数字电子技术基础第7章存储器课件

1、第7章 存 储 器 存储器是一种能存储大量二进制信息的电子器件，它是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分，能存储1位（或1组）二进制信息，存储器被大量用在嵌入式（单片机）系统中。本章主要介绍只读存储器与随机存储器的结构、工作原理与实际的存储器 7.1 只读存储器7.1.1 只读存储器概述只读存储器（ROM）的特点是存储单元断电后，数据不会丢失。1不可写入数据的只读存储器（1）二极管ROM以二极管作为存储单元的存储器。（2）掩模存储器（MROM，Mask ROM）掩模只读存储器是数据在存储器的制作过程中就永久地保存在存储阵列中的只读存储器。2可写入数据的存储器（1）一次编

2、程存储器（PROM，Programmable ROM）一次编程存储器是用户使用专用编程设备可以进行一次编程的只读存储器。（2）可擦除存储器（EPROM，Erasable Programmable ROM）可擦除只读存储器，常用的紫外线可擦除可编程只读存储器（UV EPROM）是可用紫外线擦除数据、用专用编程设备写入数据的只读存储器。擦除数据时，需要将该存储器芯片用紫外光照射几十分钟。（3）电擦除存储器（E2PROM，Electrical Erasable Programmable ROM）电可擦除可写入的只读存储器，是电擦除、写入数据的只读存储器。数据的擦除与写入在毫秒数量级。（4）快闪存储器

3、（FLASH ROM）快闪电可擦除、写入存储器，是读写速度更快、容量更大的电可擦除可写入的只读存储器。7.1.2 不可写入数据的ROM1不可写入数据的ROM不可写入数据的ROM结构如图7-1所示。该存储器由地址译码器、存储单元矩阵和输出控制电路组成。用二极管作为存储单元实现的ROM存储器如图7-3所示。2掩模存储器MROM 掩模存储单元结构存储器中的数据是在存储器工厂生产存储器时，通过工艺手段保存在存储器中的，因此需要用户向存储器生产工厂提供写入存储器中的数据。（1）NOR型MROM例如，只有W1=1时，有MOS管的地方位线接地，无MOS管的地方，位线为高电平，位线输出0101。对于其他情况有

4、：只有W2=1时，位线输出为0011；只有W3=1时，位线输出为1001；只有W4=1时，位线输出为0110。（2）与非（NAND）结构的MROM例如，当只有字线W1为0，其他字线为1时，由于与W3相连的MOS管导通，所以位线C1输出0；由于与W1相连的MOS管不导通，位线C2输出1；由于与W2和W4相连的MOS管导通，位线C3输出0；由于与W1相连的MOS管不导通，位线C4输出1。因此位线输出为0101。对于其他情况有：只有W2=0时，位线输出为0011；只有W3=0时，位线输出为1001；只有W4=0时，位线输出为0110。7.1.3 可写入数据的ROM1可写入数据ROM组成（1）地址译码

5、器为减少译码器输出线的根数，采用行列双译码方式。（2）存储单元由于存储矩阵中的存储单元可以写入数据，因此常用熔丝、浮置栅极场效应管等实现。（3）读擦写控制电路除像不可写入数据的ROM一样实现读数据操作之外，还有写数据操作。（4）充电泵电路充电泵电路用于提高存储器的擦写电压到812V，满足擦除与写入数据的需求。 2可写入数据ROM中的存储单元（1）可一次编程存储器PROM熔丝存储单元结构的一次编程只读存储单元如图7-8所示。可以看出，每个存储单元中都有连接MOS管源极和位线的熔丝，该熔丝通表示存储1，熔丝断表示存储0。（2）紫外线擦除电编程的存储器UVEPROM UVEPROM使用浮置栅极注入M

6、OS管作为存储单元。浮置栅极周围都是氧化物绝缘材料，因而与外界没有任何导电连接，所以可以长时间地保存电荷。 浮置栅极中是否存有电荷来表示数据， 编程过程是在浮栅注入管的漏极与控制栅极上加高电压，使源极与漏极之间出现雪崩击穿产生热电子，在控制栅极高电压的作用下，电子进入浮置栅极，使正常的控制栅极电压不能使浮栅注入管导通。 擦除过程是用紫外线通过封装表面的透明石英玻璃窗照射存储单元，使氧化层产生电子-空穴对，为栅极电荷放电提供放电通道，使电荷消失，这样正常的栅极电压就可以使浮栅注入管导通。（3）电擦除的可编程只读存储器（E2PROM）E2PROM的存储单元中采用了一种叫做浮栅隧道MOS管，结构和符

7、号见图7-10。 浮栅隧道管是N沟道增强型MOS管，有两个栅极控制栅极Gc和浮置栅极Gf。该管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的区域，这个区域称为隧道区，当隧道区的电场强度大于107V/cm时，就会形成导电隧道，电子可以双向通过，形成电流，这种现象称为隧道效应。 用浮栅隧道管组成的存储单元，其中T1管是浮栅隧道管，T2的作用是使浮栅隧道管与位线连接。 擦除时，在浮栅隧道管的控制栅极Gc加20V电压，使浮栅隧道管漏极接地，在强电场的作用下，漏区的电子通过隧道区进入浮置栅极。擦除后的浮栅隧道管具有高的开启电压，在正常读操作栅极电压时不会导通。 编程时，将要写入数据的浮栅隧道管浮置栅极中的电荷移出

8、，在控制栅极Gc加0V电压，然后在漏极加20V的电压，在强电场的作用下，使浮置栅极中的电荷通过隧道区放电。 读出数据时，在控制栅极Gc加正常读栅极的电压（小于5V），若是浮置栅极中没有电荷，浮栅隧道管导通，位线通过浮栅隧道管接地，读出0；若是浮置栅极中有电荷，浮栅隧道管不导通，位线上读出1。（4）闪速存储器 闪速（FLASH）存储器按照存储矩阵的结构不同，分为NOR及NAND两类，其矩阵结构与前述掩模存储器基本相同。 FLASH与E2PROM的主要区别是E2PROM具有位擦除能力，而FLASH存储器不具有这个能力，只能块或字节擦除，因此存储单元可以使用一个浮栅MOS管实现，占有更小的面积，具有

9、更大的容量。 NOR FLASH读写速度较NAND FLASH快，可以块或字节为单位读写. NAND FLASH的单元尺寸比NOR FLASH的小，因此同样大小的芯片面积，NAND FLASH的容量比NOR FLASH大得多。 NOR FLASH具有与E2PROM相同的专用地址线、数据线与控制线，通过这些连线可以直接从NOR FLASH中存取数据， NAND FLASH不具有专用的地址线，而是间接使用I/O接口，将外部命令与数据通过8位总线送入内部的命令寄存器与数据寄存器。a）NOR FLASH 存储器。NOR FLASH存储单元结构如图7-11所示。 NOR FLASH的擦除 是将电荷从浮置

10、栅极中移走，为移走电荷，需要在浮栅管的控制栅极上加0V电压，在源极上加擦除正电压，漏极悬空，在栅源电压的作用下，电子通过隧道移出浮置栅极。在编程前，FLASH总是先进行擦除操作。 NOR FLASH的写入 是向存储单元浮栅管的浮置栅极中注入电荷，方法是在浮栅管的漏极接正电压，源极接地，在控制栅极加正电压，这样，漏源极之间雪崩击穿产生的热电子，被吸引到浮置栅中，浮置栅中的电子使读操作时的控制栅极电压不能使浮栅管导通。 NOR FLASH的读出 是在浮栅管的控制栅极上加读电压，将浮栅管的导通与否状态读出到浮栅管的漏极。 b）NAND FLASH存储器。NAND FLASH的存储单元结构与NOR结构

11、基本相同，但是其擦除与编程都利用隧道效应实现。3可写入ROM的主要技术指标（1）存储容量 存储容量M是存储矩阵的存储单元数，是能够存储的一位二进制数的数量，若一个存储器可以存储N个二进制数据（具有N个地址），每个二进制数据为L位，则存储器的存储容量M为NL。 存储容量单位是二进制的位（bit），1024个bit为1K。有时存储器还以字节（Byte）为单位表示存储器容量， 存储地址数N与地址线数A有关，N=2A，因此存储容量M=2AL。 存储器地址数与字数不同，只有在一个地址内保存的数据位数与字长相同时，存储地址数才等于字数。通常计算机字长分为4位、8位、16位、32位，（2）读、写与擦除时间

12、早期的不可写入存储器主要操作是读操作，而编程（写入）操作和擦除操作很少，因此读时间就是很重要的参数，通常按照读出数据方式的不同，读操作时间又分为随机读时间与序列读时间。 可写入存储器由于写入、擦除操作频繁，因此写入、擦除操作时间也是重要参数。 （3）编程次数 对于现在正在使用的NAND FLASH存储器，一般具有100万次以上的编程次数，但是E2PROM存储器的编程次数一般小于10万次，有些产品甚至少到100次（4）数据保存时间 一般可达20年以上。（5）功耗 低功耗可以使存储器用于便携式产品设计，例如移动数据采集、手机等，因此也是很重要的技术指标。超低功耗存储器的工作电流为微安级。7.1.4

13、 并行接口EPROM存储器2725627256是紫外线擦除的EPROM存储器，存储容量为32K8，引脚具有TTL兼容逻辑电平，其双列直插封装（DIP）引脚排列如图7-12所示， 该存储器采用紫外线擦除数据，用编程器写入数据，常在早期8031单片机组成的电子系统中用于存储用户编制的程序。该存储器与8031单片机接线如图7-14所示。*7.1.5 并行接口E2PROM存储器AT28C64B AT28C64B是并行存取容量为8192字的8位E2PROM。内部结构如图7-16所示。 在AT28C64B的结构中，除了X、Y地址译码器、存储器矩阵和、和控制逻辑外，还有数据锁存、输入/输出缓冲、Y轴门控和器

14、件辨识模块。AT28C64B的引脚排列如图7-17所示，引脚功能如表7-1所示。 该芯片处于非选择状态时的电源电流小于100mA。编程次数可达到100000以上，数据可以保存10年。 该芯片电源电压为5V，运行电流为40mA时耗散功率220mW，具有CMOS/TTL兼容的输入与输出引脚。1）读操作 读操作时序如图7-18所示。由时序图可知，在或为高电平时，输出引脚为高阻状态。当地址有效后，在和同为低电平时，给定地址的数据呈现在输出引脚I/O0I/O7。读操作时间参数如表7-3所示。（3）页写操作 AT28C64B页写操作允许在一个内部写周期内，实现164个字节的写入操作。（4）数据查询 AT2

15、8C64B具有内部写周期结束检查的数据查询功能。（5）跳变位查询 除了数据查询外，AT28C64B还提供了确定写操作结束的跳变位方法。（6）数据保护 工业现场的环境都比较恶劣，电网电压的大幅度波动、闪电、雷击等都可能造成仪器仪表中E2PROM的数据被非法改写。AT28C64B的具有硬件数据保护措施。（7）整片擦除 AT28C64B芯片具有整片擦除功能，即把所有存储单元都清除成“1”。（8）软件保护 AT28C64B芯片的软件数据保护措施可以保护芯片在受到干扰时不损坏和丢失数据。AT28C64B具有软件数据保护功能（SDP，Software Data Protection），该功能由用户启动。图

16、7-21为89C51单片机与28C64B连接时的读/写时序图。图7-21 89C51单片机与28C64B连接时的读/写时序图7.1.6 二极管ROM实现数字电路 【例7-1】 试用74LS160、74LS138、74LS04和二极管ROM矩阵组成一个4彩灯控制电路。各个彩灯（发光二极管）亮灭如表7-5所示。图7-22 4彩灯控制电路【例7-2】 十进制数-4位二进制数代码转换（拨码盘电路）。【例7-3】 采用ROM实现2位二进制数相乘。7.2 随机存储器 随机存取存储器（RAM）用于随机向存储器的存储单元写入数据或从存储单元中读出数据，具有无限次存取、存取速度快的特点。在易失数据随机存储器中，

17、存储单元断电后，存储器中的信息会丢失。1易失数据的随机存储器 （1）静态随机存储器（SRAM，Static Random Access Memory） 数据保存在类似触发器的存储单元中，只要有电源，数据就存在。 （2）动态随机存储器（DRAM，Dynamic Random Access Memory） 数据保存在电容器组成的存储单元中，要使数据存在，不仅需要电源，而且需要刷新电容中的电荷（充电）。2非易失数据RAM存储器（NVRAM，Nonvolatile RAM） （1）SRAM+后备电池（BAKBAT） 这种非易失RAM，把低功耗SRAM与供电电池集成到1个封装中，具有RAM的读/写速度，

18、又具有非易失的特点。当电源电压降低到一定值时，芯片处于写保护状态，正常工作情况下，电池不断地被充电，使断开外电源后，电池的电量仍然可以使数据保存几十年以上。（2）SRAM+E2PROM 这种非易失存储器不需要后备电池，可以像SRAM一样地读/写，所以兼容现在所有的SRAM接口，在电压降低到一定值时，数据会保存到E2PROM中，当电压升到一定值时，会自动将数据返回SRAM中。7.2.1 静态随机存储器1静态随机存储器的组成SRAM由存储矩阵、地址译码电路、读写控制电路组成，图7-26所示的就是4096个存储单元的静态随机存储器。2SRAM的存储器单元静态随机存储器的存储单元工作原理与触发器类似，

19、一般由MOS管组成，在小容量的静态随机存储器中也有使用双极性晶体管组成的存储单元。既然是触发器，就具备触发器的特征，当电源加上时，输出状态不确定，当断电时，不能保留状态。 3读/写控制电路SRAM存储器的读/写电路如图7-28所示。 4实际的静态随机存储器图7-29所示的是62256静态随机存储器的符号图。该存储器共有32K8位存储单元，其内部结构如图7-30所示。图7-32显示的是8051单片机外扩随机存储器62256时的接线图。由图可知，8051单片机的P0口分时输出地址与数据，P2口输出地址高7位，ALE信号控制74LS373锁存地址低8位，读信号RD与写信号WR控制读/写62256。读

20、/写62256的过程与读/写28C64B的过程相同。*7.2.2 动态随机存储器1动态存储器简介 动态存储器（DRAM）是指存储阵列需要不断刷新保证保存数据不丢失的存储器，原因是使用电容保存数据，所以必须间隔一定时间对其内容进行刷新（充电），否则保存的数据就会丢失。对DRAM来说，每次读取数据实际上是一次放电，读后必须对电容进行充电，保证其保存内容的有效性，即使不对它进行读取，每隔一定的时间也需要对它进行一次刷新。 DRAM存储器的存储单元与SRAM存储单元相比简单得多，是由一个晶体管和电容构成的，由于简单，因此占用很小的芯片面积，使DRAM具有高集成度和低成本的特点。 由于要刷新存储单元，所

21、以在DRAM中有刷新电路，另外为节省引脚，DRAM采用复用地址引脚技术，就是先接收行地址，将行地址锁存后再接收列地址的技术。2存储单元 动态存储单元使用电容存储一位二进制数据，优点是比静态存储单元简单，占用芯片面积小，因而可以作成大容量、低价格的存储器。缺点是电容的电荷不能长时间保持，需要周期地刷新才能使数据不丢失，刷新操作需要附加电路而且操作复杂。图7-33所示的是MOS管和电容组成的动态存储单元。动态存储单元中MOS管相当于开关，控制电容C是否与列线连接。读、写和刷新操作如图7-34所示。3同步动态存储器HY57V641620HY57V641620芯片的存储矩阵分为4个存储体（BANK），

22、每个存储体的容量为4M16=64M，所以总存储容量为256M，位宽度是16位。 同步动态存储器HY57V641620（1）单片机与SDRAM之间的关系HY57V561620芯片分为4个存储体。因此32位单片机与两片HY57V561620芯片的接线可以由图7-36所示。（2）单片机与芯片之间的动作顺序单片机先用片选信号AD14确定存储器，然后对存储器进行寻址操作；接下来是对被选中的存储器内进行统一的逻辑存储体寻址，由于逻辑存储体的数量为4个，因此单片机提供两个选择信号AD13、AD12；最后就是对被选中的存储体进行统一的行/列（存储单元）寻址，寻址信号为AD11AD0，数据线为D31D0；（3）

23、SDRAM命令a）初始化。b）逻辑存储体选择和行有效。c）列读/写操作。d）读数据。e）写数据。f）预充电。g）数据刷新。h）数据掩码。*7.2.3 非易失RAM介绍1SRAM+后备电池型非易失存储器SRAM+后备电池结构的非易失RAM结构如图7-37所示。 可以看出是由电路板、SRAM、电池、控制器和外封装构成。 虽然像只读存储器一样数据不会丢失，但是存取速度可以达到100ns；电池充电一次，可以保证数据保存23年，一次深充电后，数据可以保存60年，若是多次充电，数据保存时间可以更长；为使电池寿命更长，第一次使用时，需要对电池充电96小时以上。2SRAM+E2PROM型非易失存储器将SRAM

24、+E2PROM组合在一起的非易失SRAM存储器，实现了无需后备电池的非易失性存储，芯片接口、时序等与标准SRAM完全兼容，其内部结构如图7-39所示。通常SRAM+E2PROM型非易失存储器的操作都在SRAM中进行，只有当外电源突然断电或者系统需要存储的时候才会把数据存储到E2PROM中去，当检测到系统上电后会把E2PROM中的数据回读到SRAM中，使系统正常运行。（1）自动存储 当检测到外电源电压低于最小值时，会自动保存SRAM的数据到E2PROM中，其间所需要的电源由外部的电容C提供。（2）硬件存储将引脚连接至单片机，当单片机输出信号将拉到低电平时进行存储操作，会保存SRAM的数据到E2P

25、ROM中。（3）软件存储 软件存储是由一个预定义的6个确定地址的连续SRAM读操作后，控制数据从SRAM保存至E2PROM中。a）自动回读。当检测到外电源重新上电时，数据会自动从E2PROM回读到SRAM中。b）软件回读。软件回读是由一个预定义的6个确定地址的连续SRAM读操作后，控制数据从E2PROM复制到SRAM中。*7.3 铁电随机存取存储器 铁电随机存取存储器（FRAM，Ferroelectric RAM），是以铁电物质为原材料的存储器，不仅具有动态随机存取存储器及静态随机存取存储器的高速特性，还能在掉电情况下存储信息，即具有非易失性。1铁电存储器技术原理 FRAM利用铁电晶体的铁电效

26、应实现数据存储，铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，越过中间层，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层具有高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶的中间层到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。2FRAM存储单元结构FRAM的存储单元主要由铁电电容和场效应管构成，但这个铁电

27、电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。MOS管与铁电电容Cfe组成的存储单元如图7-40所示。3FRAM的读/写操作图7-41显示的是读/写操作电路图。图中的灵敏放大器用于放大读出信号。4实际的铁电存储器FM25L256是256K串行铁电非易失RAM存储器，该存储器具有如下特点：图7-42 FM25L256引脚排列图 存储容量为327688位； 具有无限制读/写周期； 数据可以保持10年； 采用工业标准SPI三线接口； 接口频率为25MHz； 可以直接替换相同接口的E2PROM。 该存储器与单片机的SPI接口接线如图7-43所示。其中单片机的P1.0引脚用于片选

28、；MOSI是单片机输出、存储器接收引脚；MISO是单片机接收、存储器输出引脚；SCK是时钟引脚，这三个引脚分别与FM25L256的时钟SCK、输入/输出SI和SO引脚相连。 SPI总线是摩托罗拉公司首先推出的一种同步串行传送标准，是通用的单片机串行扩展接口。很多公司的单片机芯片与相关的外设芯片具有SPI接口。该存储器与一般串行E2PROM相比具有如下优点。 读写速度：串行E2PROM随机写一个字节需要5ms，而FM25L256需要2ms。 读写次数：E2PROM可写100万次，而FM25L256无限次。 低功耗：E2PROM的功耗在mA级，而FM25L256的功耗在mA级。该芯片可以替代一般的E2PROM存储器，使系统设计更加简单可靠。7.4 存储器扩展7.4.1 位扩展 如果一片存储器的位宽不够用时，就需要位扩展，将多片存储器组合成位数更多的存储器。位扩展法也称位并联法，采用这种方法构成存储器时，各存储芯片连接的地址、读写、片选信号是相同的。而存储芯片的数据线则分别连接到各个存储器的数据总线上。 图7-44给出的是按位扩展法将