第3章 半导体存储器2011

1、第第5章章 半导体存储器半导体存储器第第1节节 存储器概述存储器概述第第2节节 半导体存储器介绍半导体存储器介绍第第3节节 存储器与存储器与CPU的连接的连接第1节 存储器概述存储器概述n 存储器是计算机硬件系统中必不可少的三大部件之一；存储器是计算机硬件系统中必不可少的三大部件之一；n 计算机程序、原始数据及中间结果等都存放在存储器中；计算机程序、原始数据及中间结果等都存放在存储器中；n 存储器按照材料可以分为：存储器按照材料可以分为：l 磁性存储器磁性存储器l 光学存储器光学存储器l 半导体存储器半导体存储器一、微机存储器一、微机存储器的分级结构的分级结构 价格依次降低价格依次降低 容量依

2、次增加容量依次增加 访问时间依次增长访问时间依次增长 访问频度依次减小访问频度依次减小 二、半导体存储器的分类二、半导体存储器的分类v随机存取存储器随机存取存储器RAMRandom Access Memoryv特点特点：可读可写，读写速度快，掉电数据丢失；：可读可写，读写速度快，掉电数据丢失；v用途用途：用于数据存储器；：用于数据存储器；v分类分类：按照带电状态下数据的保存时间，：按照带电状态下数据的保存时间，RAM又分为又分为动态动态DRAM、静态静态SRAM和集成和集成iRAM。v只读存储器只读存储器ROMRead Only Memoryv特点特点：只可读，但数据能长期保存；：只可读，但数

3、据能长期保存；v用途用途：常用于程序存储器；：常用于程序存储器；v分类分类：按程序固化方式分为：按程序固化方式分为ROM、PROM、EPROM。v闪速存储器闪速存储器FLASH 、EEPROMv特点特点：可读可写，掉电数据不丢失，读取速度快，但：可读可写，掉电数据不丢失，读取速度快，但写入速度慢；写入速度慢；v用途用途：主要用于保存记录数据，亦可做：主要用于保存记录数据，亦可做ROM使用。使用。v有源存储器有源存储器将将SRAM芯片与自备电池封装在一起，具芯片与自备电池封装在一起，具有有SRAM和和ROM的双重特点，用于快速记录大量数据。的双重特点，用于快速记录大量数据。第2节 半导体存储器简

4、介半导体存储器简介n 半导体存储器的基本结构与性能指标半导体存储器的基本结构与性能指标n 随机存取存储器随机存取存储器RAMRAMn 只读存储器只读存储器ROMROM一、半导体存储器的结构与性能一、半导体存储器的结构与性能1. 半导体存储器的基本结构半导体存储器的基本结构2. 2. 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标l 存储容量存储容量存储容量是指存储器可以存储的二进制信存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量，息量，用用bit、byte、word等表示。但不管是等表示。但不管是8位机、位机、16位机还是位机还是32位机，通常采用位机，通常采用byte作为计量单位。如某计作为

5、计量单位。如某计算机内存为算机内存为256MB，是指是指256MByte。l 最大存取时间最大存取时间存取时间定义为存储器从接收到寻找存取时间定义为存储器从接收到寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据为止所需存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据为止所需的时间，的时间，一般为几个一般为几个ns到几百到几百ns。反映了反映了存储器的工作存储器的工作速度。速度。l 温度范围温度范围军品（军品（-40 +85 C）；工业品（）；工业品（-25 +70 C ）；民品（）；民品（0 +70 C ）1. 功耗功耗 大多数的半导体存储器的字长为大多数的半导体存储器的字长为8 8位，常称位，常称作字节

6、型存储器。任何一个半导体存储器的最基作字节型存储器。任何一个半导体存储器的最基本存储单元都是一个位（本存储单元都是一个位（bitbit），），每每8 8个位组合为个位组合为一个字节结构，作为一个字节型存储器的基本读一个字节结构，作为一个字节型存储器的基本读写单元。写单元。二、二、RAMl SRAM的位存储单元结构的位存储单元结构 图中给出了静态MOS 6 管基本存储电路。 T1、T3及T2、T4两个NMOS反相器交叉耦合组成双稳态触发器电路。其中T3、T4为负载管，T1、T2为反相管，T5、T6为选通管。T1和T2的状态决定了存储的 1 位二进制信息。 这对交叉耦合晶体管的工作状态是，当一个晶

7、体管导通时，另一个就截止；反之亦然。假设T1导通，T2截止时的状态代表 1；相反的状态即T2导通，T1截止时的状态代表 0，即A点的电平高低分别代表 1 或 0。 当行线X和列线Y都为高电平时，开关管T5, T6, T7, T8均导通，该单元被选中，于是便可以对它进行读或写操作。 读操作：当读控制信号为高电平而写控制信号为低电平时， 三态门1和2断开，三态门3导通，于是触发器的状态(A点的电平)便通过T6、T8 和三态门3读出至数据线上， 且触发器的状态不因读出操作而改变。 写操作：当写控制信号为高电平而读控制信号为低电平时， 三态门1和2导通，三态门3断开， 可进行写操作。若数据线为高电平，

8、则三态门2输出的高电平通过T8, T6加至T1的栅极，具有反相的三态门1输出低电平通过T7, T5加至T2的栅极。不管T1, T2原来状态如何，迫使T1导通、T2截止，使触发器置成1状态。若数据线为低电平时， 则与上述情况相反，迫使T1截止、T2导通，使触发器置成0状态。l SRAM的组织结构的组织结构存储单元扩展：存储单元扩展：16单元单元位扩展：位扩展：8位存储器位存储器3. SRAM3. SRAM的引脚信号的引脚信号l数据总线信号，字节型存储器为数据总线信号，字节型存储器为D0D7；l地址总线信号，通常为地址总线信号，通常为A0An，地址线的根数反映了存地址线的根数反映了存储容量大小；储

9、容量大小；l读写控制信号：读写控制信号：q片选信号片选信号CS (Chip Select)或芯片允许信号或芯片允许信号CE (Chip Enable)，当存储器模块由多个当存储器模块由多个RAM芯片组成时，芯片组成时，CS (或或CE)用来选择应访问的存储器芯片；用来选择应访问的存储器芯片；q输出允许信号输出允许信号 OE(Output Enable)；q写允许信号写允许信号WE (Write Enable) 或读或读/写控制信号写控制信号R/W (Read/Write) 。1.存储器芯片通过三态缓冲器输出，存储器芯片通过三态缓冲器输出， 从而自动满足总线接从而自动满足总线接口口“输出要三态输

10、出要三态”的要求，避免了数据总线的多片争用。的要求，避免了数据总线的多片争用。SRAM 6116SRAM 6264上：上：EEPROM2864左：有源左：有源SRAM存储器存储器DS12304. SRAM4. SRAM的读写时序的读写时序以以62646264为例为例SRAM6264引脚及真值表引脚及真值表6264写数据时的信号时序写数据时的信号时序6264读数据时的信号时序读数据时的信号时序5. DRAM5. DRAM介绍介绍 DRAM DRAM与与SRAMSRAM的区别在于基本存储电路不同。的区别在于基本存储电路不同。DRAMDRAM利用利用MOSMOS管栅源间的极间电容来存储信息。当电容充

11、有电管栅源间的极间电容来存储信息。当电容充有电荷时，称存储的信息为荷时，称存储的信息为1 1，电容上没有电荷时，称存储的信，电容上没有电荷时，称存储的信息为息为0 0。 由于电容上存储的电荷不能长时间保存，总会泄漏，因由于电容上存储的电荷不能长时间保存，总会泄漏，因此必须定时给电容补充电荷，这个过程称为此必须定时给电容补充电荷，这个过程称为“刷新刷新”或或“再再生生”。 DRAM DRAM具有基本存储电路简单、集成度高、体积小等优具有基本存储电路简单、集成度高、体积小等优点，广泛应用于通用微机系统中。但是，点，广泛应用于通用微机系统中。但是，DRAMDRAM需要定时刷需要定时刷新，外围电路复杂

12、，在单片机系统中及少使用。新，外围电路复杂，在单片机系统中及少使用。 iRAMiRAM是一种本身集成了刷新电路的是一种本身集成了刷新电路的DRAMDRAM。三、三、ROM EPROMEPROM的基本存储电的基本存储电路由一个浮置栅路由一个浮置栅MOSMOS管管T2T2 和一个普通和一个普通MOS MOS 管管T1T1串联串联组成，如图所示。组成，如图所示。T2T2为基本为基本存储器件。存储器件。 浮置栅无电荷时，浮置栅无电荷时，T2T2截截止，信息为止，信息为1 1；浮置栅充有电；浮置栅充有电荷时，荷时，T2T2导通，信息为导通，信息为0 0。1. EPROM1. EPROM的存储原理的存储原

13、理 编程时，根据需要给选编程时，根据需要给选中的基本电路的中的基本电路的D D和和S S之间加之间加上一个上一个1212V25V25伏的高压编程伏的高压编程脉冲脉冲，D D和和S S之间就会瞬时击之间就会瞬时击穿并有电子通过绝缘层注入浮穿并有电子通过绝缘层注入浮置栅。置栅。 当高压去掉后，注入浮置当高压去掉后，注入浮置栅的电子因有绝缘层的包围而栅的电子因有绝缘层的包围而无处泄漏，使得浮置栅无处泄漏，使得浮置栅MOSMOS管始终导通，该位编程为管始终导通，该位编程为0 0。 EPROMEPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当用紫外线芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当用紫外线通过这个窗口照射时，基

14、本存储电路的浮置栅上的电荷会通过这个窗口照射时，基本存储电路的浮置栅上的电荷会形成光电流而泄漏掉，使电路恢复初始状态，从而把写入形成光电流而泄漏掉，使电路恢复初始状态，从而把写入的信息擦去。这样就可以对其再次编程。的信息擦去。这样就可以对其再次编程。 2. EPROM2. EPROM的引脚信号与连接的引脚信号与连接n数据总线信号，字节型存储器为数据总线信号，字节型存储器为D0D7D0D7；n地址总线信号，通常为地址总线信号，通常为A0AnA0An，地址线的根数反映了存地址线的根数反映了存储容量大小；储容量大小；n读写控制信号：读写控制信号：q片选信号片选信号CSCS (Chip Select)

15、 (Chip Select)或芯片允许信号或芯片允许信号CECE (Chip (Chip Enable)Enable)，当存储器模块由多个当存储器模块由多个RAMRAM芯片组成时，芯片组成时，CSCS ( (或或CECE) )用来选择应访问的存储器芯片；用来选择应访问的存储器芯片；q输出允许信号输出允许信号OEOE (Output Enable) (Output Enable)，接，接CPUCPU的的RDRD；q编程允许信号编程允许信号PGMPGM ，工作时接，工作时接VCCVCC ；q编程电压编程电压VPPVPP，编程时接高压脉冲，工作时接编程时接高压脉冲，工作时接VCCVCC。EPROM

16、27642764在在8088系统中的应用系统中的应用3. EPROM3. EPROM使用使用 EPROM EPROM存储器的使用分为三步：存储器的使用分为三步：v擦除擦除用紫外线照射用紫外线照射1515分钟左右即可，擦除干净后，分钟左右即可，擦除干净后，每个位单元的内容为每个位单元的内容为1 1，或每个字节单元的内容为，或每个字节单元的内容为FFHFFH。v固化（或编程）固化（或编程）用专用的编程工具将程序的机器代码用专用的编程工具将程序的机器代码写入到写入到EPROMEPROM芯片中去，写入时间通常为几秒钟到几十芯片中去，写入时间通常为几秒钟到几十秒钟。秒钟。v工作工作将将EPROMEPRO

17、M芯片插入目标系统板，通电运行，此芯片插入目标系统板，通电运行，此时，时，EPROMEPROM中内容只能被中内容只能被CPUCPU读出。读出。四、存储器与四、存储器与CPUCPU的连接的连接1. 1. 存储器与存储器与CPUCPU的连接的连接全全译译码码|存存储储器器的的地地址址范范围围？片选片选译码译码电路电路部部分分译译码码|存存储储器器的的地地址址范范围围？连接方法总结连接方法总结分析题意，了解扩充地址范围；分析题意，了解扩充地址范围；选择存储器芯片类型和型号；选择存储器芯片类型和型号；选定地址译码方法和电路；选定地址译码方法和电路；设计连接线路：设计连接线路：q 数据总线数据总线对应连

18、接对应连接q 地址总线地址总线对应连接对应连接1. 控制总线控制总线特别注意，尤其是片选信号。特别注意，尤其是片选信号。地址译码器电路设计用芯片的选择地址译码器电路设计用芯片的选择 利用现成的译码器芯片，如常规逻辑芯片利用现成的译码器芯片，如常规逻辑芯片7474LS00LS00、74LS0274LS02、74LS3074LS30、74 LS13874 LS138等；等； 利用数字比较器芯片，如利用数字比较器芯片，如7474LS688LS688等；等； 利用利用ROMROM做译码器；做译码器； 利用利用PLDPLD或或CPLDCPLD。设计实践设计实践 8088 8088CPUCPU扩展一个扩展

19、一个32KB32KB的内存，采用的内存，采用SRAM62256SRAM62256芯片，存储地址分配为芯片，存储地址分配为B0000H B7FFFHB0000H B7FFFH，试设计电路试设计电路原理图。原理图。2. 2. 存储器的扩展存储器的扩展v 数据位扩展：在数据位数上的扩展，用字长较短的存储器数据位扩展：在数据位数上的扩展，用字长较短的存储器芯片组成与芯片组成与CPU等字长的存储器模块。如用等字长的存储器模块。如用8个个64Kx1位位存储器芯片组成存储器芯片组成1组组64Kx8位位字节存储器；用字节存储器；用2个个64Kx8位位存储器组成存储器组成1组组64Kx16位位字型存储器。字型存

20、储器。v 存储容量扩展：用多组小容量存储器模块组成所需容量的存储容量扩展：用多组小容量存储器模块组成所需容量的存储器部件。如用存储器部件。如用4个个8Kx8位位存储器组成存储器组成1个个32Kx8位位存存储器；用储器；用4个个32Kx16位位存储器组成存储器组成1个个128Kx16位位存储器存储器等。等。v 地址分配与译码电路设计地址分配与译码电路设计CS0CS1CS2CS3例例1 1：80888088系统存储器扩展系统存储器扩展 80888088系统中，用系统中，用2725627256和和6225662256各扩展各扩展3232KROMKROM和和3232KRAMKRAM，要求，要求ROMR

21、OM的起始地址为的起始地址为C0000HC0000H，RAMRAM起始地址为起始地址为C8000HC8000H。试设计计算。试设计计算机的存储器连接图。机的存储器连接图。 已知已知80888088系统总线信号为：系统总线信号为：地址总线：地址总线：A0A0A19A19数据总线：数据总线：D0D0D7D7控制总线：控制总线：MEMRMEMR 和和 MEMWMEMW80888088系统为系统为8 8位数据总线，位数据总线，6225662256和和2725627256都是都是8 8位字节型位字节型芯片，因而不需要位扩展。芯片，因而不需要位扩展。 6225662256和和2725627256均为均为3

22、232K K存储器，因此，各采用一片芯片存储器，因此，各采用一片芯片。题目规定，题目规定，2725627256的地址为的地址为C0000HC7FFFHC0000HC7FFFH，其，其2020位地位地址为：址为：题目规定，题目规定，6225662256的地址为的地址为C8000HCFFFFHC8000HCFFFFH，其，其2020位地位地址为：址为：A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011000 xxxxxxxxxxxxxxxA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011001xxxxxxxxxxxxxxx题意分析题意分析设计思路设计思路数据线数据线D0D7D0D7对应相连；对应相连；地址线地址线A0A14A0A14对应相连；地址线对应相连；