半導記憶體的介紹與技術研究.doc

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堤爱苏
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1 篇名 : 作者 : 宋建翰市立內湖高工電子科三年忠班李鎮宇市立內湖高工電子科三年忠班指導老師 : 王儒彬老師 - 0 -

2 壹前言記憶體是什麼呢? 它是電腦用來儲存程式與資料的元件如果說軟體是硬體的靈魂, 那麼電腦的 CPU 與記憶體就是軟體的資源和發揮舞台記憶體種類其實可以分得非常細, 主要分為兩大類 :RAM 或 ROM RAM 是隨機存取記憶體, 它的特性就是可讀可寫, 裡面的資料可任意修改變更或抹除一般電腦內可供程式使用的記憶體就是 RAM, 用來載入程式與檔案資料供其運用 ROM 則是唯讀記憶體之簡稱 ROM 內的資料只能讀取, 不能被更改或抹除 RAM 還可分為 DRAM 跟 SRAM,ROM 則還可分為 PROM MASK ROM EPROM 等在看完這些簡介後, 你是否也對記憶體的世界產生了一種強烈的興趣呢? 接下來就我來帶領你去環遊記憶體的世界吧! 貳正文只要打開電腦, 電腦中的資料或程式, 都需要靠記憶體 Memory 來暫時儲存管理所以記憶體可以說是電腦系統中的最佳倉儲管理員記憶體其實不止一種, 按功能又可分成 ROM (Read Only Memory) 唯讀記憶體 Flash Memory 快閃記憶體以及 RAM (Read Access Memory) 隨機存取記憶體等三種一工作原理記憶體的構造相當簡單, 它是由許許多多可反覆充電的小型電晶體組成的每一個小型電晶體會呈現帶電與沒帶電的狀態, 電晶體帶電時的狀態代表 "1", 電晶體沒帶電時的狀態代表 "0" 來記錄所記載的資料 ( 註一 ), 記憶體的相關工作原理模擬詳見圖一安裝在電腦系統內記憶體的多寡與所使用的 CPU 有著密不可分的關係, 因為隨著 CPU 的讀寫頻寬之不同, 苦安裝後的記憶體讀寫頻寬總數沒有達到 CPU 的寫頻寬時, 則電腦系統將無法開機圖一工作原理模擬圖記憶體的工作原理 ( 檢索日期 2009/01/10) - 1 -

1. 記憶體的種類它的內部是一個矩陣式的電路, 每一個直行橫列所交叉的一個點就代表著記憶體內的一個 bit, 每一個 bit 的位置儲存一個電位, 所以只要輸入適當的行列位址, 就可以存取到該位址的資料由於這一些資料可以隨時存取修改, 所以稱之為 Random Access Memory, 此一類型的記憶體是電腦內主要使用的記憶體 A.

3 1. 記憶體的種類它的內部是一個矩陣式的電路, 每一個直行橫列所交叉的一個點就代表著記憶體內的一個 bit, 每一個 bit 的位置儲存一個電位, 所以只要輸入適當的行列位址, 就可以存取到該位址的資料由於這一些資料可以隨時存取修改, 所以稱之為 Random Access Memory, 此一類型的記憶體是電腦內主要使用的記憶體 A. RAM (Random Access Memory) 隨機存取記憶體 : 如圖二所示它的內部是一個矩陣式的電路, 每一個直行橫列所交叉的一個點就代表著記憶體內的一個 bit, 每一個 bit 的位置儲存一個電位, 所以只要輸入適當的行列位址, 就可以存取到該位址的資料由於這一些資料可以隨時存取修改, 所以稱之為 Random Access Memory, 此一類型的記憶體是電腦內主要使用的記憶體圖二 RAM (Random Access Memory) 隨機存取記憶體唯讀記憶體 5%8F%96%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8&variant=zh-tw ( 檢索日期 2009/01/10) B. DRAM (Dynamic RAM) 動態隨機存取記憶體 : 因為 DRAM 內部組成的電晶體電量, 僅能維持幾毫秒的帶電狀態, 因此它必須不斷地充電來保持資料的完整, 所以被稱為動態隨機存取記憶體雖然他的存取時間較長, 但它的製造成本低廉因此, 多半用來做我們一般使用的主記憶體 C. SRAM (Static RAM) 靜態隨機存取記憶體 : 同樣也是採用行列方式來定址儲存資料但是 SRAM 至少快過 DRAM 五倍以上的速度, 價位比 DRAM 貴兩倍以上, 體積也比 DRAM 大兩倍以上 SRAM 也需要用電源來保持資料, 但是不需要如同 DRAM 般的需要持續不斷 Refreshed - 2 -

4 SRAM 主要的儲存單位為電晶體, 以速度會比較快, 並且儲存的電荷不會像電容器般的會漏電, 所以不需要 Refreshed 動作, 在電腦內是用來作為 cache 記憶體使用 D. Cache RAM (Cache RAM) 高速度的記憶體 : 通常是由 SRAM 組成, 它放在 CPU 及主記憶體之間, 用來儲存經常被使用到的資料及指令 ; 當 CPU 需要資料時, 會先檢查這一塊 Cache, 如果資料在這 Cache 內, 就直接使用 ; 否則,CPU 才會從主記憶體讀取資料 Cache 記憶體就像一部電冰箱, 當您肚子餓了, 會先到冰箱裡找吃的如果有的話, 就可以直接拿來吃 ; 如果找不到想吃的, 再去外頭買, 這樣不是省時多了? E. FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) 改良型的 DRAM: 它的特性是如果需要存取的前後資料在同一個列位址或同一頁 page 內, 那麼記憶體控制器將不會重複送出列位址, 只需要指示出下一個行位址就可以了, 所以整體上的效率會增加了一點, 使用 FPM 記憶體就好像是閱讀一本字典一樣, 有許多單字存放在同一頁內, 非常容易可以前後找到的單字 F. EDO DRAM (Extended Data Out DRAM): 它有什麼特別? 傳統的 DRAM 每寫入一個 bit 的資料, 就必須送出列以及行位址各一次, 用來定出這一個 bit 的所在位置, 並且每一個位址都必須有一段穩定的時間, 然後才能讀取或寫入有效的資料, 在這一段穩定的時間之前所寫入或讀取的資料都是無效的 FPM DRAM 的作法是, 在送出一個列位址之後, 只要是要存取同一列位址的資料, 就持續送出不同的行位址, 如此, 可以省去重覆送列位址的時間 ; 而 EDO 的作法, 是縮短等待送出位址的時間 ; 也就是說, 不必等到資料完整的讀去或寫入, 只要一到有效的時間, 就可以準備送出下一個位址, 不必等到有效的時間完畢 ( 註二 ) 舉例來說, 假設指定一個完整的位址完成之後, 需要等待一秒鐘之後資料匯流排上頭才是有效的資料 ; 然後可以讀取或寫入五秒鐘 ; 之後, 再繼續下一個位址的動作想想看, 如果在一開始的等待一秒鐘過後, 開始讀取或寫入有效的資料時, 就開始送出另一個位址, 等到下一個有效位址成立之後 ( 因為也需要等待一段穩定的時間 ), 這個時候資料也已經讀寫完成了, 馬上就可以進行下一個位址的讀寫動作, 省卻了一點等待的時間, 這就是 EDO DRAM 強調的地方理論上,EDO DRAM 會比傳統的 DRAM 快但是實際上, 因為電腦內已經有了 Cache, 所以 EDO DRAM 並沒有很明顯的效率增益 ; 雖然理論上會有約 2% 的效益增加比, 但是除非系統沒有 Cache Memory, 才會很明顯的感受出效率變快了, 所以 EDO DRAM 在從前的運用上多偏向於介面卡 ( 例如 VGA 卡 ) 近來由於 EDO - 3 -

5 DRAM 的產能增加, 生產與銷售的成本大幅的調降,EDO DRAM 已成功地代傳統的 DRAM, 成為製作記憶體模組的主要材料要注意的是, 要用 EDO DRAM 的優點是有條件的如果主機板的晶片不支援 EDO DRAM 的存取特性, 則 EDO DRAM 將會被視為一般的記憶體, 甚至不能開機現在 FPM 以及 EDO 記憶體已經成為系統內的主流派了, 另外如果讀者見到 "Hyper Page Mode DRAM" 的話, 就是 EDO DRAM 另外一個稱呼 G. BEDO DRAM (Burst EDO DRAM) 爆發式 EDO DRAM: 一種改良型的 EDO DRAM, 如果說 EDO DRAM 一次傳輸一筆資料, 則與 EDO DRAM 不同的是 BEDO DRAM 全部採用 Burst 的方式運作, 一次傳輸一批資料 H. SDRAM (Synchronous DRAM): 它可以做到與 CPU clock 同步, 去除掉時間上的延遲, 藉以提高記憶體存取的效率要使用 SDRAM 必須系統支援目前市面上絕大部份的電腦都僅支援 EDO, 少部份支援 SDRAM 相信再過幾年,SDRAM 將會趕上 EDO, 成為高效率系統 ( High-performance systems) 的標準記憶體 I. SGRAM (Synchronous Graphics RAM): SGRAM 是由 SDRAM 再改良的記憶體, 它的設計允許以 block 為單位個別分開地取回或修改其中的資料, 減少整體記憶體讀寫的次數, 增加繪圖控制器的效率 J. RDRAM (Rambus DRAM): RDRAM 完全由 Rambus 公司獨立設計完成它非常的快, 約是一般 DRAM 十倍以上的速度, 但是記憶體控制器需要相當大的改變 ; 當然系統記憶體方面的介面也要有所更改才能使用目前絕大部份使用在遊戲機器上頭, 或者專門處理圖形應用的系統上 K. VRAM (Video RAM) 圖形記憶體 : 它的特性是可以很快的更新資料, 通常用在高速處理圖形的環境下要在很短的時間內處理更新到 CRT 以及 CPU 上頭的資料, 這對傳統的記憶體而言, 因為只擁有一個資料埠 ( 單一個輸出入 bit), 會有極大的資料傳輸瓶頸 ; 而 VRAM 擁有兩個分開的資料埠 ( 兩個單獨的輸出入 bits) 所以可以解決上述的問題一個資料埠可以專門用來處理 CRT 的資料, 刷新在螢幕上的顯像 ; 另外一個資料埠由 CPU 或繪圖控制器用來改變記憶體內的顯像資料 - 4 -

6 L. WRAM (Window RAM) 雙資料埠的記憶體 : WRAM 是另一種應用在使用大量圖像系統中的雙接口記憶體, 它與 VRAM 稍微不同的地方在於它較小的指定顯示接口以及它支援 EDO 功能 M. ROM (Read Only Memory) 唯讀記憶體 : 由字面上的意義可以很明顯的看出這一種記憶體只能讀, 不能寫入它主要用來存放 firmware 韌體, 例如系統的 BIOS 影像顯示卡上的 BIOS 等等, 因為這一類型的程式或資料將來會變動的機會很低, 所以可以採用 ROM 類型的記憶體來存放, 除了降低成本之外, 儲存在 ROM 裡頭的資料也不會因為誤動作而喪失資料 N. MASK ROM: 為了將韌體大量生產, 工廠常會先製作好一顆有原始資料的 ROM 或 EPROM, 然後大量的製造生產出與原始 ROM 內容完全相同的 ROM, 這一種大量生產的 ROM 就叫做 MASK ROM, 可以在影像顯示卡, 遊戲機等硬體上找到它 O. EPROM (Erasable Programmable ROM) : 如圖三所示 EPROM 也是屬於唯讀記憶體的一種, 但是它可以透過紫外線的照射, 將其內部的資料清除掉之後, 再透過燒錄器之類的設備, 將資料燒錄進 EPROM 內所以與 PROM 最大的不同點在於 EPROM 可以重複燒錄資料圖三全球第一顆 EPROM EPROM ( 檢索日期 2009/01/10) - 5 -

P. EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): 也是屬於一種不需要電源就可以保持住資料的記憶體資料寫入記憶體之後, 即使在電源關閉的情況下, 也可以保留很長一段時間 ; 而在寫入資料時, 亦不需要額外的提高電壓, 只要寫入某一些控制碼, 就可以將資料寫入 EEPROM 裡頭在許多隨插即用的介面卡中, 都將本身的設定值存放在 EEPROM

7 P. EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): 也是屬於一種不需要電源就可以保持住資料的記憶體資料寫入記憶體之後, 即使在電源關閉的情況下, 也可以保留很長一段時間 ; 而在寫入資料時, 亦不需要額外的提高電壓, 只要寫入某一些控制碼, 就可以將資料寫入 EEPROM 裡頭在許多隨插即用的介面卡中, 都將本身的設定值存放在 EEPROM 裡頭, 系統可以隨時至 EEPROM 內讀取到介面卡的設定資料, 並且系統也可以很快的更改這一些設定, 不需要如同以往般的調整 Jumper 其它如網路卡音效卡甚至主機板都有廠商使用 EEPROM 當成 BIOS 的設定資料處存裝置 Q. FLASH: Flash 記憶體比較像是一個儲存裝置, 而不像是一般的 RAM 如圖四 ; 因為當一部電腦關掉電源之後, 儲存在 Flash 記憶體的資料並不會流失掉它讀取資料時的速度如同一般的 ROM, 但是寫入資料時必須將原本的資料清除掉, 然後再寫入新的資料, 所以所需耗費的時間會比較長, 這是 Flash 記憶體的缺點有許多採用 PCMCIA 介面的儲存裝置, 採用了高容量的 Flash 記憶體 ;Flash 的優點是不需要電源也能保持資料, 缺點是寫入資料的速度太慢圖四快閃記憶體 (Flash memory) 快閃記憶體 ( 檢索日期 2009/01/10) - 6 -

8 2. 記憶體的包裝 A. DIMM - Dual In-line Memory Module B. SIMM - Single In-line Memory Module C. TSOP - Thin Small Outline Package D. DIP - Dual Inline Package E. PLCC - Plastic Leaded Chip Carrier F. TQFP - Thin Quad Flat Package G. PQFP - Plastic Quad Flat Pack H. SMT - Surface MounT I. SOJ - Small Outline Jedec J. BGA - Ball Grid Array 3. 記憶體內的規格 A. trc - Random read or write cycle time B. trp - RAS* recharge time C. tcp - CAS* recharge time D. tras - RAS* pulse width E. tcas - CAS* pulse width F. tasr - Row address setup time G. trah - Row address hold time H. tasc - Column address setup time I. tcah - Column address hold time J. trsh - RAS* hold time K. tcsh - CAS* hold time L. taa - Access time from column-address 4. 什麼是 SIMM 與 DIMM? 記憶體的製作方式又有兩種, 一種是 SIMM(Single In-line Memory Module) 雙邊記憶體模組早期的 30 PIN 或 72 PIN 的 DRAM, 它的僅有一面有記憶體 IC, 另一面沒有, 就是稱為 SIMM 而 168 PIN 的 SDRAM, 它正反兩面都隔記憶體 IC, 就是稱為 DIMM ( 註三 ) 5. 什麼是 BIOS? BIOS (Basic Input Output System) 又稱為基本輸出入系統它是由韌體工程師們所撰寫出來的一組程式碼, 其功能主要是在電腦開機時如何去啟始檢測系統內的硬體元件, 並讓應用軟體能呼听其所提供的的 1/0 程式碼來控制系統內的硬體元件 - 7 -

9 6. 為什麼要使用快取記憶體? 早期計算機系統中, 由於中央處理機速度較慢, 僅僅只使用 DRAM 就可以滿足中央處理機對存取速度的要求, 隨著中央處理機的能力越來越強, 速度較慢的 DRAM 逐漸不能和速度較快的中央處理機匹配, 此時若仍使用 DRAM 連接處理機, 就會發生中央處理機在發出存取命令後, 總要閒置一段時間, 才能取得或寫入資料的情況 ( 註四 ) 而若使用 SRAM 作為系統的主記憶體, 雖然可以達成較快的存取速度, 卻由於成本上的考量而不被允許, 所以快取記憶體便慢慢的發展出來了參結論科技日新月異, 其進步的速度是我們無法想像的, 現存在市面上的記憶體已經多到我們用手指頭都數不完的地步, 而每種記憶體的功能也都不太相同, 幾乎可以完全滿足電腦工作者的各種需求我想這個世界已經有漸漸邁入科技化精簡化的趨勢, 或許在經過一段時間的努力及技術克服後, 搞不好會推出集所有功能及優點於一身的記憶體來創造一個更進步更人性化的科技地球村肆引註資料註一記憶體的工作原理 ( 檢索日期 2009/01/10) 註二細說記憶體 2 ( 檢索日期 2009/01/10) 註三什麼是 SIMM 與 DIMM? ( 檢索日期 2009/01/11) 註四宋振華 (1995) 認識記憶體台北市: 全欣資訊圖書股份有限公司 ( 檢索日期 2009/01/11) - 8 -

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