微机系统的存储器（一）半导体存储器_内存和外存都是由半导体器件构成的吗

1. 存储器概述

1.1 微机系统的存储器体系

微机系统的存储器主要可以分成两大类：一类是内部存储器，也称为主存储器，简称为内存和主存；另一类是外部存储器，也称为辅助存储器，简称为外存或赋存。内存由半导体器件构成，分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）两大类；而我们平常所说的磁盘、光盘、U盘、移动硬盘则属于外存。
在主存储器中，RAM属于易失性存储器，掉电后信息丢失不能恢复；ROM属于非易失性存储器，掉电后信息不丢失，可长期保存，所以一般用来存放固定的程序（系统的引导程序、BIOS等）或重要参数。
今天总结的主要是RAM，分为静态随机存取存储器SRAM、动态随机存取存储器DRAM两种。在整个微机系统存储体系的位置如下图所示。

1.2 半导体存储器性能指标

存储容量：每一个存储芯片能够存储的二进制位数，GB级以上还有TB, PB, EB等单位。

存取速度：从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间，通常以ns为单位。
存储器带宽：存储器每秒传输的数据总量，通常以 B/s 为单位。

2. RAM

2.1 SRAM（静态RAM）

2.1.1 工作原理

SRAM的基本存储电路内部结构如图所示。其中，上半部分是基本存储单元，用来存储二进制信息0或1；下半部分是读写逻辑单元，由三个三态门、三根信号线和一根数据线组成。

另外，整张图中共有T1~T8八个MOS管，其中T1, T2, T3, T4组成了一个双稳态触发器；T5, T6为行线选通管；T7, T8为列线选通管。当对该存储单元进行读写时意味着该存储单元被选中，故行线X和列线Y为高电平，T5, T6和T7, T8全部导通，因此有了下图的信号流向。 下面假设数据线中为信号1，说明读写时内部电路信号流向（下图中信号线和上面一幅图稍有不同，我们忽略高低电平有效带来的差异，只说控制线是否“有效”）。

• 写数据时如左图。“写控制”有效，“读控制”无效，所以三态门A、B导通，C呈现高阻状态。数据线中的1经过B到达O1节点，经过A（反向三态门）后变成了0到达了O2。到达O1的1接T1的输入端，所以T1导通，使T1稳定输出0；到达O2的0接T2的输入端，所以T2截止，从而T2稳定输出1。
• 读数据时如右图。“读控制”有效，“写控制”无效，所以三态门A、B处于高阻状态，C导通。信息从O1点经过C传到数据线上，O1点为1即传过来1，为0则传过来0。
  

2.1.2 典型芯片

上面讲的是SRAM的基本存储电路，只能存取1位数据，而真正的SRAM芯片则是由多个基本电路以矩阵形式组成的存储阵列，下图是SRAM芯片的一般结构。左边上边是行列译码器，下边是三个控制信号（读、写、片选），右边是一个输出缓冲器。

拿出一块具体的芯片62256来说，就长右边这样：

2.2 DRAM（动态RAM）

2.2.1 工作原理

DRAM看起来就不那么复杂了，下面两图分别是写和读操作的信号流向。

• 左图写。选中该存储单元时，T1, T2导通，数据线中的信号最后到达电容C1的上端，如果写的是1那么最终C1两端的电平就是高，反之就是低。这里特意强调了一下“最终”，因为电容两端的电压是不能突变的，所以这个写数据的过程本质上就是给电容C1充电的过程，因此需要一定的时间才能让C1的电平到达某个阈值。
• 右图读。同样，行列线被选中，信息从C1两端经过T1, T2到达A端。

另外，虽然CMOS管是高阻器件，漏电流很小，但是漏电流总是客观存在的，因此C1两端的电荷经过一段时间就会泄露掉，所以不能长时间保存信息。为了维持所存储的信息，必须设法使信息再生，这也就是所谓的“刷新”，同样解释了DRAM为什么叫做动态（Dynamic）随机存取存储器；相比之下的SRAM十分稳定，无需刷新，所以叫做静态（Static）随机存取存储器。
T0管为刷新电路提供信息通道，刷新电路每隔一段时间就会对电容两端的电压进行检测：如果高于Vcc/2，则T0管向位线重新写1从而给C1充电到Vcc；反之，写0使C1放电至0.只要刷新时间满足一定要求，就能保证原有的信息不丢失。
刷新方式主要有三种：集中刷新、分散刷新、异步刷新，这里就不展开讲了。

2.2.2 典型芯片

DRAM的一般结构如下图：

这里值得注意的是，DRAM为了节省外部引脚采用了行选和列选的译码方式，使外部地址线条数只是实际寻址地址线条数的一半。 举个例子：

2.3 改进型DRAM

有很多种改进型DRAM，这里主要提两种。

• SDRAM（Synchronous DRAM 同步动态随机存取存储器）。将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使得RAM和CPU能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作。
• DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM 双倍速率同步动态随机存取存储器）。我们一般认为一个脉冲下CPU读写数据一次，但是它在系统时钟的上升沿和下降沿都能进行数据传输，即每次读取数据2次、预取数据2位，所以在数据宽度为64位的情况下，即使在100MHz的总线频率下，它的有效频率位200MHz，所以总线带宽 = 100MHz * 2 * (64b / 8) = 1.6GB/s。

目前，最新一代的存储器规格是DDR4 SDRAM（可以在京东搜一下QAQ）。

3. ROM

简单列举几种ROM

• 掩膜型只读存储器（MROM）：存储信息是靠MOS管是否跨接来决定0、1的，当跨接MOS管，对应位信息为0，当没有跨接，MOS的位置对应的信息为1。
• 可编程只读存储器（PROM）：存储信息是靠存储单元中的熔丝是否熔断决定0、1的，熔丝未断为1，熔断为0。
• 可擦除可编程只读存储器（EPROM）：是靠FAMOS浮置栅是否积累电荷存储信息0和1的。
• 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）：可以在线擦除和改写。
• 闪速存储器（Flash Memory）：也成为快速擦写存储器，是由EEPROM发展起来的，因此它属于EEPROM类型。

4. 新型非易失性随机存取存储器

传统半导体存储器的两大体系：易失性存储器和非易失性存储器。前者例如SRAM、DRAM，虽然数据易失，但是有性能性能高、易用的特点；后者例如各种ROM，虽然断电后数据不丢失，但是都基于ROM技术，具有数据不易写入的缺点。新型的存储器既具有RAM的优点，又具有ROM非易失性特征，同时又可以快速无限次读写，这种新型存储器有铁电式随机存储器（FRAM）和磁阻式随机存储器（MRAM）。