存儲器的工作原理[RAM,ROM,EEPROM存儲器工作原理]

1、存儲器的工作原理RAM,ROM,EEPROM存儲器工作原理一基本工作原理基本工作原理1 、存儲器構(gòu)造 、 存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的，也就是說，它存 放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的 1234 這樣的數(shù)字，這樣，我們的一 個謎團就解開了，計算機也沒什么神秘的嗎。圖 1圖 2 讓我們看圖 1 。這是一個存儲器的示意圖：一個存儲器就像一個個的小抽屜，一個小抽 屜里有八個小格子，每個小格子就是用來存放“電荷”的，電荷通過與它相連的電線傳進來 或釋放掉， 至于電荷在小格子里是怎樣存的， 就不用我們操心了， 你可以把電線想象成水管， 小格子里的電荷就像是

2、水，那就好理解了。存儲器中的每個小抽屜就是一個放數(shù)據(jù)的地方， 我們稱之為一個“單元” 。有了這么一個構(gòu)造， 我們就可以開始存放數(shù)據(jù)了， 想要放進一個數(shù)據(jù)12，也就是00001100 ， 我們只要把第二號和第三號小格子里存滿電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就 行了（看圖 2 ） ?？墒菃栴}出來了，看圖 1 ，一個存儲器有好多單元， 線是并聯(lián)的，在放入電 荷的時候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時候，會把每個單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個單元，都只能放同一個數(shù)，這當然不是我們所希望的，因此， 要在結(jié)構(gòu)上稍作變化，看圖 1 ，在每個單元上有個控制線， 我想要把數(shù)據(jù)放進哪個單

3、元，就 給一個信號這個單元的控制線，這個控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就可 _ 流動了，而 其它單元控制線上沒有信號，所以開關(guān)不打開，不會受到影響，這樣，只要控制不同單元的控制線，就可以向各單元寫入不同的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開 相應(yīng)的控制開關(guān)就行了。2 、存儲器譯碼、 那么， 我們怎樣來控制各個單元的控制線呢？這個還不簡單， 把每個單元的控制線都引 到集成電路的外面不就行了嗎？事情可沒那么簡單，一片27512 存儲器中有 65536 個單元， 把每根線都引出來， 這個集成電路就得有 6 萬多個腳？不行， 怎么辦？要想法減少線的數(shù)量。 我們有一種方法稱這為譯碼，簡單介紹一

4、下：一根線可以代表2 種狀態(tài)， 2 根線可以代表 4 種狀態(tài)， 3 根線可以代表幾種， 256 種狀態(tài)又需要幾根線代表？ 8 種， 8 根線，所以 65536 種狀態(tài)我們只需要16 根線就可以代表了。3 、存儲器的選片及總線的概念、 至此，譯碼的問題解決了， 讓我們再來關(guān)注另外一個問題。送入每個單元的八根線是用從什么地方來的呢？它就是從計算機上接過來的，一般地， 這八根線除了接一個存儲器之外，還要接其它的器件。這樣問題就出來了，這八根線既然不是存儲器和計算機之間專用的，如果總是將某個單元接在這八根線上，就不好了，比如這個存儲器單元中的數(shù)值是0FFH 另一 個存儲器的單元是00H，那么這根線到底

5、是處于高電平，還是低電平？豈非要打架看誰歷害 了？所以我們要讓它們分離。 辦法當然很簡單， 當外面的線接到集成電路的引腳進來后，不 直接接到各單元去，中間再加一組開關(guān)就行了。平時我們讓開關(guān)打開著，如果確實是要向這 個存儲器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)， 再讓開關(guān)接通就行了。 這組開關(guān)由三根引 線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數(shù)據(jù)寫入片中，先選中該片， 然后發(fā)出寫信號， 開關(guān)就合上了，并將傳過來的數(shù)據(jù)（電荷）寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀 信號，開關(guān)合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。 讀和寫信號同時還接入到另一個存儲器， 但是由于片 選端不同， 所以雖有讀或?qū)懶盘枺珱]有片選信號

6、， 所以另一個存儲器不會“誤會” 而開門， 造成沖突。 那么會不同時選中兩片芯片呢？只要是設(shè)計好的系統(tǒng)就不會， 因為它是由計算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频?，如果真的出現(xiàn)同時出現(xiàn)選中兩片的情況，那就是電路出了故 障了，這不在我們的討論之列。 從上面的介紹中我們已經(jīng)看到， 用來傳遞數(shù)據(jù)的八根線并不是專用的， 而是很多器件 大家共用的，所以我們稱之為數(shù)據(jù)總線， 總線英文名為 BUS，總即公交車道，誰者可以走。 而十六根地址線也是連在一起的，稱之為地址總線。二存儲器的種類及原理：存儲器的種類及原理：及原理1.RAM/ ROM存儲器1.ROM 和 RAM 指的都是半導(dǎo)體存儲器，ROM是 Read Onl

7、y Memory的縮寫， RAM是 Random Aess Memory 的縮寫。 ROM在系統(tǒng)停止供電的時候仍然可以保持數(shù)據(jù)， 而 RAM 通常都是在 掉電之后就丟失數(shù)據(jù)，典型的 RAM 就是計算機的內(nèi)存。2. RAM隨機存取存儲器（ RAM）是計算機存儲器中最為人熟知的一種。之所以 RAM 被稱為“隨機存儲”，是因為您可以直接訪問任一個存儲單元，只要您知道該單元所在記憶行和記憶列的地址即可。 RAM 有兩大類： 1)靜態(tài) RAM（Static RAM / SRAM ）， SRAM速度非常快，是目前讀寫最快的存儲設(shè)備了，但是它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如 CPU 的一級緩沖

8、，二級 緩沖。 2) 動態(tài) RAM （Dynamic RAM / DRAM） DRAM保留數(shù)據(jù)的時間很短， ， 速度也比SRAM慢，不過它還是比任何的ROM 都要快，但從價格上來說DRAM相比 SRAM 要便宜很多，計算機內(nèi)存就是DRAM 的。 類似于微處理器， 存儲器芯片也是一種由數(shù)以百萬計的晶體管和電容器構(gòu)成的集成電路（IC）。計算機存儲器中最為常見的一種是動態(tài)隨機存取存儲器（ DRAM），在 DRAM 中晶體 管和電容器合在一起就構(gòu)成一個存儲單元，代表一個數(shù)據(jù)位元。電容器保存位0 或 1（有關(guān)位的信息，請參見位和字節(jié)）。晶體管起到了開關(guān)的作用，它能讓內(nèi)存芯片上的控制線路讀取電容上的數(shù)據(jù)，

9、 或改變其狀態(tài)。電容器就像一個能夠儲存電子的小桶。要在存儲單元中寫入1 ，小桶內(nèi)就充滿電子。要寫入 0 ，小桶就被清空。電容器桶的問題在于它會泄漏。只需大約幾毫秒的時間，一個充滿電子的小桶就會漏得一干二凈。因此，為了確保動態(tài)存儲器能正常工作， 必須由 CPU 或是由內(nèi)存控制器對所有電容不斷地進行充電，使它們在電子流失殆盡之前能保持 1值。為此，內(nèi)存控制器會先行讀取存儲器中的數(shù)據(jù)， 然后再把數(shù)據(jù)寫回去。 這種刷新操作每秒鐘要自動進 行數(shù)千次如（圖 3 所示）圖 3 動態(tài) RAM 存儲單元中的電容器就像是一個漏水的小桶。它需要定時刷新，否則電子泄漏會使它變?yōu)?0 值。動態(tài) RAM 正是得名于這種刷

10、新操作。 動態(tài) RAM 需要不間斷地進行刷新， 否則就會丟失它 所保存的數(shù)據(jù)。 這一刷新動作的缺點就是費時，并且會降低內(nèi)存速度。存儲單元由硅晶片蝕刻而成， 位于由記憶列（位線） 和記憶行（字線）組成的陣列之中。 位線和字線相交，就形成了存儲單元的地址。圖 4 將位元排列在二維柵格中，就構(gòu)成了內(nèi)存。 在上圖中，紅色的存儲單元代表 1 值，而白色的存儲單元代表 0 值。 在演示動畫片中，先選出一個記憶列， 然后對記憶行進行充電以將數(shù)據(jù)寫入指定的記憶列中。DRAM 工作時會向選定的記憶列（ CAS）發(fā)送電荷，以激活該記憶列上每個位元處的晶體 管。寫入數(shù)據(jù)時，記憶行線路會使電容保持應(yīng)有狀態(tài)。讀取數(shù)據(jù)時

11、，由靈敏放大器測定電容 器中的電量水平。如果電量水平大于 50%，就讀取 1 值；否則讀取 0 值。計數(shù)器會跟蹤刷新 序列，即記錄下哪些行被訪問過，以及訪問的次序。完成全部工作所需的時間極短，需要以 納秒（十億分之一秒）計算。存儲器芯片被列為 70 納秒級的意思是，該芯片讀取單個存儲 單元并完成再充電總共需要 70 納秒。 如果沒有讀寫信息的策略作為支持，存儲單元本身是毫無價值的。 所以存儲單元擁有一 整套由其他類型的專用電路構(gòu)成的底層設(shè)施。這些電路具有下列功能： 判別記憶行和記憶列的地址（行選址和列選址） 記錄刷新序列（計數(shù)器） 從存儲單元中讀取、恢復(fù)數(shù)據(jù)（靈敏放大器） 告知存儲單元是否接受

12、電荷（寫保護） 內(nèi)存控制器要執(zhí)行其他一些任務(wù)， 包括識別存儲器的類型、速度和容量，以及檢錯等等。靜態(tài) RAM 使用了截然不同的技術(shù)。 靜態(tài) RAM 使用某種觸發(fā)器來儲存每一位內(nèi)存信息 （有 關(guān)觸發(fā)器的詳細信息， 請查見布爾邏輯的應(yīng)用） 。存儲單元使用的觸發(fā)器是由引線將 4-6 個 晶體管連接而成， 但無須刷新。 這使得靜態(tài) RAM 要比動態(tài) RAM 快得多。 但由于構(gòu)造比較復(fù)雜， 靜態(tài) RAM 單元要比動態(tài) RAM 占據(jù)更多的芯片空間。所以單個靜態(tài) RAM 芯片的存儲量會小一些， 這也使得靜態(tài) RAM 的價格要貴得多。靜態(tài) RAM 速度快但價格貴，動態(tài) RAM 要便宜一些，但速 度更慢。因此，

13、靜態(tài) RAM 常用來組成 CPU 中的高速緩存，而動態(tài) RAM 能組成容量更大的系統(tǒng) 內(nèi)存空間。3. ROMROM 也分為很多種： 1) 掩膜式 ROM 芯片生產(chǎn)廠家在制造芯片過程中把程序一并做在芯片內(nèi)部 , 這就是二次光刻版圖形 ( 掩 膜) 。存儲陣列中的基本存儲單元僅由一只 MOS 管構(gòu)成，或缺省，凡有 MOS 管處表示存儲 0 ， 反之為 1. 工廠在生產(chǎn)時 , 根據(jù)客戶提供的內(nèi)容 , 決定是否布下只 MOS 管. 用戶在生產(chǎn)好后 ,是不能改寫的 ( 難道撬開芯片 , 加個 MOS 管上去 ?) 由于集成電路生產(chǎn)的特點， 要求一個批次的掩膜 ROM 必須達到一定的數(shù)量 （若十個晶圓）

14、才能生產(chǎn)，否則將極不經(jīng)濟。掩膜 ROM 既可用雙極性工藝實現(xiàn)，也可以用 CMOS工藝實現(xiàn)。 掩膜 ROM 的電路簡單，集成度高，大批量生產(chǎn)時價格便宜。 2) 一次性可編程 ROM（PROM= ROM（ PROM=ProgrammableROM） ） 允許一次編程 存儲陣列除了三極管之外，還有熔點較低的連線 （熔斷絲）串接在每只存儲三極管的某 一電極上，例如發(fā)射極 . 編程之前，存儲信息全為 0 ，或全為 1 ，編程寫入時，外加比工作 電壓高的編程電壓，根據(jù)需要使某些存儲三極管通電，由于此時電流比正常工作電流大，于 是熔斷絲熔斷開路，一旦開路之后就無法恢復(fù)連通狀態(tài)， 所以只能編程一次。 如果把開

15、路的 三極管存儲的信息當作 0 ，反之，存儲的信息就為 1 3) 紫外線擦除可編程 ROM（EPROM=紫外線擦除可編程 ROM（EPROM=Erasable PROM） ） 用紫外線擦除后編程 , 并可多次擦除多次編程 FAMOS管與MOS管結(jié)構(gòu)相似，它是在 N 型半導(dǎo)體基片上生長出兩個高濃度的 P 型區(qū)，通 過歐姆接觸分別引出漏極 D 和源極 S ，在漏源之間的 SiO2 絕緣層中，包圍了一多晶硅材料， 與四周無直接電氣連接，稱之為浮置柵極，在對其編程時，在漏源之間加上編程電壓（高于 工作電壓）時，會產(chǎn)生雪崩擊穿現(xiàn)象，獲得能量的電子會穿過 SiO2 注入到多晶硅中，編程 結(jié)束后， 在漏源之

16、間相對感應(yīng)出的正電荷導(dǎo)電溝道將會保持下來， 如果將漏源之間感應(yīng)出正 電荷導(dǎo)電溝道的 MOS 管表示存入 0 ，反之，浮置柵不帶負電，即漏源之間無正電荷導(dǎo)電溝道的MOS管表示存入 1 狀態(tài) 在 EPROM芯片的上方，有一圓形石英窗，從而允許紫外線穿過透明的圓形石英窗而照射到半導(dǎo)體芯片上，將它放在紫外線光源下一般照射 10 分鐘左右，EPROM中的內(nèi)容就被抹掉， 即所有浮置柵 MOS 管的漏源處于斷開狀態(tài)，然后，才能對它進行編程輸入 出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息 1, 編程就是將某些單元寫入信息 0 EPROM是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器，它的存儲單元多采用 N 溝道疊柵 MOS 管

17、 （SIMOS） ，其結(jié)構(gòu)及符號如圖所示。除控制柵外，還有一個無外引線的柵極，稱 為浮柵。當浮柵上無電荷時，給控制柵（接在行選擇線上）加上控制電壓， MOS管導(dǎo)通； 而當浮柵上帶有負電荷時，則襯底表面感應(yīng)的是正電荷，使得 MOS 管的開啟電壓變高，如 圖所示，如果給控制柵加上同樣的控制電壓， MOS管仍處于截止狀態(tài)。 由此可見， SIMOS 管可以利用浮柵是否積累有負電荷來存儲二值數(shù)據(jù)。（a） 疊柵 MOS 管的結(jié)構(gòu)及符號圖（b） 疊柵 MOS 管浮柵上積累電子與開啟電壓的關(guān)系圖 6疊柵 MOS管在寫入數(shù)據(jù)前，浮柵是不帶電的，要使浮柵帶負電荷，必須在SIMOS 管的漏、柵極加上足夠高的電壓（如

18、25V） ，使漏極及襯底之間的 PN 結(jié)反向擊穿，產(chǎn)生大量的高能電子。這些電子穿過很薄的氧化絕緣層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負電荷。當移去外加電壓后 ,浮柵上的電子沒有放電回路，能夠長期保存。 當用紫外線或X 射線照射時，浮柵上的電子形成光電流而泄放，從而恢復(fù)寫入前的狀態(tài)。 照射一般需要 15 至 20 分鐘。 為了便于照射擦除， 芯片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板。 EPROM的擦除為一次全部擦除，數(shù)據(jù)寫入需要通用或 專用的編程器。 ROM（ EPROM） 4) 電擦除可編程 ROM（EEPROM = Electrically EPROM ） 加電擦除 , 也可以多次擦除 , 可以按字節(jié)編程

19、。 在 EPROM基本存儲單元電路的浮置柵 MOS管 T1 上面再生成一個浮置柵 MOS 管 T2 ， T2 將 浮置柵引出一個電極，使該電極接某一電壓 VG2，若 VG2 為正電壓， T1 浮置柵極與漏極之間 產(chǎn)生一個隧道效應(yīng)，使電子注入 T1 浮置柵極，于是 T1 的漏源接通，便實現(xiàn)了對該位的寫入 編程。 用加電方法，進行在線（無需拔下，直接在電路中）擦寫（擦除和編程一次完成）有字節(jié)擦寫、 塊擦寫和整片擦寫方法， 按字節(jié)為進行擦除和寫入， 擦除和寫入是同一種操作， 即都是寫入，只不過擦除是固定寫“ 1”而已，在擦除時，輸入的數(shù)據(jù)是 TTL 高電平。 EEPROM在進行字節(jié)改寫之前自動對所要

20、寫入的字節(jié)單元進行擦除， 只需要像寫普通 CPURAM一樣寫其中某一字節(jié)， 但一定要等到 5ms 之后， CPU 才能接著對 EEPROM進行下一次寫入 操作，因而，以字節(jié)為單元寫入是常用的一種簡便方式。寫入操作時，首先把待寫入數(shù)據(jù)寫入到頁緩沖器中，然后，在內(nèi)部定時電路的控制下把 頁緩沖器中的所有數(shù)據(jù)寫入到EEPROM中所指定的存儲單元，顯然，相對字節(jié)寫入方式， 第 二種方式的效率高， 寫入速度快。 EEPROM也是采用浮柵生產(chǎn)的可編程存儲器，構(gòu)成存儲單元的MOS 管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它與疊柵 MOS 管的不同之處在于浮柵延長區(qū)與漏區(qū)之間的交疊處有一個厚度 約為 80 埃的薄絕緣層，當漏極接地，

21、控制柵加上足夠高的電壓時， 交疊區(qū)將產(chǎn)生一個很強 的電場， 在強電場的作用下， 電子通過絕緣層到達浮柵， 使浮柵帶負電荷。 這一現(xiàn)象稱為“隧 道效應(yīng)”，因此，該 MOS 管也稱為隧道 MOS 管。相反，當控制柵接地漏極加一正電壓，則產(chǎn) 生與上述相反的過程，即浮柵放電。與 SIMOS 管相比，隧道 MOS 管也是利用浮柵是否積累有負電荷來存儲二值數(shù)據(jù)的， 不同的是隧道 MOS 管是利用電擦除的，并且擦除的速度要快得 多。 EEPROM電擦除的過程就是改寫過程，它是以字為單位進行的。 EEPROM具有 ROM 的非易 失性， 又具備類似 RAM 的功能， 可以隨時改寫 （可重復(fù)擦寫 1 萬次以上） 目前， 。大多數(shù) EEPROM芯片內(nèi)部都備有升壓電路。 因此，只需提供單電源供電，便可進行讀、 擦除 / 寫操作，為數(shù) 字系統(tǒng)的設(shè)計和在