北京大学：《集成电路原理与设计 Principle of Integrated Circuits》课程电子教案（数字集成电路原理与设计）chap7-1 第七章 MOS存储器 7.1 MOS存储器结构

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 第七章Mos存储器 7.1Mos存储器结构

1 第七章 MOS存储器 7.1 MOS存储器结构 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 计算机组成 MEMORY CONTROL DATAPATH ■存储器是数字系统中重要的组成部分,直接影响着系 统的面积,速度和功耗

2 计算机组成 MEM ORY DATAPATH CONTROL INPUT-OUTPUT - 存储器是数字系统中重要的组成部分，直接影响着系 统的面积，速度和功耗 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 存储器层次 口速度(带宽)与成本的折中 On-Chip components Control eDRAM Second Secondary Main Memot 回l Level Datapath T Cache Memory (Disk) (SRAM) (DRAM) a Speed(ns): . 1s 10’s 100’s 1.000s Size(bytes): 100s Ks 10Ks Ms Ts Cost lowest

3 Second Level Cache (SRAM) 存储器层次 Control Datapath Secondary Memory (Disk) On-Chip Components RegFile Main Memory (DRAM) Data Cache Instr Cache ITLB DTLB eDRAM Speed (ns): .1’s 1’s 10’s 100’s 1,000’s Size (bytes): 100’s K’s 10K’s M’s T’s Cost: highest lowest 速度（带宽）与成本的折中 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

nerated by Foxit PDF Creator@ Foxit Softy /. foxitsoftware com For evaluation Memory Timing: Definitions Read cycle READ Write cycle Read access Read access WRITE Write access Data valid Data written

4 Memory Timing: Definitions Write cycle Read access Read access Read cycle Write access Data written Data valid DATA WRITE READ Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation Mos存储器结构 ■存储器分类 Mos存储器结构 ■外围电路

5 MOS存储器结构  存储器分类  MOS存储器结构  外围电路 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

nerated by Foxit PDF Creator@ Foxit Softy /. foxitsoftware com For evaluation 摩尔定律引导的M0S存储器发展 摩尔定律:单个片上所能容纳的景件数 量,每1218个月翻一香 芯片面积mm2 摩尔定律得以保持的途径: 单元面积pm2 缩小特征尺寸 增大花片面积 单元结构的改进 0特征尺寸 M86)4M89)6M(2)64M95)256M98)lG01)4G(04 集成度

6 摩尔定律引导的MOS存储器发展  摩尔定律：单个芯片上所能容纳的器件数 量，每12-18个月翻一番。 摩尔定律得以保持的途径： 缩小特征尺寸 增大芯片面积 单元结构的改进 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

nerated by Foxit PDF Creator@ Foxit Softy /. foxitsoftware com For evaluation MOS存储器的分类 MOS存储器主要分为两火类 ■随机存取存储器( Random Access memory, RAM):挥发性存储,新电后存储内容消失。 只读存储器( Read Only memory,ROM): 不挥发性存储,存储内容可以长期保持,至少 保持10年以上。 不挥发性随机存取存储器( FeRAM,MRAM)

7 MOS存储器的分类  MOS存储器主要分为两大类  随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）：挥发性存储 ，断电后存储内容消失。  只读存储器（Read Only Memory, ROM）： 不挥发性存储，存储内容可以长期保持，至少 保持10年以上 。  不挥发性随机存取存储器(FeRAM, MRAM) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

nerated by Foxit PDF Creator@ Foxit Software I//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 士机香Ⅷ温类 动态随机存取存储器( Dynamic Random Access Memor y, DRAM) 存储原理:依靠电容存储,保持肘间短,必须定期刷新。 特点:单元电路简单,面积小,有利于提高集成密度 用途:集成度高、功耗低,适合于计算机的内存。 静态随机存取存储器( Static Random access Memory, SRAM) 存储原理:双稳态电路存储,只要不断电存储信息不会丢失。 特点电路复杂,占用面积大,集成度不如DRAM高。 用途:工作速度快,常用来作高速缓冲存储器( cache

8 随机存取存储器RAM分类 动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory, DRAM）: 存储原理：依靠电容存储，保持时间短，必须定期刷新。 特点：单元电路简单，面积小，有利于提高集成密度 用途：集成度高、功耗低，适合于计算机的内存 。 静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）： 存储原理：双稳态电路存储 ，只要不断电存储信息不会丢失。 特点：电路复杂，占用面积大，集成度不如DRAM高 。 用途：工作速度快，常用来作高速缓冲存储器（cache） 。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 只读存储器ROM的分类 1.掩模编程的只读存储器( Mask rom):真正 意义的只读存储器,存储信息由制作肘的某一 块掩模版确定,产品生产出来存储内容就不能 再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等 固定内容。 2.基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器( programmable ROm,PROM):存储内容由用户 编程确定,一般只能编程一次,相当于固定内 容的只读存储景,但是比 Mask rom在应用上 有一定灵活性

9 只读存储器ROM的分类 1.掩模编程的只读存储器（Mask Rom）：真正 意义的 只读存储器，存储信息由制作时的某一 块掩模版确定，产品生产出来存储内容就不能 再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等 固定内容。 2.基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器（ programmable ROM, PROM）：存储内容由用户 编程确定，一般只能编程一次，相当于固定内 容的只读存储器，但是比Mask ROM在应用上 有一定灵活性。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 只读存储器R0M的分类(续) 3.可擦除的可编程只读存储器( erasable and programmable ROM, EPROM):可以随机改写,擦除 和写入肘问较长,耗能较大,不如RAM的写入方便 因此归入只读存储器类。 (1)紫外光擦除 UVEPROM( ultraviolet eprom) 只能在断电情况下全片统一擦除。 (2)电擦除 EEPROM( electrical eprom): 按位擦除和改写 Flash Memory 种可全片或按扇区快速擦除的 EEPROM 10

10 3.可擦除的可编程只读存储器（erasable and programmable ROM, EPROM）:可以随机改写，擦除 和写入时间较长，耗能较大，不如RAM的写入方便， 因此归入只读存储器类。 只读存储器ROM的分类(续) （1）紫外光擦除 UVEPROM（ulraviolet EPROM） 只能在断电情况下全片统一擦除。 （2）电擦除 EEPROM（electrical EPROM）： 按位擦除和改写 Flash Memory—— 一种可全片或按扇区快速擦除的 EEPROM Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only