-
1 教学内容
-
2 教学视频
-
3 作业和测验
本节教学内容：
1、随机存取存储器RAM
2、只读存储器ROM
教学目的和要求：
1、理解静态RAM芯片的基本单元电路和逻辑特性；
2、理解动态RAM的刷新；
3、理解静态RAM的读/写时序；
4、理解动态RAM的时序。
5、理解ROM的分类与结构。
重点：1、SRAM和DRAM的基本结构与工作原理；
2、RAM的读写时序。
难点：1、存储器的读写时序；
2、存储器的读写原理。
第1讲RAM的基本结构和时序
一、知识要点
1、静态RAM的读/写时序
2、动态RAM的结构
3、动态RAM的结构举例
二、教学安排
首先，通过的2114芯片的读/写周期时序图来介绍静态RAM的读/写时序，解释清楚几个关键信号的作用，并结合总线的同步传输来梳理数据的传输过程，然后分别介绍动态RAM的结构，在结构上注意和静态RAM的区别，并借助结构帮助同学们总结理解静态RAM和动态RAM的特点。
三、教学内容
1、静态RAM的读时序
下图是2114RAM芯片读周期时序，在整个读周期中WE*始终为高电平（故图中省略）。
读周期tRC是指对芯片进行两次连续读操作的最小间隔时间。读时间tA表示从地址有效到数据稳定所需的时间，显然读时间小于读周期。
①存储器收到地址总线上来的地址信号后，经过一定时间，片选信号CS*有效（片选信号CS*由地址信号译码产生）。
②片选信号CS*有效后，经过一定时间，存储器开始输出数据。输出数据稳定后，CPU获得数据。从CS有效到数据稳定的时间是tCO。
③tOTD：恢复时间，用于存储器内部操作。从输出数据稳定至可以输入新的地址的时间。
④地址信号消失后，数据维持的时间是tOHA。
⑤从存储器获得地址信号，到输出数据稳定的时间，称为"存取时间"tA。
⑥从存储器获得地址信号，到允许下次地址信号出现的时间，称为"读周期"tRC。
2、静态RAM的写时序
下图是2114RAM的写周期时序。
写周期tWC是指：启动一次写操作至启动下一次写操作的时间。
tA：存取时间（写入时间），从地址有效到数据写入。
tAW：地址建立时间，从地址出现到稳定。
tW：写脉冲宽度。
tWR：写操作恢复时间，从数据写入到可以输入新地址的时间，用于存储器内部操作。
tDW：数据有效时间，从数据稳定到数据写入。
tDH：数据保持时间，写信号无效后，输入数据应保持的时间。
写周期对时序的要求是：
①地址建立时间tAW（从地址输入到稳定）应尽量短，在写入信号WE有效前，地址已稳定。
②写脉冲宽度tW应满足要求。写周期tWC=tAW+tW+tWR。
已制成的RAM芯片读写时序关系已被确定，因此，讲它与CPU连接时，必须注意它们相互间的时序匹配关系，否则RAM将无法正常工作。具体RAM芯片的读/写周期时序可查看相关资料。
值得注意的是，不论是对存储器进行读操作还是写操作，在读周期和写周期内，地址线上的地址始终不变。
3、动态RAM的基本单元电路
常见的动态RAM基本单元电路有三管式的单管式两种，它们的共同特点都是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。数据以电荷形式存在电容C上，当C上有电荷，表示信息1;当C上无电荷，表示信息0。
下图中示意了由T1、T2、T3、这3个MOS管组成的三管RAM基本单元电路。
读出时，先对预充电管T4置一预充电信号（在存储矩阵中，每一列共用一个T4管），使读数据线达高电平VDD。然后由读选择线打开T2，若T1的极间电容Cg存有足够多的电荷（被认为原存“1”），使T1导通，则因T2、T1导通接地，使数据线降为零电平，读出“0”信息。若Cg没有足够电荷（原存“0”），则T1截止，读数据线为高电平不变，读出“1”信息。可见，由读出线的高低电平可区分其是读“1”，还是读“0”，只是它与原存信息反相。
为了提高集成度，将三管电路进一步简化，去掉T1，把信息存在电容上，将T2、T3合并成一个管子T，便得到单管MOS动态RAM基本单元电路，如下图所示。
读出时，字线上的高电平使T导通，若Cs有电荷，经T管在数据线上产生电流，可视为读出“1”。若Cs无电荷，则数据线上无电流，可视为读出“0”.读操作结束时，Cs的电荷已释放完毕，故是破坏性读出，必须再生。
写入时，字线为高电平使T导通，若数据线上为高电平，经T管对Cs充电，使其存“1”；若数据线为低电平，则Cs经T放电，使其无电荷而存“0”。
DRAM的特点：
(1) 利用电容存储电荷的原理来存储信息的。由于电容会逐渐放电，所以，必须对DRAM中的电容不断地补充电荷，这一过程称为刷新。
(2)电容上的电荷一般只能维持1~2ms，必须在2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或刷新。
(3) 所用MOS管较SRAM少，芯片位密度较高，如32Kb×1，16Mb×1。
(4) 功耗较小。
4、三管动态RAM芯片举例
三管动态RAM芯片结构的示意如下图所示。
这是一个1KÍ1位的存储芯片，图中每一小方块代表由3个MOS管组成的动态RAM基本单元电路。它们排列成32Í32的矩阵，每列都有一个刷新放大器和一个预充电管（图中未画），芯片有10根地址线，采用重合法选择基本单元电路。
读出时，先置以预充电信号，接着按行地址A9～A5经行译码器给出读选择信号，同时由列地址A4～A0经列译码器给出列选择信号。只有在行、列选择信号共同作用下的基本单元电路才能将其信息经读数据线送到读／写控制电路，并从数据线D输出。
写入时，在受行地址控制的行译码器给出的写选择信号的作用下，选中芯片的某一行，并在列地址的作用下，由列译码器的输出控制读／写控制电路，只将数据线D的信息送到被选中列的写数据线上，信息即被写入到行列共同选中的基本单元电路中。
四、互动及练习
本次课采用提问的互动方式：
1、在存储器的层次结构中，不同的存储器所起的作用？
请同学们自己谈谈不同层次存储器的作用，然后引入存储器层次结构的概念，以及为什么计算机系统要设置这种层次结构。
第2讲动态RAM的刷新和只读存储器
一、知识要点
1、动态RAM的刷新
2、动态RAM与静态RAM的比较
3、只读存储器的分类
4、只读存储器的结构
5、Cache的简介和工作原理
6、辅存简介
二、教学安排
首先，介绍3种动态RAM的刷新方式，并通过例题讲解刷新时间的计算，以及三种刷新方式的特点和区别。对存储器如何提高速度提出问题，让学生思考什么方式可以提升计算机速度，从而引出高速缓存，对高速缓存Cache及其工作原理做简单介绍。然后介绍几种只读存储器以及它们的基本单元电路和存储特点。
三、教学内容
1、动态RAM的刷新
刷新的过程实质上是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成元信息并重新写入的再生过程。
由于存储单元被访问是随机的，有可能某些存储单元长期得不到访问，不尽兴存储器的读／写操作，其存储单元内的原信息将会慢慢消失。为此，必须采用定时刷新的方法，它规定在一定的时间内，对动态RAM的全部基本单元电路必做一次刷新，一般取2ms，这个时间称为刷新周期，又称再生周期。刷新是一行行进行的。必须在刷新周期内，由专用的刷新电路来完成对基本单元电路的逐行刷新，才能保证动态RAM的信息不丢失。通常有三种刷新方式：集中刷新、分散刷新和异步刷新。
假设刷新1行的时间为0.5μs（刷新时间是等于存取周期的。因为刷新的过程与一次存取相同，只是没有在总线上输入输出。顺便说一下存取周期＞真正用于存取的时间，因为存取周期内、存取操作结束后仍然需要一些时间来更改状态。——对于SRAM也是这样，对于DRAM更是如此）。
并假设按存储单元分为128行128列。
1）集中刷新：在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读／写操作。
补充：为什么刷新与存取不能并行？：因为内存就一套地址译码和片选装置，刷新与存取有相似的过程，它要选中一行——这期间片选线、地址线、地址译码器全被占用着。同理，刷新操作之间也不能并行——意味着一次只能刷一行。
集中刷新：快到2ms的时候，停止一切对内存的读取操作，使用0.5μs×128对128行依次刷新。这将占用64μs。在这64μs中，内存只用来刷新，阻塞一切存取操作，其余的1936 μs用来读／写或维持信息，如下图所示。犹豫在这64μs时间内不能进行读／写操作，故称为“死时间”，又称访存“死区”，所占比率为128/4000*100%＝3.2%，称为死时间率。
2）分散刷新：是指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。其中，把机器的存取周期tC分成两段，前半段tM用来读/写或维持信息，后半段tR用来刷新，即tC= tM+ tR。在每个存取操作后绑定一个刷新操作。这样存取周期就成了0.5μs + 0.5μs = 1μs。它延长了存取周期。但是由于与存取操作绑定，就不需要专门给出一段时间来刷新了。这样，每有128个读取操作，就会把0-127行（共计128行）全部刷新一遍，如下图所示。又因为刷新是不间地断循环着的——循环对128行依次刷新，所以对于同一行，每128次读取就会轮到其被刷新——它的刷新周期是1μs ×128 = 128μs ＜2ms ，在2ms丢失电荷前就会及时补充。
3）异步刷新：是前两种方式的结合，它既可缩短“死时间”，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。分散刷新的刷新周期128μs ，其实根本不需要这么频繁，有些浪费，异步刷新就是恰好卡在2ms这个时间点上。对于每行以2ms为刷新周期足够了，刷新循环到它需要128刷新次操作，2ms ÷128 作为【每次刷新的周期】，如下图所示（注意每次刷新周期与特定行的刷新周期的不同：每次刷新间隔指对于内存来说它隔多长时间就进行一次刷新操作，轮着刷新时，刷新的行是上一次刷新的行的下一行——是不同的两行，但对于全局内存来说确实是两次刷新操作间隔。特定哪一行的刷新周期：下一次对它进行刷新的间隔，期间要经过128次内存刷新周期才又轮得到它。）过64次刚好保证每行的刷新周期为2ms。刷新操作周期为2ms ÷128 。但是这个时间并不是绑定在存取周期内，所以仍然是拒绝存取的死时间。但是它已经很小了。所以这种刷新策略非常可行。
2、动态RAM与静态RAM的比较
目前，动态RAM比静态RAM要广泛得多，其原因如下：
1）在同样大小的芯片中，动态RAM的集成度远高于静态RAM。
2）动态RAM行、列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少。
3）动态RAM的功耗比静态RAM小。
4）动态RAM的价格比静态RAM的价格便宜。当采用同一档次的实现技术时，动态RAM的容量大约是静态RAM容量的4～8倍，静态RAM的存取周期比动态RAM的存取周期快8～16倍，但价格也贵8～16倍。
5）由于使用动态元件，因此它的速度比静态RAM低。
6）动态RAM需要再生，故需配置再生电路，也需要消耗一部分功率。通常，容量不大的高速缓冲存储器大多用静态RAM实现。
3、只读存储器
只读存储器（英语：Read-Only Memory，简称：ROM）。ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。
除少数品种的只读存储器（如字符发生器）可以通用之外，不同用户所需只读存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产，进一步发展了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。例如早期的个人电脑如Apple II或IBM PC XT/AT的开机程序（操作系统）或是其他各种微电脑系统中的轫体（Firmware）。
1）掩模ROM
掩模ROM（Read-Only Memory）是一种只能读取资料的内存。
在制造过程中，在行选择线与列选择线交叉处既可有耦合元件MOS管，也可没有，其资料内容在写入后就不能更改。如下图所示，当地址为全“0”时，第0行、0列被选中，若其交叉处有耦合元件MOS管，因其导通而使列线输出为地电平，经读出放大器反相为高电平，输出“1”。当地址选中第31行、第0列时，此行列交叉处无MOS管，故0列线输出为高电平，经读出放大器反相为“0”输出。可见，用行、列交叉处是否有耦合元件MOS管，便可区分原存“1”还是存“0”。此内存的制造成本较低，常用于电脑中的开机启动。
2）PROM
可编程只读存储器（英文：Programmable ROM，简称：PROM）一般可编程一次。PROM存储器出厂时各个存储单元皆为1，或皆为0。用户使用时，再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。
PROM需要用电和光照的方法来编写与存放的程序和信息。但仅仅只能编写一次，第一次写入的信息就被永久性地保存起来。[2] 例如，双极性PROM有两种结构：一种是熔丝烧断型，一种是PN结击穿型。它们只能进行一次性改写，一旦编程完毕，其内容便是永久性的。由于可靠性差，又是一次性编程，目前较少使用。
如下图所示为一个由双极型电路和熔丝构成的基本单元电路。在这个电路中，基极由行线控制，发射极与列线之间形成一条镍鉻合金薄膜制成的熔丝，集电极接电源Vcc。熔丝断和未断可区别其所存信息是“1”或“0”。
3）EPROM
可编程可擦除只读存储器（英文：Erasable Programmable Read Only Memory，简称：EPROM）可多次编程。这是一种便于用户根据需要来写入，并能把已写入的内容擦去后再改写，即是一种多次改写的ROM。由于能够改写，因此能对写入的信息进行校正，在修改错误后再重新写入。
擦除远存储内容的方法可以采用以下方法：电的方法（称电可改写ROM）或用紫外线照射的方法（称光可改写ROM）。光可改写ROM可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。
一次编程只读内存（One Time Programmable Read Only Memory，OPTROM）之写入原理同EPROM，但是为了节省成本，编程写入之后就不再抹除，因此不设置透明窗。
4）EEPROM
电子可擦除可编程只读存储器（英文：Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM）之运作原理类似EEPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。
5）闪存
闪速存储器（英文：Flash memory）是英特尔公司90年代中期发明的一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器它既有EEPROM的特点，又有RAM的特点，因而是一种全新的存储结构。
闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位（注意：NOR Flash 为字节存储。），区块大小一般为256KB到20MB。闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，闪存与EEPROM不同的是，EEPROM能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，而闪存的大部分芯片需要块擦除。由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的BIOS（基本程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。
闪存是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。因为闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。
闪存卡（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（记忆棒）、XD-Picture Card（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。
四、互动及练习
本次课采用提问的互动方式：
1、RAM和ROM的区别？
同上题，也请同学们先结合之前讲授的内容自己讨论，来总结分析RAM和ROM的区别，并在讨论过程中给予引导和梳理。
2、动态RAM和静态RAM的区别？
请同学们先结合之前讲授的内容自己讨论，来总结分析动态RAM和静态RAM的区别，并在讨论过程中给予引导和梳理。
