單元九

單元九 記憶體

單元九記憶體 • 9-1 前言 • 9-2 半導體記憶體 • 9-3 半導體技術與邏輯族 • 9-4 RAM • 9-5 ROM • 9-6 磁泡記憶體

9-1 前言 • 主記憶體 • 具備儲存資料的能力 • 任何程式必須先讀出或輸入主記憶體才能處理 • 主記憶體的容量愈大。 • 能夠儲存的資料和程式也就愈多，處理能力也就愈強， • 在執行過程中，就不必經常做輸入的動作而使執行速度加快。 • 主記憶體所用的材料不斷的改進 • 早期使用於真空管、稍後的電晶體的磁芯 • 1970年代，積體電路發明，由於價格、速度、體積和記憶容量等多方面的優勢。使磁芯記憶體成了昨日黃花而遭淘汰

9-1 前言 • 目前微電腦系統都使用半導體記憶體。 • 速度 VS 成本 • IBM的PC-AT的記憶容量可達數+M位元組，一般配備至少64MB， • 在主機板上有數個記憶模組插座，必要時可以擴充其記憶容量。

9-2 半導體記憶體 • 半導體記憶體 • 是以矽為主要材料，利用不同的製造程序和製造方法，製造出各種半導體元件，如電晶體、場效應電晶體、積體電路等 • 由於微型技術的發展，得以在一小小晶片(chip)情A製造出數以萬計的電晶體，組成極大容量的記憶元件。 • 由半導體所構成的基本記憶元件為正反器(nip@nop)，它能儲存一個位元的資料。 • 半導體係指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。

9-2 半導體記憶體 • 半導體記憶體的種類 • 僅讀記憶體中(ROM)。 • 讀寫記憶體中(RAM) • 循序式記憶體。 • 以循序的方式，逐一讀寫資料，大都用於特殊場合 • 僅讀記憶體 ROM (Read Only Memory)是指在一般狀況下，僅能讀取其中資料，而不能寫入資料的記憶體而言。 • ROM。 • PROM • EPR(Erasable PROM)： • EEPROM(Electrically Erase PROM)： • Flash Memory或Flash ROM：稱為快閃記憶體，

9-2 半導體記憶體

9-2 半導體記憶體 • 隨機存取記憶體 RAM (Random Access Memory)，是指可以依所選定的位址，讀取其中資料或將資料寫入其中加以儲存的記憶體。要可分為二大類: • SRAM • DRAM。

9-2 半導體記憶體 • 靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory, SRAM)相對於動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)的特性為存取速度較快(10~15ns以上)、成本高、屬於非揮發性(nonvolatile)記憶體模組、不需充電、耗電量高、材料為正反器(Flip Flop) • 因為SRAM使用6個電晶體儲存1個位元資料，它不需靠不斷的充電、放電以保存資料 • 雖然SRAM的速度較DRAM快，但因價錢較貴，所以一般不會當成需要大量容量的主記憶體用途，而是使用在協助CPU工作的快取記憶體(cache memory)

9-2 半導體記憶體 • 快取記憶體可加速系統效能 • 一般我們所用的主記憶體(DRAM)的速度較慢，所以在CPU和DRAM之間會多了一個速度較快的快取記憶體(cache memory)，用快取記憶體取代主記憶體的角色，可加快CPU的處理速度 • 快取記憶體也可存放一些CPU常會用到的程式或資料，所以CPU要資料時，先向快取記憶體要資料，如果要不到才會向DRAM要資料。

9-2 半導體記憶體 • 動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)相對於靜態隨機存取記憶體(SRAM)的特性為存取速度較慢(60-70ns以上)、成本低、屬於揮發性(volatile)記憶體模組、需要充電、耗電量低、材料為電容。 • DRAM可隨時寫入或讀出資料，關閉電源時，存放在RAM的內容會消失，不可永久保存資料。電腦系統的DRAM容量可擴充

9-3 半導體技術與邏輯族 • 半導體記憶體的製造 • 雙極體(bipolar) • 讀寫速度較快，但耗電量大。 • 佔用體積較大，不適於製造大型積體電路(LSI) • 大多用於暫存器或快取記憶體，甚少用於主記憶體。 • MOS (Metal Oxide Semiconductor) • 可分為PMOS、-NMOS和CMOS三種 • 體積小、耗電量少，較適合於製造大型積體電路，但其速度較雙極體慢。

9-3 半導體技術與邏輯族

9-3 半導體技術與邏輯族 • 積體電路 • 依其邏輯閘數，可概分為 • 小型積體電路(SSI) • 小於10個等效邏輯閘 • 中型積體電路(MSI) • 小於100個邏輯閘 • 大型積體電路， • 數以千計邏輯閘的的LSI和 • 超大型積體電路(VLSI) • 依其邏輯族系則可分為TTL、ECL、NMOS、PMOS和CMOS等數種， • 雙極體：TTL、ECL • MOS： NMOS、PMOS和CMOS

9-4 RAM • RAM是一種用以暫時儲存程式、資料的記憶體，可視需要而隨時執行寫入或讀出動作，其所儲存資料將隨電源之切斷而消失。 • 靜態RAM (Static RAM，簡稱SRAM) • 動態RAM (Dynamic RAM，簡稱DRAM)

Q1、Q2、Q3、Q4為儲存的本體，Q3、Q4為Q1、Q2的電阻性負載，當Q1OFF，Q2ON(飽和)時，儲存 “1”的資料，反之當Q2OFF，Q1ON時，儲存"0"的資料。

16表示有16K bit，即有 16384 bit的記憶容量，有8條資料線，16384÷8=2048位元組的記憶容量，位址線有11條(211=1024)。內部採用XY交叉選址方式，即A0~A6為列位址，A7~A10為行位址，兩者解碼之後可選到真正位址，通常靜態記憶體單獨一顆即可存取資料。

9-4 RAM • 動態RAM的儲存單元 • 是一種高密度的記憶億元件， • 利用閘極和基體(substrate)間的電容量來儲存電荷。 • 有電荷時代表儲存。1"時。無電荷即代表儲存"0"; • 由於電容器上的電荷會因放電而消失。因此必須每隔一段時間(1~2ms)就刷新(reflash)一次

9-1 前言 • 圖9-4同為16腳IC，只有一位元，因此使用時，必須八個一組，組成一個位元組。 • 它的位址線分別為6、7、8條，因係採用位址多工的方式，所以位址線減半 • DRAM的記憶容量，是以4倍的級數增加。因為增加一條位址線，即增加2條位址線，因此，記憶容量增加4倍(22=4))

9-4 RAM • 分類 • 增強資料輸出隨機存取記憶體(Extended Dale Output Dynamic Random Access Memory,簡稱EDO DRAM) • 同步隨機存取記憶體(Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡稱SDRAM) • 視訊隨機存取記憶體(Video Random Access Memory，簡稱VRAM) • 同步顯示繪圖用隨機存取記憶體(Synchronous Graphic Random Access Memory。簡稱SGRAM) • 視窗記憶體(Windows Random Access Memory。簡稱WRAM) • 記憶體匯流排動態隨機存取記憶體(Rambus Dynamic Access Memory，簡稱RDRAM或 Rambus DRAM) • 同步雙倍資料傳送動態隨機存取記憶體(Double Data Rate synchronous Dynamic Random Acces memory簡稱DDR SDRAM)

9-4 RAM • 同步雙倍資料傳送繪圖用動態隨機存取記憶體(Double DataRate Synchronous Graphic Random Access memory，簡稱DDR SGRAM) • DDR2 SDRAM（Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory）第二代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體，提供了相較於DDR SDRAM更高的運行效能與更低的電壓，是DDR SDRAM（雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體）的後繼者，也是現時流行的記憶體產品。 • VRAM、SGRAM、WRAM、DDR SGRAM是繪圖顯示介面卡所專用 • 目前主記憶體大都改為模組包裝方式，便於安裝與擴充。

9-4 RAM • 記憶體模組 • 3Opin:最早的包裝方式，為80386時期所用。 • 72pin(SIMM):為80486及早期Pentium時期使用，32bit包裝。 • 168pin(DlMM):目前使用最多的模組，64bit模組。容量在32MB~512MB之間。 • 144pin:為筆記型電腦使用。 • RIMM:採用RDRAM記憶體。存取速度在60OMHz~80OMHz之間。 • 18Opin:使用DDR SRAM記憶體。 • 184pin: DDR DRAM • 240pin:DDR II DRAM

9-5 ROM • ROM • 一種僅能讀出其內容加以執行或處理的記憶體， • 大致可分為:ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM五種 • 罩幕式僅讀記憶體(masked ROM，簡稱ROM) • 為最簡單的一種僅讀記憶體，其內部的資料在製造時即已固定。使用者無法改變其內容，一般用於大量製造的場合。 • 可程式僅讀記憶體(programable ROM，簡稱PROM) • 其內部由電晶體串聯一極細保險絲製成。使用者可利用程式燒錄器，將不要部份以較高電壓將熔絲燒斷，即可永久儲存資料。

9-5 ROM • 可消除可程式僅讀記憶體(EPROM) • EPROM的E為消除(Erasable)的意思，即寫在記憶體內的資料可以消除重寫，較PROM更具靈活性，當然要消除必須以紫外光線照射30分鐘左右，而不是以一般方式來擦除資料。 • 電子消除式可程式僅讀記憶體(E2PROM，又稱EAROM) • 由於紫外線對人體有害，一不小心可能傷及眼睛，因此改良出以足夠的負電壓來消除記憶IC內的資料，安全又快速。

9-5 ROM • 快閃記憶體(Flash memory或 Flash ROM) • 快閃記憶體是目前最新的一種ROM形式記憶體 • 於1980年由Intel公司推出。 • 主要是用來替代E2PROM，供做系統程式之儲存且便於更新Update)工作之進行， • 由於價格便宜、速度快、容量又大，因此，目前的BIOS及記憶卡、MP3機、數位相機等都改用Flash ROM， • Flash ROM的資料更新是以一個區塊(block)為單位，每個Block可由16~5l2Bytes組成，整個Flash ROM的記憶容量在256kbits到512Mbits之間，更大容量產品陸續開發中。

9-5 磁泡記憶體 • 磁泡記憶體 • 磁泡(bubble)是指在合成矽鎳單品薄膜(或石榴石或非晶態金屬薄膜)的平面上，受外部磁場作用時形成的小圓柱狀磁泡。 • 直徑約為千分之幾公分的磁化圓柱體，可經由外加磁場使其移動 • 在某一儲存格中，有磁泡存在則資料為“1”，否則資料為“0”。 • 由於供電中止後，磁泡記憶體內資料仍然存在。因此可做為輔助儲存體， • 因體積小、質輕、耗電量小且儲存量大(每平方吋約5M位元組)，極適合微電腦系統使用。 • 磁泡記憶體雖有許多優點，但截至目前為止，尚未大量應用於微電腦系統中，其中原因極多，技術尚未成熟，需求量不大等均是，但主要的原因可能與半導體記憶體的製造技術和生產量有關。 • 磁泡在使用時，必須如同磁碟控制般，以兩組正交線圈和界面電路、程式配合控制。

9-5 快閃記憶體 • 快閃記憶體之應用 • 隨身碟。 • 隨身碟或者行動碟是利用快閃記憶體製成的具有磁碟般，可以快速存取的一種新產品， • 容量從32MB到512MB都有，有些廠商也在研發更大容量的產品， • 隨身碟的大小和大拇指差不多，重量又輕，使用USB介面， • 具有熱拔插枝術，可隨時插到USB接頭上，即可成為一抽取式磁碟機， • 可以像一般磁碟一樣，存放程式和資料夾，容量又大，一個可抵數十片軟式磁片。 • 數位錄音筆 • 錄音筆是快閃記憶體的另一種應用，利用快閃記憶體來儲存聲音。 • 由於使用的記憶容量不同。可以錄音的時間由數小時到數十小時均有 • 利用USB介面可以和電腦連接，將資料傳送到電腦，並加以儲存。

補充資料-真空管 • 真空管 • 毛克萊與其學生艾克特研發世界上第一部ENIAC真空管電腦，西元1946年於美國賓州大學安裝成功，它使用18000個真空管，每一個真空管代表一個位元，因它耗電大、產生大量的熱、穩定性不佳，很快就被淘汰了。

補充資料--磁蕊 • 磁蕊　　磁蕊或稱磁心(magnetic core)，是一種鐵錳氧化物製成的小環，它能在幾百萬分之一秒內，受穿過其中心之導線內的脈衝電流磁化，磁化的方向有順時針及反時針兩種，依脈衝電流的方向而定。　　電流的方向決定磁蕊磁化的方向。電流的方向改變，磁化的方向跟著改變。這兩種狀態剛好符合二進制，它代表0或1、是否、正負、開關等等。這樣幾個磁蕊的組合就可以代表一個資料，可以從某一位址讀出或寫入某一位址。

補充資料--磁蕊 • 在半導體記憶體發明前，大部分電腦中的主記憶體，由王安博士發明。 • 磁蕊屬於非揮發性(non-volatile)記憶體，沒有驅動電流時，其磁性仍能保持，故資料不會消失。 • 磁蕊屬於破壞性讀取(DRO，destructive read out)記憶體，讀取後會破壞原有資料。

補充資料--電晶體 • 電晶體　金屬電阻小，容易通電，稱為導體。玻璃、雲母等不易通電，稱為絕緣體。像矽等介於導體與絕緣體之間，稱為半導體，它是二極體、電晶體、或積體電路(IC)的原料。IC是將電阻、電容、二極體、電晶體等集中在一個基板上所構成的電路零件，稱為晶片。IC可構成體積極小之電路，適合大量生產。IC晶片中依其電晶體數可分為小型積體電路(SSI)、中型積體電路(MSI)、大型積體電路(LSI)、與超大型積體電路(VLSI)等。

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