半导体存储器

官方工学老师·27 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
存储单元读写机制架构权衡选型边界

半导体存储器

从晶体管级存储机理到芯片架构权衡,搞清读写原理、时序约束与选型边界

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存储单元读写机制架构权衡选型边界

半导体存储器

从晶体管级存储机理到芯片架构权衡,搞清读写原理、时序约束与选型边界

1第 1 页 · 半导体存储器

什么是半导体存储器

想想你去图书馆找书的过程:先查编号,走到对应格子,把书放进去或取出来。半导体存储器的核心,就是把这件事用电路做到极致——纳秒级完成同样的操作。

存储单元
最小单位,靠两种稳定物理态(如电荷有无)表示 1 比特
阵列结构
大量单元按行/列排成矩阵,字线选行、位线选列
寻址译码
地址经行/列译码器,从上亿单元中唯一定位一个
读写本质
读=感知当前状态;写=强制改变状态,都是电压/电流操控
图书馆书架借还书对应 →半导体存储器读写

格子=存储单元,编号=地址,放回/取出=写/读,但速度从分钟变纳秒

2第 2 页 · 什么是半导体存储器

存储器分类全景图

从中心向外读:根为半导体存储器,向下分 RAM 与 ROM 两条主线,每条下列出代表性子类。

图解渲染中…
SRAM静态Static RAM,触发器存储,速度最快,作缓存DRAM动态Dynamic RAM,电容存储,需刷新,主存主力MaskROM掩膜 ROM,出厂固化,用户不可改写Flash闪存现代主流,U盘、SSD、eMMC 都基于此
3第 3 页 · 存储器分类全景图

半导体存储器 vs 磁/光存储器

同是保存 0/1,半导体靠电状态,磁/光靠材料状态;速度、掉电保持和改写方式常被混为一谈。

半导体存储器
  • 原理:用晶体管或电荷状态表示 0/1
  • 断电:DRAM 丢失;Flash、ROM 可保留
  • 访问:电访问快;Flash 需按块擦写
  • 场景:缓存、内存、SSD、固件
磁/光存储器
  • 原理:用磁化方向或光盘介质状态表示 0/1
  • 断电:磁带、硬盘和光盘通常保留数据
  • 访问:硬盘受磁头寻道影响;光盘多为只读或擦写受限
  • 场景:硬盘大容量、磁带归档、光盘分发
要低延迟、随机访问和高集成,选半导体;大容量归档、长期保存或离线分发,选磁/光。
4第 4 页 · 半导体存储器 vs 磁/光存储器

RAM的基本特性

你正在用的电脑,开机时一切正常,一拔电源,刚才还在编辑的文档瞬间消失——这一切都和 RAM 的三大特性有关。今天从三个角度把它拆开看。

随机存取
任意地址访问时间相同,与存储位置无关
纳秒级读写
读写延迟在十纳秒级,比机械硬盘快约百万倍
挥发性
断电后数据立即丢失,无法恢复
教室黑板对应 →RAM

黑板可任意位置擦写→随机存取+读写;放学关灯即清空→挥发性

5第 5 页 · RAM的基本特性

SRAM结构与原理

六管静态存储单元的电路结构与读写机制

SRAM结构与原理
六管静态存储单元的电路结构与读写机制
6第 6 页 · SRAM结构与原理

DRAM结构与原理

从左上 1T+1C 结构出发,沿读写两条分支展开,最终汇入底部的漏电与刷新——这是 DRAM 单元的完整生命周期。

图解渲染中…
a11T+1C:一个晶体管 + 一个电容,DRAM 最简存储单元a7破坏性读出:读取动作本身会消耗电容里的电荷a10~64ms 是 JEDEC 规定的刷新周期上限,受温度影响
7第 7 页 · DRAM结构与原理

SRAM vs DRAM

都叫RAM、都易失,缓存用SRAM、主存用DRAM——差别到底在哪?

SRAM
  • 无需刷新,访问延迟约1ns
  • 6晶体管/单元,静态功耗偏高
  • 单元面积大,单位面积容量低
  • 同等容量下成本远高于DRAM
DRAM
  • 需周期性刷新,访问延迟略高
  • 刷新操作带来额外动态功耗
  • 1T1C结构,密度高出数倍
  • 每位成本低,适合做大容量
要速度选SRAM做Cache,要容量选DRAM做主存——各司其职,不是谁替代谁。
8第 8 页 · SRAM vs DRAM

RAM读写时序

把读、写周期拆成四个检查点,用关键时序参数抓住每次有效动作。

1
建立时序基准
先识别地址、片选、读写使能、数据及参考时钟
2
分析读周期
地址先有效,片选与读使能满足后,芯片经访问时间驱动数据
3
分析写周期
地址和数据先稳定,在建立与保持窗口内被器件采样
4
核对边界参数
用建立、保持、访问、恢复及高阻转换时间检查裕量
9第 9 页 · RAM读写时序

ROM的基本特性

非易失性、只读特性、典型应用场景

ROM的基本特性
非易失性、只读特性、典型应用场景
10第 10 页 · ROM的基本特性

ROM技术演进

ROM家族五代演进,每代解决上一代的一个痛点:能不能改、怎么改、改多快。

1
掩模ROM
出厂时由掩模版写入数据,便宜但无法修改
2
PROM
用户用熔丝烧写一次,写错即报废
3
EPROM
紫外线照射擦除后可重写,但需拆片
4
EEPROM
电信号按字节擦写,在线修改无需拆封
5
Flash
按块擦除,密度高成本低,成为主流
11第 11 页 · ROM技术演进

各类ROM结构对比

从ROM根节点出发,先按'能否改写'分两路,再沿每条路看各ROM的存储单元与编程方式。

图解渲染中…
B2a浮栅MOS:栅极悬空,可'困住'电子B3a双栅+隧穿层:电擦除的物理基础B4a分裂浮栅:NOR/NAND闪存主流结构
12第 12 页 · 各类ROM结构对比

Flash Memory详解

上一页讲完ROM家族演进,今天打开Flash这扇门。你每天用的U盘、SD卡、SSD——它们内部其实长得不一样。这页拆开Flash,看NOR和NAND两种完全不同的架构思路。

NOR Flash架构
单元并联,每个有独立门牌号,可随机读取任意字节
NAND Flash架构
单元串联,8到16个共用位线,按页读写、按块擦除
单元连接方式
NOR并联可独立寻址;NAND串联共享位线,无独立地址
应用场景差异
NOR装代码芯片(BIOS/固件);NAND做大容量存储
性能与成本取舍
NOR读快写慢贵;NAND密度高便宜,但需ECC纠错
图书馆对应 →NOR与NAND结构

NOR像开放书架可任意取书;NAND像密集仓库按货架号整批搬运

13第 13 页 · Flash Memory详解

RAM vs ROM对比

都叫'内存'却一易失一持久,常被混为一谈,搞清三点才能选对芯片。

RAM 随机存储器
  • 断电即丢失,是临时记忆
  • 可任意读写,访问快
  • 运行程序与处理数据
ROM 只读存储器
  • 断电不丢失,永久保存
  • 写入受限,需特殊操作
  • 固化启动与底层固件
反复改写的临时数据放RAM;固化不变的开机程序放ROM。两者协同,缺一不可。
14第 14 页 · RAM vs ROM对比

存储器主要参数

上一张表我们用「快不快、能不能改写」区分了 RAM 和 ROM,但这只是冰山一角。工程师选型时真正盯的是一组互相制约的参数——这一页把它们拆开看。

存储容量
能存多少 bit/Byte,单位常见 Mb、Gb、GB
访问时间
单次读/写操作耗时,单位 ns;区分随机与连续
功耗
工作态与待机态,差距可达 3 个数量级
可靠性
擦写次数 endurance + 数据保持时间 retention
成本
单位 bit 造价,是多指标综合权衡的结果
选车时看的指标对应 →存储器核心参数

容量=载重、访问时间=百公里加速、功耗=油耗、可靠性=故障率、成本=裸车价

15第 15 页 · 存储器主要参数

容量与地址线/数据线关系

内存芯片向左引出两条支线:地址线经二值组合决定单元数量,数据线决定每单元位数,末段相乘得到总容量公式。

图解渲染中…
B2n 根 0/1 二值线组合数为 2^n(排列)D1每个唯一地址选中一个存储单元E1数据线根数即一次读/写并行的位数F1总位容量 = 单元数 × 每单元位宽
16第 16 页 · 容量与地址线/数据线关系

典型存储器芯片实例

verilog

用 Verilog 行为模型把 2114 SRAM 的引脚功能「跑」出来——读、写、片选、总线共享全部由代码逻辑体现。

代码高亮加载中…

把 2114 的引脚映射为 Verilog 端口;三态 assign 体现了 CS 与 WE 的互锁;同样的框架下,把 WE 替换为 OE、加一个 PGM 输入,就得到 2764 EPROM 模型。

17第 17 页 · 典型存储器芯片实例

为什么要扩展存储器

上一页看到的 6264(8K×8)、62256(32K×8)规格都是出厂定死的。但系统常常要更大的容量或更宽的数据总线——单片不够用,就必须扩展。

字扩展(容量扩展)
单元位宽不变,多片共用数据总线,按地址段切分
位扩展(位宽扩展)
单元数不变,多片数据线并联输出,拼出更宽总线
字位同时扩展
纵向扩容量与横向扩位宽同时进行,工程中最常见
扩展要解决的核心问题
地址线分配、片选译码、时序配合、总线驱动
图书馆书架对应 →存储器扩展

加书架=字扩展,加宽单格=位扩展,二者都改=字位同扩

Ctotal=Csingle×kword×kbitC_{total} = C_{single} \times k_{word} \times k_{bit}
18第 18 页 · 为什么要扩展存储器

存储器的字扩展

当单片容量不够时,把多片芯片拼起来扩地址空间,五步完成。

1
算片数
用所需总容量除以单片容量,确定需要几片
2
分地址线
低位地址线给片内寻址,高位地址线留作片选
3
译码片选
高位地址线经译码器译码,产生各片的片选信号
4
数据并联
所有芯片的 DQ 直接并联到系统数据总线
5
验证地址空间
检查各片地址范围连续、无空洞、无重叠
19第 19 页 · 存储器的字扩展

存储器的位扩展

当单片位宽不够时,把多片并联,拼出目标数据宽度。

1
算缺口
目标位宽除以单片位宽,得出所需芯片数
2
并联数据线
各片数据线接总线不同段,如D0~D3、D4~D7
3
共用地址线
所有片的地址线并联,访问同一存储单元
4
复用控制信号
读写、片选信号同时驱动所有片
20第 20 页 · 存储器的位扩展

字位同时扩展

字位同时扩展,既要凑够字数也要拼够位宽,芯片要排成二维矩阵。

1
定目标与单片
先确定目标容量与位宽(例8K×8),再选定单片规格(例1K×4)。
2
算字向组数
字扩负责字数:组数=目标字数÷单片字数(不够则向上取整)。
3
算位向片数
位扩负责位宽:片数=目标位宽÷单片位宽,片内并联同时读写。
4
算总片数
总芯片数=字向组数×位向片数,自然落成一个二维矩阵。
5
低位直通
片内寻址用的低位地址,直接并联到全部芯片上,无需额外逻辑。
6
高位译码选片
组间切换用的高位地址送入译码器,任何时刻只激活矩阵中的一组。
21第 21 页 · 字位同时扩展

ROM实现逻辑函数的原理

RAM 能读能写,ROM 掉电不丢——但 ROM 还有个隐藏身份:它本身就是一张真值表,可以直接实现任意组合逻辑函数。

地址线 = 输入变量
n 条地址线接收 n 个逻辑变量,作为组合逻辑函数的输入
数据线 = 输出函数
m 条数据线一次给出 m 位输出,可同时实现 m 个函数
存储内容 = 真值表
地址 k 处存的位,就是该输入组合对应的函数值
2ⁿ 行覆盖全集
n 个输入共 2ⁿ 种取值,ROM 用 2ⁿ 行一一对应,无需化简
字典查字对应 →ROM 实现组合逻辑

给一个字(地址/输入)→翻字典(ROM 译码查找)→读出释义(数据/输出)。字典内容就是真值表

fi=k=02n1dikmkf_i = \sum_{k=0}^{2^n-1} d_{ik} \cdot m_k
22第 22 页 · ROM实现逻辑函数的原理

ROM实现步骤

把目标逻辑关系整理成ROM内容,并逐步确认容量、写入和读出结果。

1
列真值表
枚举全部输入组合及对应输出位,先固定逻辑关系
2
确定容量
输入数决定字数,输出数决定位宽,容量为m×2ⁿ位
3
写入数据
按器件类型通过掩模、熔丝或电编程,将存储字写入位阵列
4
验证输出
遍历有效地址,将读出数据与真值表逐项比对,并检查边界
23第 23 页 · ROM实现步骤

实例:用ROM实现3变量多数表决器

verilog

用 Verilog 写一个 8×1 ROM,其存储内容就是多数表决器的真值表。地址={A,B,C},数据=F,可综合、可仿真。

代码高亮加载中…

ROM 内容就是真值表:地址当自变量,数据当函数值。'烧入'过程=写入逻辑函数,查表过程=组合逻辑求值,没有一个门电路。

24第 24 页 · 实例:用ROM实现3变量多数表决器

核心知识回顾

  • 速度与成本此消彼长:SRAM快但贵,DRAM密但需刷新
  • RAM易失靠刷新,ROM非易失靠结构——决定各自用途
  • 存储扩展靠字与位,地址片选是核心
  • ROM本质是译码+阵列,可实现任意组合逻辑
  • Flash已兼并传统ROM功能,成为非易失主流
延伸主题:CPU与存储器的连接Cache层次结构存储器的校验与纠错
25第 25 页 · 核心知识回顾

自测检验

点击作答

DRAM需要周期性刷新而SRAM不需要,根本原因是什么?

26第 26 页 · 自测检验

课后思考

先合上参考答案,自己琢磨 30 秒,再往下看提示。

1DRAM 为什么要定期刷新,而 SRAM 不需要?请从存储单元的结构差异解释。

参考答案DRAM 用电容存电荷,电容存在漏电,必须周期性重写;SRAM 用 6 管双稳态触发器锁存状态,掉电前状态自然保持,无需刷新。

2实际工程中,什么时候选字扩展,什么时候选位扩展?判断依据是什么?

参考答案存储单元数不够时用字扩展(增加地址线,扩展地址位宽);单次读写的数据位宽不够时用位扩展(增加数据线)。依据是看缺的是"单元数"还是"位宽"。

3ROM 能实现所有组合逻辑函数吗?它有没有表达不了的逻辑形式?

参考答案不能。ROM 本质是"输入译码 + 或阵列"的查表结构,只能表达纯组合逻辑;时序逻辑(计数器、状态机等需要状态记忆的电路)ROM 单独无法实现。

27第 27 页 · 课后思考