一种比铁电存储器更优越的新型存储器件—磁电存储器

一种比铁电存储器更优越的新型存储器件—磁电存储器

摘要：磁电存储器不仅存取速度快、功耗小，而且集动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器功能于一身，因而已成为动态存储器研究领域的一个热点。文章总结了磁电存储器的工作原理和特性，分析了它们的发展现状及存在的问题，并对其应用前景进行了展望。目前常用的有Everspin公司出品的串行、并行两种，串行的如：MR25H256、MR25H10、MR25H40等，并行的有MR0A16A、MR2A16A、MR4A16A等，容量从256Kbit到4Mbit等。

关键词：磁电存储器；磁隧道结；自旋电子管

１引言

随着人们对各种磁电材料特性的深入研究，新型存储器—磁电存储器以其所特有的精巧设计和便于操作的优点，已经成为快速存储器的最佳选择。半导体存储器的控制栅和悬浮金属栅之间存在着库仑电荷，它们之间较强的库仑斥力使得两个栅必须用一层很厚的绝缘层隔离起来才能保证泄露电流降至最小，从而延长电荷在释放或存储时通过氧化层势垒的时间，增加读取和存储功耗。磁电存储器的这种工作机理不仅提高了存储器的速度、可靠性，降低了功耗，而且在存储单元尺寸、存储速度方面也完全可以与ＤＲＡＭ相比拟。

磁电存储器根据其工作机制的不同，大致可以分为三类：混和铁磁－半导体结构，磁隧道结结构以及全金属自旋晶体管。目前研究最多的是自旋电子管、准自旋电子管存储器以及磁隧道结存储器。尽管以上几种结构存储器的工作机制在某种程度上均依赖于铁磁元件的磁化方向，但是在读取机制方面却存在着差异；其次，在生产高密度、低功耗、高速ＲＡＭ的难易程度以及需要解决的技术问题等方面存在着不同。

２磁电存储器的基本工作原理

磁电存储器中的数据存储是通过直接附着于铁磁薄膜上具有电感耦合效应的导线来完成的。当电流脉冲通过导线时，将会在导线近表面形成一个平行于导线平面的磁场，此时电流的大小以其所耦合的磁场大于转换磁场为标准，从而满足其状态设置为１或０的需要。由于对二维序列的存储器要采用写数据线的二维排布，因此，分别给字线和位线施加一定大小的脉冲电流，即可改变交汇处存储单元里的磁化状态以实现数据的存储，同时改变字线电流方向即可存入相反的数据（如图１）。由于字线电流过大会对字线下方所有存储单元产生影响，因此通常采用二分之一电流寻址方式（即字线电流和位线电流分别为ＩＳ／２，其中Ｉｓ为转换存储器状态所需的电流值）。

２．１磁隧道结存储器

磁隧道结的基本结构如图２所示，其中上下两层为铁磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中间是绝缘势垒层Ａｌ２Ｏ３。这种结构的器件在电偏置条件下，电子电流可以通过隧穿效应穿过势垒层，而此时电子电流的大小依赖于铁磁薄膜的磁化方向，因此它是一种磁阻器件。势垒上的偏置电压不同，器件阻值也不同。当偏置电压较低时，电阻为欧姆量级，随着偏置电压的逐渐升高，该阻值将快速下降。这种存储器的主要特点是底部铁磁层的磁化方向始终不变，而存储器则主要是根据顶部铁磁层磁化方向的不同来实现信息存储的；由于在读取信息时，读取信号线上的电流会有一部分垂直流过夹层，因此根据电阻的变化或者电压的变化（与标准电阻或电压相比）就可获得数据。

２．２自旋电子管存储器

自旋电子管的具体结构与磁隧道结存储器的结构十分类似，也是一种夹层结构，上下两层为铁磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中间是导体层Ｃｕ。只是在顶部铁磁层之上还有一层反铁磁层（ＭｎＯ或者ＭｎＦｅ），它的作用是维持顶部铁磁层的磁化方向不发生改变。因此，顶部铁磁层又被称作固定层（ｐｉｎｎｅｄｌａｙｅｒ），而底部铁磁层的磁化方向随着外加磁场的不同将发生变化，因此也被称作自由转换层（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）。这种存储器根据底部铁磁层磁化方向的不同来实现数据的存储。读取存储单元中的信息时，可以给字线施加先正向后负向的等幅脉冲，以使该电流产生的磁场可以令自由转换层的磁化方向发生改变，从而根据电阻变化来读出存储的数据。

２．３准自旋电子管存储器

准自旋电子管结构与自旋电子管的不同之处在于它不存在固定层和自由转换层，而只是其中一层的转换磁场较大（硬磁层），另一层的转换磁场较小（软磁层）。这种存储器是根据硬磁层磁化方向的不同来实现数据存储的。当给字线上施加合适的电流时，上下铁磁层的磁化方向均发生改变，指向左边代表存储信息“１”，反之代表存储信息“０”；当读取存储单元中的信息时，给字线施加先正向后负向的等幅脉冲，以产生使顶部铁磁层的磁化方向发生改变的磁场，此时由于底部铁磁层磁化方向维持不变，从而使读取电流所要流经的电阻阻值发生改变，如果存储信息为“１”，电阻由大变小，反之则由小变大，由此即可读出存储的数据。

３磁电存储器发展所面临的问题

尽管磁电存储器具有高速、工作电压低以及密度高等特点，但是在真正实用化之前，仍然面

临着一些问题。

首先，磁性元件的加工与标准的ＣＭＯＳ工艺存在不兼容性。例如磁隧道结和自旋电子管的加工需要采用氩离子干蚀工艺或者反应离子刻蚀工艺，这些工艺都会对半导体的结构造成损伤。同时为了消除离子刻蚀所引起的损伤，都要经过高温退火，而这会引起不同物质在界面处的相互扩散，从而

使电阻阻值增大。如

果磁性元件在３０℃

以上的温度下暴露

５分钟，ＭＲ就会大

幅度下降，当温度达

到４００℃时，ＭＲ

大约会降低３０％。

近来有研究表明，如

果磁隧道结的硬磁

层采用Ｃｏ／Ｃｕ

结构，而软磁层采用

Ｃｏ／Ｆｅ结构，则

ＴＭＲ在室温下高达２２％，并且经过４８０Ｋ的高温退火后，ＴＭＲ略有增加，直到５３０Ｋ时才开始下降，同时，研究还发现，为了获得高温环境下更为稳定的磁隧道结，势垒层

必须采用Ａｌ２Ｏ３。

其次，为了获得高密度的存储器，磁隧道结或自旋电子管的尺寸必须减小为微米到亚微米量级，这就使存储器的性能受到尺寸、形状以及其它结构参数和内在参数的影响。Ｅ．Ｙ．Ｃｈｅｎ发现，在自旋电子管结构中，自由转换层的转换磁场与固定层的转换磁场分别随着存储单元宽度的减小而增大和减小。当宽度减小为０．５μｍ到０．２５μｍ时，存储单元边缘被腐蚀和氧化的影响越来越显著，从而引起固定层的磁化方向与自由转换层的磁化方向一起改变，ＧＭＲ急剧下降。所以，随着电子管尺寸的进一步减小，必须提高固定层的转换磁场，同时消除工艺所带来的负面影响。目前，Ｗ．Ｊ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ采用自对准工艺生产出性能优良的亚微米量级的磁隧道结，该技术不仅获得了无外场情况下稳定的两个磁状态，而且在室温下获得了较高的ＭＲ（１５％－２０％）。

最后，衬底的不平整度以及磁性元件参数的一致性都会对存储器的性能产生直接影响。一般情况下，未经刻蚀的衬底不平整度低于０．４ｎｍ，此时集成的磁隧道结ＭＲ和电阻分别为２５％和７１１ｋΩμｍ２。但是，当衬底经过刻蚀之后，不平整度会升高到２．５ｎｍ～３．７ｎｍ，磁隧道结的电阻降为１４．５～１６ｋΩμｍ２，这是由于衬底的不平整引起绝缘势垒层出现针孔缺陷所致，由于该缺陷同时也会使磁性元件的ＭＲ降为２％～５％，从而导致存储器性能退化。此外，磁隧道结存储器的可靠性与绝缘势垒层也有一定的关系，为了获得合适的电阻，亚微米量级磁隧道结的势垒层厚度约为０．７ｎｍ（６０Ωμｍ２）、０．９ｎｍ（１６０Ωμｍ２）或０．１１ｎｍ（８００Ωμｍ２）。这些数据都表明：势垒层厚度的起伏会引起输出信号的变化，甚至造成数据读取错误。另一方面，为了实现ＭＲＡＭ数据的可靠存储和读取，需要适当地附加冗余存储单元，但它们必须具有完全相同的转换特性。这就要求同一晶片上的磁隧道结特性必须一致，同时铁磁转换层的特性和亚微米尺寸元件的形状也都需要加以严格控制。

４结论

非挥发性、高密度的磁电存储器不仅存取速度快、功耗小，而且集动态ＲＡＭ、磁盘存储和高速缓冲存储器的功能于一身，因此是动态存储器研究领域的一个热点。目前，其主要工作集中于下列工艺和技术的探索上：

（１）将存储单元的尺寸缩小至微米量级并与现有生产工艺相兼容；

（２）因为ＭＲＡＭ主要应用于电池供电的便携式电话，因此要尽可能降低存储器的功耗；（３）提高磁电存储器的速度。

尽管目前磁电存储器距离实用化尚需时日，但是如果能在磁电存储器的加工方面取得突破性进展，磁电存储器将很好地取代浮栅技术。

铁电随机存储器(FRAM)的工作原理(EN)

Technology Note Sept. 2007 Ramtron International Corporation 1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921 (800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058 F-RAM Technology Brief Overview Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric. 2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times. Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power. Ferroelectric Property The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field. Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs. Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage (Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced. Figure 3. Crystal Polarization

实验三：内存储器部件实验

实验三内存储器部件实验 一、实验目的 1、通过学习TEC-2000教学计算机的存储器系统，深入理解计算机主存储器的功能和组成； 2、学习和理解只读存储器、静态存储器芯片的读写原理，掌握计算机存储器系统的扩展方法。 二、实验说明 TEC－2000教学计算机存储器系统由ROM和RAM两个存储区组成。ROM存储区由2个EEPROM芯片58C65（8192×8）组成，容 量为8192×16。RAM存储区由2个RAM芯片6116（2048×8）组成，容量为2048×16。TEC－2000教学计算机中还预留了2个存储 器芯片插座，可以插上相应存储器芯片进行存储器容量扩展的教学实验。 TEC-2000教学计算机存储器系统组成结构图 三、实验内容 1、完成存储器容量扩展实验，为扩展存储器选择一个地址，注意读写和/OE等控制信号的正确状态； 2、用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（6116）、EEPROM（58系列）存储特性的区别以及在读写上的差异； 3、用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确。 四、实验步骤 1、RAM实验 RAM（6116）支持随机读写操作，可直接用A、E命令向存储器输入程序或改变存储单元的值。RAM中的内容在断电后会消失，重新启动教学机后会发现存储单元的值发生了改变。 1）用E命令改变内存单元的值并用D命令观察结果。 ⑴在命令行提示符状态下输入： E 2020↙ 屏幕显示2020 内存单元原值。按如下形式键入： 2222（空格）3333（空格）4444（空格）5555 ⑵在命令行提示符状态下输入： D 2020↙ 观察屏幕显示的从2020内存单元开始的值。 ⑶断电后重新启动教学实验机，用D命令观察内存单元2020-2023的值。 2）用A命令输入一段程序，执行并观察结果。 ⑴在命令行提示符状态下输入： A 2000↙ 键入如下汇编程序： 2000：MVRD R0, AAAA 2002：MVRD R1, 5555 2004：AND R0, R1

静态存储器扩展实验报告

静态存储器扩展实验报告告圳大学实验报深

微机原理与接口技术 课程名称： 静态存储器扩展实验实验项目名称： 信息工程学院学院： 专业：电子信息工程

指导教师：周建华 32012130334 学号：班级：电子洪燕报告人：班 2014/5/21 实验时间： 实验报告提交时间：2014/5/26 教务部制． 一．实验目的与要求： 1. 了解存储器扩展的方法和存储器的读/写。 2. 掌握CPU对16位存储器的访问方法。

二．实验设备 PC机一台，TD-PITE实验装置或TD-PITC实验装置一套，示波器一台。 三．实验原理VCC28A141WE27A122A1326A73A8254A6存储器是用来存储信息的A924A55A1123A46OE22A3762256A10218A2CS209A1部件，是计算机的重要组成部D719A010D618D011D517D112D416D213D315GND14管组成的是由MOS分，静态RAM触发器电路，每个触发器可以存放1位

信息。只要不掉电，所储存的信息就不会丢失。因此，静态RAM工作稳定，不要外加刷新电路，使用方便。 但一般SRAM 的每一个触发器是由6个晶体管组成，SRAM 芯片的集成度不会太高，目前较常用的有6116（2K×8位），图4.1 62256引脚图6268位）622532位。本验平台上选． 用的是62256，两片组成32K×16位的形式，共64K字节。 62256的外部引脚图如图4.1所示。 本系统采用准32位CPU，具有16位外部

数据总线，即D0、D1、…、D15，地址总线为BHE＃（＃表示该信号低电平有效）、BLE ＃、A1、A2、…、A20。存储器分为奇体和偶体，分别由字节允许线BHE＃和BLE＃选通。 存储器中，从偶地址开始存放的字称为规则字，从奇地址开始存放的字称为非规则字。处理器访问规则字只需要一个时钟周期，BHE＃和BLE＃同时有效，从而同时选通存储器奇体和偶体。处理器访问非规则字却需要

MCS-51单片机存储器结构

MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间： 1、片内程序存储器 2、片外程序存储器 3、片内数据存储器 4、片外数据存储器 但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间： 1、片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC） 2、256B的片内数据存储器的地址空间（MOV） 3、以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX） 在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。 程序内存ROM 寻址范围：0000H ~ FFFFH 容量64KB EA = 1，寻址内部ROM；EA = 0，寻址外部ROM 地址长度：16位 作用：存放程序及程序运行时所需的常数。 七个具有特殊含义的单元是： 0000H ——系统复位，PC指向此处； 0003H ——外部中断0入口 000BH —— T0溢出中断入口

0013H ——外中断1入口 001BH —— T1溢出中断入口 0023H ——串口中断入口 002BH —— T2溢出中断入口 内部数据存储器RAM 物理上分为两大区：00H ~ 7FH即128B内RAM 和SFR区。 作用：作数据缓冲器用。 下图是8051单片机存储器的空间结构图 程序存储器 一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设

计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。 MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB，此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。 当=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。 当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。 8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H—0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意： 其中一组特殊是0000H—0002H单元，系统复位后，PC为0000H，单片机从0000H 单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。 另一组特殊单元是0003H—002AH，这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下： 0003H—000AH 外部中断0中断地址区。 000BH—0012H 定时/计数器0中断地址区。

实验4存储器部件实验

北京林业大学 11学年—12学年第 2 学期计算机组成原理实验任务书 专业名称：计算机科学与技术实验学时： 2 课程名称：计算机组成原理任课教师：张海燕 实验题目：实验四内存储器部件实验 实验环境：TEC-XP+教学实验系统、PC机 实验内容 1．设计扩展8K字存储器容量的线路图，标明数据线、地址线和控制信号的连接关系。 2．扩展教学机的存储器空间，为扩展存储器选择一个地址，并注意读写等控制信号的正确状态。 3．用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（6116）、EEPROM （58C65）在读写上的异同。 4．用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确。 5．用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器EEPROM（58C65）进行读写，用D命令查看结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序，重新运行。 实验目的 1．熟悉ROM芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方面的相同和差异之处。 2．理解并熟悉通过字、位扩展技术实现扩展存储器系统容量的方案。 3．了解如何通过读、写存储器的指令实现对58C65ROM芯片的读、写操作。 4．加深理解存储器部件在计算机整机系统中的作用。 实验要求 1．实验之前认真预习，明确实验的目的和具体实验内容，做好实验之前的

必要准备。 2．想好实验的操作步骤，明确通过实验到底可以学习哪些知识，想一想怎么样有意识地提高教学实验的真正效果； 3．在教学实验过程中，要爱护教学实验设备，记录实验步骤中的数据和运算结果，仔细分析遇到的现象与问题，找出解决问题的办法，有意识地提高自己创新思维能力。 4．实验之后认真写出实验报告，重点在于预习时准备的内容，实验数据，运算结果的分析讨论，实验过程、遇到的现象和解决问题的办法，自己的收获体会，对改进教学实验安排的建议等。善于总结和发现问题，写好实验报告是培养实际工作能力非常重要的一个环节，应给以足够的重视。 实验说明 内存储器是计算机中存放正在运行中的程序和相关数据的部件。在教学计算机存储器部件设计中，出于简化和容易实现的目的，选用静态存储器芯片实现内存储器的存储体，包括只读存储区（ROM、存放监控程序等）和随读写存储区（RAM）两部分，ROM存储区选用4片长度8位、容量8KB的58C65芯片实现，RAM存储区选用2片长度8位、容量2KB的6116芯片实现，每2个8位的芯片合成一组用于组成16位长度的内存字，6个芯片被分成3组，其地址空间分配关系是：0-1777H用于第一组ROM，固化监控程序，2000-2777H用于RAM，保存用户程序和用户数据，其高端的一些单元作为监控程序的数据区，第二组ROM的地址范围可以由用户选择，主要用于完成扩展内存容量（存储器的字、位扩展）的教学实验。 在这里还要说明如下两个问题。 第一，要扩展8K字的存储空间，需要使用2片（每一片有8KB容量，即芯片内由8K个单元、每个单元由8个二进制位组成）存储器芯片实现。 第二，当存储器选用58C65ROM芯片时，它属于电可擦除的EPROM器件，可以通过专用的编程器软件和设备向芯片的写入相应的内容，这是正常的操作方式。也可以通过写内存的指令向芯片的指定单元写入16位的数据，只是每一次的这种写操作需要占用长得多写入时间，例如几百个微秒，可以通过运行完成等待功能的子程序来加以保证。本次试验采用的是通过写内存的指令将数据写入芯片

静态存储器-实验报告

计算机科学与技术系 实验报告 专业名称计算机科学与技术 课程名称计算机组成与结构 项目名称静态随机存储器实验 班级 学号 姓名 同组人员无 实验日期 2015-10-24

一、实验目的与要求 掌握静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法 二、实验逻辑原理图与分析 2.1 实验逻辑原理图及分析 实验所用的静态存储器由一片6116(2K ×8bit)构成(位于MEM 单元)，如下 图所示。6116有三个控制线：CS(片选线)、OE(读线)、WE(写线)，当片选有效(CS=0)时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作，本实验将CS 常接地线。 由于存储器(MEM)最终是要挂接到CPU 上，所以其还需要一个读写控制逻辑，使得CPU 能控制MEM 的读写，实验中的读写控制逻辑如下图所示，由于T3的参与，可以保证MEM 的写脉宽与T3一致，T3由时序单元的TS3给出。IOM 用来选择是对I/O 还是对MEM 进行读写操作，RD=1时为读，WR=1时为写。 XMRD XIOR XIOW XMWR RD IOM WE T3 读写控制逻辑 实验原理图如下如所示，存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8 个LED 灯显示D7…D0的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED 灯显示A7…A0的内容，地址由地址锁存器(74LS273,位于PC&AR 单元)给出。数据开关(位于IN 单元)经一个三态门(74LS245)连至数据总线，分时给出地址和数据。地址寄存器为8位，接入6116的地址A7…A0，6116的高三位地址A10…A8接地，所以其实际容量为256字节。

实验十四 存储器扩展机读写实验

实验十四存储器扩展机读写实验 一、实验目的 （1）通过阅读并测试示例程序，完成程序设计题，熟悉静态RAM的扩展方法。 （2）了解8086/8088与存储器的连接，掌握扩展存储器的读写方法。 二、实验内容 1.实验原理（62256RAM介绍） 62256是32*8的静态存储器，管脚如图所示。其中：A0~A14为地址线，DB0~DB7为数据线，/cs为存储器的片选，/OE为存储器数据输出选通信号，/WE为数据写入存储器信号。62256工作方式如下图。 /CS /WE /OE 方式DB-~DB7 H X X 未选中高阻 L H H 读写禁止高阻 L L H 写IN L H L 读OUT 2.实验内容 设计扩展存储电器的硬件连接图并编制程序，讲字符A~Z循环存入62256扩展RAM 中，让后再检查扩展存储器中的内容。 三、程序设计 编写升序，将4KB扩展存储器交替写入55H和0AAH。 程序如下： RAMADDR EQU 0000H RAMOFF EQU 9000H COUNT EQU 800H CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE START: PROC NEAR MOV AX,RAMADDR MOV DS,AX MOV BX,RAMOFF MOV CX,COUNT MOV DL,55h MOV AX ,0AAH REP: MOV [BX],DL INC BX MOV [BX],AX INC BX LOOP REP JMP $ CODE ENDS END START 四、实验结果 通过在软件上调试，运行时能够看到内存地址的改变，证明此扩展的程序成功实现了。 五、实验心得

(整理)计算机组成实验五-存储器读写实验

实验五存储器读写实验 一、实验目的 1.掌握存储器的工作特性。 2.数学静态存储器的操作过程，验证存储器的读写方法。 二、实验原理 存储器是计算机的主要部件，用来保存程序和数据。从工作方式上分类，存储器可分成易失性和非易失性存储器，易失性存储器中的数据在关电后将不复存在，非易失性储器又可分为动态存储器和静态存储器，动态存储器保存信息的时间只有2ms，工作时需要不断更新，既不断刷新数 据；静态存储器只要不断电，信息是不会丢失的。为简单起见，计算机组成实验用的是容量为2K的镜头存储器6116。 1.静态存储器芯片6116的逻辑功能 6116是一种数据宽度为8位（8个二进制位），容量为2048字节的态存储器芯片，封在24引脚的封装中，封装型式如图2-7所示。 6116芯片有8根双向三态数据线D7-D0，所谓三态是指输入状态、输 出状态和高阻状态，高阻状态数据线处于一种特殊的“断开”状态； 11根地址线A10-A0，指示芯片内部2048个存储单元号；3根控制线 片选控制信号，低电平时，芯片可进行读写操作，高电平时，芯片保存信息不能进行读写；为写入控制信号，低电平时，把数据线上 的信息存入地址线A10-A0指示的存储单元中；为输出使能控制信 号，低电平时，把地址线A10-A0指示的存储单元中的数据读出送到数 据线上。芯片控制信号逻辑功能见表2-9。 表2-9 6116芯片控制信号逻辑功能表

图2-7 存储器部件电路图 2. 3.存储器实验单元电力路 因为在计算机组成原理实验中仅用了256个存储单元，所以6116芯片的三根地址线A11-A8接地也没有多片联用问题，片选信号接地使芯片总是处于被选中状态。芯片的WE和信号分别连接实验台的存储器写信号和存储器读写信号，存储器实验单元逻辑电路如图2-7所示。这种简化了控制过程的实验电路可方便实验进行，存储器实验单元电路控制信号逻辑功能见表2-10。

存储器管理实验报告.docx

操作系统实验报告 存储器管理 学院电信学院 专业计算机科学与技术 班级 14级计科一班 实验题目动态分区分配 实验组别第三组 指导老师曹华

一、实验目的 了解动态分区分配方式中使用的数据结构和分配算法，并进一步加深对动态分区存储管理方式及其实现过程的理解。 二、实验内容 用Ｃ语言分别实现采用首次适应算法和最佳适应算法的动态分区分配过程alloc()和回收过程free()。其中，空闲分区通过分区链来管理，在进行内存分配时，系统优先使用空闲区低端的空间。 请分别用首次适应算法和最佳适应算法进行内存块的分配和回收，要求每次分配和回收后显示出空闲内存分区链的情况。 三、实验主要仪器设备 软件环境：ＶＣ＋＋６编程环境 四、实验原理及设计方案 1.实验原理： 可变分区调度算法有：最先适应分配算法，循环首次适应算法，最佳适应算法，最坏适应算法。 首次适应算法（First-fit）：当要分配内存空间时，就查表，在各空闲区中查找满足大小要求的可用块。只要找到第一个足以满足要求的空闲块就停止查找，并把它分配出去； 如果该空闲空间与所需空间大小一样，则从空闲表中取消该项；如果还有剩余，则余下的部分仍留在空闲表中，但应修改区分大小和分区始址。 用户提出内存空间的申请：系统根据申请者的要求，按照一定的分配策略分析内存空间的使用情况，找出能满足请求的空闲区，分给申请者；当程序执行完毕或主动归还内存资源时，系统要收回它所占用的内存空间或它归还的部分内存空间。 最佳适应算法（Best-fit）：当要分配内存空间时，就查找空闲表中满足要求的空闲块，并使得剩余块是最小的。然后把它分配出去，若大小恰好合适，则直按分配；若有剩余块，则仍保留该余下的空闲分区，并修改分区大小的起始地址。 内存回收：将释放作业所在内存块的状态改为空闲状态，删除其作业名，设置为空，并判断该空闲块是否与其他空闲块相连，若释放的内存空间与空闲块相连时，则合并为同一个空闲块，同时修改分区大小及起始地址。 每当一个进程被创建时，内存分配程序首先要查找空闲内存分区链，从中寻找一个合适的空闲块进行划分，并修改空闲内存分区链，系统根据回收区的首址，从空闲区链中找到相应的插入点，此时出现如下四种情况： (１)回收区与插入点的前一个空闲区Ｆ１相邻接，此时可将回收区直接与Ｆ１合并，并修改Ｆ１的大小； (２)回收区与插入点的后一个空闲分区Ｆ２相邻接，此时可将回收区直接与Ｆ２合并，并用回收区的首址作为新空闲区的首址，大小为二者之和； (３)回收区同时与插入点的前后两个空闲分区邻接，此时需将三者合并； (４)回收区不与任何一个空闲区邻接，此时应建一新的表项 2.主要数据结构的说明 定义一个空闲区说明表结构

实验一扩展存储器读写实验

实验一：扩展存储器读写实验 一.实验要求 编制简单程序，对实验板上提供的外部存贮器（62256）进行读写操作。 二.实验目的 1．学习片外存储器扩展方法。 2．学习数据存储器不同的读写方法。 三.实验电路及连线 将P1.0接至L1。CS256连GND孔。 四.实验说明 1．单片机系统中，对片外存贮器的读写操作是最基本的操作。用户藉此来熟悉MCS51单片机编程的基本规则、基本指令的使用和使用本仿真实验系统调试程序的方法。 用户编程可以参考示例程序和流程框图。本示例程序中对片外存贮器中一固定地址单元进行读写操作，并比较读写结果是否一致。不一致则说明读写操作不可靠或该存储器单元不可靠，程序转入出错处理代码段（本示例程序通过熄灭一个发光二极管来表示出错）。读写数据的选用，本例采用的是55（0101，0101）与AA（1010，1010）。一般采用这两个数据的读写操作就可查出数据总线的短路、断路等，在实际调试用户电路时非常有效。 用户调试该程序时，可以灵活使用单步、断点和变量观察等方法，来观察程序执行的流程和各中间变量的值。 2．在I状态下执行MEM1程序，对实验机数据进行读写，若L1灯亮说明RAM读

写正常。 3．也可进入LCA51的调试工具菜单中的对话窗口，用监控命令方式读写RAM，在I状态执行SX0000↓ 55，SPACE，屏幕上应显示55，再键入AA，SPACE，屏幕上也应显示AA，以上过程执行效果与编程执行效果完全相同。 注：SX是实验机对外部数据空间读写命令。 4．本例中，62256片选接地时，存储器空间为0000~7FFFH。 五.实验程序框图 实验示例程序流程框图如下： 六.实验源程序： ORG 0000H LJMP START ORG 0040H START:

存储器的分类

说起存储器IC的分类，大家马上想起可以分为RAM和ROM两大类。 RAM是Random Access Memory的缩写，翻译过来就是随机存取存储器，随机存取可以理解为能够高速读写。常见的RAM又可以分成SRAM(Static RAM：静态RAM)和DRAM(dynamic RAM：动态RAM)。 ROM是Read Only Memory的缩写，翻译过来就是只读存储器。常见的ROM又可分为掩膜ROM(有时直接称为ROM)、PROM(Programmable ROM：可编程ROM，特指一次编程的ROM)、EPROM(Erasable Programmable ROM：可擦除可编程的ROM，擦除时用紫外线)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM：电可擦除可编程ROM)。 以上是大家在各种教材上看到的存储器的分类。 问题是，ROM明明叫只读存储器，也就是不可写的存储器，现实是除了掩膜ROM是不可写的外，PROM、EPROM、EEPROM事实上都是可写的。它们的名称中还带有“ROM”是名不副实的叫法。掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM这几种存储器的共同特点其实是掉电后，所存储的数据不会消失，所以可以归类为非易失性存储器(即Non-Volatile Memory)。 SRAM、DRAM的共同特点是掉电后数据会丢失，所以也可称为易失性存储器(V olatile memory)。 于是，存储器从大类来分，可以分为易失性存储器和非易失性存储器。 后来出现的Flash Memory(快闪存储，简称闪存)，掉电后数据也不容易丢失，所以也属于非易失性存储器。Flash Memory的名称中已经不带ROM字样了，但是传统的分类方法中，还是把Flash Memory归类为ROM类，事实上此时是因为这些存储器都是非易失的。 把存储器分为易失性存储器和非易失性存储器就万事大吉了么？ 令人纠结的是，有一种新的存储器，它既是非易失的，同时又是能够高速随时读写数据的，也就是说能够随机存取的。这种存储器就是FRAM(Ferroelectric Random Access Memory：铁电随机存取存储器，简称铁电存储器)。把FRAM归类为非易失性存储器是可以，但是FRAM的高速读写性质又与SRAM、DRAM更为接近，它也是一种RAM。 于是，存储器的分类令人纠结。传统的分为RAM与ROM的方式本来就不科学。如果分成RAM与非易失性存储器这两大类，也不科学，因为这个分类本身就不是按同一个标准分的，导致FRAM即属于RAM，又属于非易失性存储器。如果只分成易失性存储器和非易失性存储器，又导致FRAM与SRAM、DRAM分家，大家都有RAM嘛，凭什么分开是吧。 我的建议是，存储器分成随机存取存储器和非随机存取存储器两大类比较合适。 于是，存储器的分类如下(按存取速度分类)： 1、随机存取存储器：SRAM、DRAM、FRAM； 2、非随机存取存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory。 差强人意的分类为(按易失性分类)： 1、易失性存储器：SRAM、DRAM； 2、非易失性存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory、FRAM。

西南交大 实验8 指令存储器与取指令部件的设计

实验8 指令存储器与取指令部件的设计 西南交大计算机组成原理实验（代码） 实验要求:建立256*16的指令存储器ROM,将它关联到元件IPM-Rom，有PC 值决定存储器地址，PC有清零，置数，自动加一，自动减一功能，并将指令输出到数码管显示。 实验原理：建立内存文件，256代表内存地址是8位，16代表内存数据是16位实验代码： PC： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity PC is port(clk,reset,load,add:in std_logic; inn:in std_logic_vector(7 downto 0); output:buffer std_logic_vector(7 downto 0)); end; architecture one of PC is begin process(clk) begin --wt<=load&add; if clk'event and clk='1' then if reset='1' then output<="00000000"; else if load='1' then output<=inn; else if add='1' then output<=output+1; else output<=output-1; end if; end if; end if; end if; end process; end; FRQ：用于分频 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity FRQ is port(clk_in:in std_logic; clk_out:out std_logic); end;

计算机组成原理存储器读写和总线控制实验实验报告

信息与管理科学学院计算机科学与技术 实验报告 课程名称：计算机组成原理 实验名称：存储器读写和总线控制实验 姓名：班级：指导教师：学号： 实验室：组成原理实验室 日期： 2013-11-22

一、实验目的 1、掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。 2、掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。 3、了解运算器和存储器如何协同工作。 二、实验环境 EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。 三、实验内容 学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。 四、实验操作过程 开关控制操作方式实验 注：为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。 本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。连线时应注意：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。 1、按图3－1接线图接线： 图3－1 实验三开关实验接线 2、拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。 3、往存储器写数据：

以往存储器的（FF ） 地址单元写入数据“AABB ”为例，操作过程如下： 4、按上述步骤按表3－2所列地址写入相应的数据 表3－2 5、从存储器里读数据： 以从存储器的（FF ） 地址单元读出数据“AABB ”为例，操作过程如下： (操作) (显示) (操作) (显示) (操作) (显6、按上述步骤读出表3－2数据，验证其正确性。 五、实验结果及结论 通过按照实验的要求以及具体步骤，对数据进行了严格的检验，结果是正确的，具体数据如图所示：

存储器和IO扩展实验,计算机组成原理

科技学院 课程设计实验报告 ( 2014--2015年度第一学期) 名称：计算机组成原理综合实验题目：存储器和I/O扩展实验 院系：信息工程系 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师：李梅王晓霞 设计周数：一周 成绩： 日期：2015 年1 月

一、目的与要求 1. 内存储器部件实验 （1）熟悉ROM芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方面的相同和差异之处；学习用编程器设备向EEPROM芯片内写入一批数据的过程和方法。 （2）理解并熟悉通过字、位扩展技术实现扩展存储器系统容量的方案； （3）了解静态存储器系统使用的各种控制信号之间正常的时序关系； （4）了解如何通过读、写存储器的指令实现对58C65 ROM芯片的读、写操作； （5）加深理解存储器部件在计算机整机系统中的作用。 2. I/O口扩展实验 学习串行口的正确设置和使用。 二、实验正文 1．主存储器实验内容 1．1实验的教学计算机的存储器部件设计（说明只读存储器的容量、随机读写器的容量，各选用了什么型号及规格的芯片、以及地址空间的分布） 在教学计算机存储器部件设计中，出于简化和容易实现的目的，选用静态存储器芯片实现内存储器的存储体，包括唯读存储区（ROM，存放监控程序等） 和随读写存储区（RAM）两部分，ROM存储区选用4片长度8位、容量8KB 的58C65芯片实现，RAM存储区选用2片长度8位、容量2KB的6116芯片 实现，每2个8位的芯片合成一组用于组成16位长度的内存字，6个芯片被分 成3组，其地址空间分配关系是：0-1777h用于第一组ROM，固化监控程序， 2000-2777h用于RAM，保存用户程序和用户数据，其高端的一些单元作为监 控程序的数据区，第二组ROM的地址范围可以由用户选择，主要用于完成扩 展内存容量（存储器的字、位扩展）的教学实验。 1．2扩展8K字的存储空间，需要多少片58C65芯片，58C65芯片进行读写时的特殊要求 要扩展8K字的存储空间，需要使用2片（每一片有8KB容量，即芯片内由8192个单元、每个单元由8个二进制位组成）存储器芯片实现。对 58C65 ROM芯片执行读操作时，需要保证正确的片选信号（/CE）为低点平， 使能控制信号（/OE）为低电平，读写命令信号（/WE）为高电平，读58C65 ROM 芯片的读出时间与读RAM芯片的读出时间相同，无特殊要求；对58C65 ROM 芯片执行写操作时，需要保证正确的片选信号（/CE）为低电平，使能控制信 号（/OE）为高电平，读写命令信号（/WE）为低电平，写58C65 ROM芯片的 维持时间要比写RAM芯片的操作时间长得多。为了防止对58C65 ROM芯片执 行误写操作，可通过把芯片的使能控制引脚（/OE）接地来保证，或者确保读 写命令信号（/WE）恒为高电平。 1．3在实验中思考为何能用E命令直接写58C65芯片的存储单元，而A命令则有时不正确；

关于铁电存储器(FRAM)的常见问答

关于铁电存储器(FRAM)的常见问答 问：和其它非易失性存储器制造技术相比，铁电存储器在性能方面有什么不同吗? 答： 铁电存储器在性能方面与EEPRON和Flash相比有三点优势之处: 首先，铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万次以上。读的速度同样也很快，和写操作在速度上几乎没有太大的区别。 其次，FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM则只能进行100万次的擦写。最后，铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。 问：和其它存储器相比铁电存储器有什么不同吗？ 答： 如果要回答这个问题的话，简单了解一下存储器技术的背景资料很有必要。存储器的生产技术可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器在断电后存储的数据 会丢失，而非易失性存储器则不然。传统的易失性存储器包括SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。他们都源自RAM技术-随机存取存储 器技术。 RAM 的主要优点是容易使用且读写操作类似。但是传统RAM的主要缺点是其只能被用来做暂时性的存储。传统的非易性存储器技术均源自ROM技术，即只读存储器技 术。经过各种技术的改进，工程师们创造出Flash和EEPROM存储器，这些改进的存储器开始能够进行写入操作了。但是这种基于ROM技术生产的存储器 都有不易写入、写入需要特大功耗等缺点。 所以传统的基于ROM技术制造的存储器是不适应需要多次写入操作的应用领域的。而铁电存储器(FRAM)则是第一个非易失性的RAM存储器。它结合了SRAM和DRAM易写入的特性，又具有Flash和EEPROM得非易失性的特点。 问：铁电存储器怎样与其它高性能的非易失性存储器，诸如MRAM来竞争？ 答： 两者最大的区别就是产品技术和市场是否成熟。铁电存储器是从实验室研发阶段一步步发展到拥有巨大客户群的生产销售阶段的。而 MRAM和其他比较高级的存储器虽然承诺的条件和技术很好，但是在实际应用层面还面临着许多障碍，很难达到目前铁电存储器的水平，并且铁电存储器的技术还 在不断的更新和改进。所以事实上Ramtron不能将还处于实验室开发阶段的存储器产品与技术已经成熟并大量生产销售的铁电存储器相比较。

虚拟存储器管理实验报告

淮海工学院计算机科学系实验报告书 课程名：《操作系统》 题目：虚拟存储器管理 页面置换算法模拟实验 班级： 学号： 姓名：

一、实验目的与要求 1.目的： 请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。 2.要求： 本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。 二、实验说明 1．设计中虚页和实页的表示 本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。 在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。 在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。 2．关于缺页次数的统计 为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内， 此虚页被命中，count加1。最终命中率=count/20*100%。 3．LRU算法中“最近最久未用”页面的确定 为了能找到“最近最久未用”的虚页面，程序中可引入一个时间计数器countime，每当要访问 一个虚页面时，countime的值加1，然后将所要访问的虚页的time项值设置为增值后的当前

完美的铁电存储器

完美的铁电存储器 一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理 日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商，至2010年12月31日，全球已经累计出货17亿颗铁电存储器！ Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。 铁晶体管材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁晶体管材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态，晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们拿来记忆逻辑中的０、另一个记亿１，中心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存资料。 二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点 传统半导体内存有两大体系：挥发性内存(Volatile Memory)，和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。 挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料，但这种内存拥有高性能、易用等优点。 非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料，但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术，所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点， 确切的来说，这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。 FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入，若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write)，而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。 铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时，新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。