOS存储单元与存储芯片1.四管单元(1)组成T1、T2:记忆管C1、C2:柵极电容T3、T4:控制门管Z:字线位线W、W:(2)定义“0”:T1导通,T2截止“1”:T1截止,T2导通T1T2T3T4ZWWC1C2(C1有电荷,C2无电荷);(C1无电荷,C2有电荷)。(3)工作Z:加高电平,T3、T4导通,选中该单元。2.单管单元(1)组成(4)保持T1T2T3T4ZWWC1C2写入:在W、W上分别加高、低电平,写1/0。读出:W、W先预充电至再根据W、W上有无电流,高电平,断开充电回路,读1/0。Z:加低电平,T3、T4截止,该单元未选中,保持原状态。需定期向电容补充电荷(动态刷新),∴称动态。四管单元是非破坏性读出,读出过程即实现刷新。C:记忆单元CWZTT:控制门管Z:字线W:位线3.存储芯片(2)定义(4)保持写入:Z加高电平,T导通,在W上加高/低电平,写1/0。读出:W先预充电,根据W线电位的变化,读1/0。断开充电回路。Z:加低电平,T截止,该单元未选中,保持原状态。单管单元是破坏性读出,读出后需重写。“0”:C无电荷,电平V0(低)CWZT外特性:“1”:C有电荷,电平V1(高)(3)工作Z加高电平,T导通,例.DRAM芯片2164(64K×1位)地址端:2164(64K×1)18916GNDCASDoA6A3A4A5A7A7~A0(入)数据端:Di(入)控制端:片选写使能WE=0写=1读电源、地空闲/刷新DiWERASA0A2A1Vcc分时复用,提供16位地址。Do(出)行地址选通RAS列地址选通CAS:=0时A7~A0为行地址高8位地址:=0时A7~A0为列地址低8位地址1脚未用,或在新型号中用于片内自动刷新。4.2.3半导体存储器逻辑设计需解决:芯片的选用、例1.用2114(1K×4)SRAM芯片组成容量为4K×8的存储器。地址总线A15~A0(低),双向数据总线D7~D0(低),读/写信号线R/W。给出芯片地址分配与片选逻辑,并画出M框图。1.计算芯片数动态M的刷新、(1)先扩展位数,再扩展单元数。主存的组织涉及:主存的校验。地址分配与片选逻辑、信号线的连接。2片1K×41K×84组1K×84K×88片M的逻辑设计、存储器寻址逻辑2.地址分配与片选逻辑(2)先扩展单元数,再扩展位数。4片1K×44K×42组4K×44K×88片芯片内的寻址系统(二级译码)芯片外的地址分配与片选逻辑为芯片分配哪几位地址,以便寻找片内的存储单元由哪几位地址形成芯片选择逻辑,以便寻找芯片存储空间分配:4KB存储器在16位地址空间(64KB)中占据任意连续区间。64KB1K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4需12位地址寻址:4KBA15…A12A11A10A9……A0A11~A0000……0任意值001……1011……1101……1010……0100……0110……0111……1片选芯片地址低位地址分配给芯片,高位地址形成片选逻辑。芯片芯片地址片选信号片选逻辑1K1K1K1KA9~A0A9~A0A9~A0A9~A0CS0CS1CS2CS3A11A10A11A10A11A10A11A103.连接方式(1)扩展位数41K×41K×44101K×41K×44101K×41K×441041K×41K×441044A9~A0D7~D4D3~D044R/WA11A10CS3A11A10CS0A11A10CS1A11A10CS2(2)扩展单元数(3)连接控制线(4)形成片选逻辑电路某半导体存储器,按字节编址。其中,0000H~∼07FFH为ROM区,选用EPROM芯片(2KB/片);0800H~13FFH为RAM区,选用RAM芯片(2KB/片和1KB/片)。地址总线A15~A0(低)。给出地址分配和片选逻辑。例2.1.计算容量和芯片数ROM区:2KBRAM区:3KB存储空间分配:2.地址分配与片选逻辑先安排大容量芯片(放地址低端),再安排小容量芯片。便于拟定片选逻辑。共3片A15A14A13A12A11A10A9…A0000000……0000001……1000011……10001001…1000010……00001000…0低位地址分配给芯片,高位地址形成片选逻辑。芯片芯片地址片选信号片选逻辑2K2K1KA10~A0A10~A0A9~A0CS0CS1CS2A12A11A12A11A12A115KB需13位地址寻址:ROMA12~A064KB1K2K2KRAMA10A15A14A13为全04.2.4动态存储器的刷新1.刷新定义和原因定义:刷新。动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源供电,时间一长电容电荷会泄放,需定期向电容补充电荷,以保持信息不变。定期向电容补充电荷原因:注意刷新与重写的区别。破坏性读出后重写,以恢复原来的信息。2.最大刷新间隔在此期间,必须对所有动态单元刷新一遍。非破坏性读出的动态M,需补充电荷以保持原来的信息。2ms。3.刷新方法按行读。刷新一行所用的时间刷新周期(存取周期)刷新一块芯片所需的刷新周期数由芯片矩阵的行数决定。对主存的访问由CPU提供行、列地址,随机访问。2ms内集中安排所有刷新周期。CPU访存:4.刷新周期的安排方式死区用在实时要求不高的场合。动态芯片刷新:由刷新地址计数器提供行地址,定时刷新。(1)集中刷新R/W刷新R/W刷新2ms50ns(2)分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷新100ns用在低速系统中。2ms(3)异步刷新例.各刷新周期分散安排在2ms内。用在大多数计算机中。每隔一段时间刷新一行。128行≈15.6微秒每隔15.6微秒提一次刷新请求,刷新一行;2毫秒内刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6微秒15.6微秒刷新请求刷新请求(DMA请求)(DMA请求)