半导体存储器及应用

1、半导体存储器及应用第1页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二第8章 半导体存储器及应用本章要点只读存储器及应用随机存取存储器及应用半导体存储器的性能指标第2页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.1 只读存储器及应用只读存储器，简称为ROM（Read-only memory ），其特点是：存储的信息一旦写入（即将数据存入存储器），在工作过程中不会改变，断电后数据也不会丢失。因此，只读存储器也称为固定存储器。根据数据写入的方式不同，分为固定ROM和可编程ROM（简称PROM）。PROM又包括可擦除可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM

2、）和FLASH存储器。第3页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.1.1 只读存储器演示按图示连接电路。检查无误后断开DIP2开关的S7S0，接通电源。改变DIP1开关的S7S0的状态，观察发光二极管的发光情况。 第4页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.1.2 只读存储器的基本类型1.固定ROM如图示，固定ROM又称为掩膜ROM，简称为MROM。在制造时，由生产厂家利用掩模技术直接把数据写入存储器中。MROM制成后，存储的数据也就固定了，用户在使用时无法再改变，只能读出。第5页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二存储矩阵由许多存储元

3、素排列组成。每个存储元素存放一位二进制代码“0” 或“ 1”，通常称为“位（bit）”。若干个存储元素（即若干位，例如m位）组成一个“字”(也称为一个存储单元)，每个字中二进制代码的位数称为“字长”。ROM的存储元素可以用二极管构成，也可以用三极管或MOS管构成。如图示是PMOS构成的字长为4位的4个字存储器矩阵示意图。存储矩阵中，没有接PMOS的位置存储的是“1”；接PMOS的位置存储的是“0”。存储器存储能力用存储容量来衡量，存储容量用存储矩阵的存储元素数目来表示，写成“字数位数”的形式，单位为“位（bit）”。图示的存储矩阵，存储容量为44位。 第6页，共21页，2022年，5月20日，

4、1点46分，星期二2. 可编程ROM（1）PROMPROM在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为“0”，但只能改写一次，故又称其为一次可编程只读存储器。目前基本上退出了应用。（2）EPROM在许多含有ROM的产品开发中，不可避免地需要进行编程测试编程的多次反复，所以在PROM的基础上，又出现了可擦除的可编程只读存储器EPROM。如，紫外线擦除型的可编程只读存储器，20世纪80年代到20世纪90年代曾经广泛应用。 如图所示是地址码为11位，存储容量为16Kb（2K8）的EPROM 。其输入地址被分为2组进行译码，这样做的好处是减少了译码输出线的条数。对不同存储容量的存储器而言，其

5、结构上的区别在于地址码的位数和存储矩阵的存储单元数不同。第7页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二（3）EEPROMEPROM在擦除、编程时需要从机器上拿下来，放在专门的装置上进行，不仅脱机操作手续多、耗时长，而且编程电压高，安全性差。后来逐渐开发出了电擦除可编程ROM，即EEPROM，也可表示为E2PROM。EEPROM具有在写入信息前自动进行在线电擦除的特点，可以对1个字节进行擦除和写入，也可以对1页进行擦除和写入，不需要专用设备，因此使用十分方便。1个字节（Byte）定义为8位（bit），通常对应1个存储单元。1页（Page）通常有64个字节，对应64个存储单元。如图示

6、，写入数据时，使 =0、 =1，在地址端加入地址码、数据输入/输出端加入待存储的数据，只需置 =0，即可写入数据。读出数据时，置 =0、 =1、 =0，即可从输入/输出端读出对应地址单元中存储的数据。第8页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二（4）FLASH存储器 FLASH存储器（又称闪速存储器，简称为“闪存”）是新型非易失性存储器。它与EEPROM的区别是：EEPROM可以按“字节”或“页”擦除和写入，而闪速存储器只能以“页”进行擦除和写入。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。另外一个应用领域是移动存储设备，如U盘和MP3，具有

7、抗震、速度快、耗电低等优点。存储容量为256Kb（32K8）、双列直插式封装的FLASH存储器AT29C256如图所示。 该芯片的数据写入是以“页”进行的，因此要改写某一存储单元的数据，整页的数据都要重写。 第9页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二3. 可编程ROM的型号与封装（1）可编程ROM的型号可编程ROM的型号标注主要有5个部分，如图所示。其中：第1部分的字母表示生产商，如“M”为ST、“AT”为ATMEL等；第2部分的数字表示类型，如“27”表示是EPROM、“28”表示EEPROM、“29”表示FLASH存储器；第3部分的字母“C”或“F”表示工作电源电压为+5

8、V，也可以省略；第4部分的数字表示存储容量，如“16”表示16Kb（2K8）、“010”表示1Mb（128K8）、“4001”表示4Mb（512K8）、4002表示4Mb（256K16）等。第5部分的数字表示存取时间，单位为ns。第10页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二（2）可编程ROM的封装可编程ROM除了双列直插式封装外，还有LLC和TSOP封装，如图所示。LLC封装的引脚也为直插式，但分布在四周。TSOP封装的引脚在两边，但只能贴着电路板焊接。在实际应用中，应根据具体的需要选择它们。LCC封装TSOP封装第11页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二

9、8.1.3 只读存储器的应用只读存储器主要用于保存经常使用的不变数据。借助只读存储器，通过对读、写数据的选择，可以实现某些特定的功能。如图示是用EEPROM（如AT28C16）代替4线-7线译码器实现八段数码显示的电路。将ROM需输出的数据预先写入存储器的000H00FH单元。于是，在输入的4位二进制数作用下，数码管显示出相应的数码。 第12页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.2 随机存取存储器及应用随机存取存储器，简称为 RAM（Random access memory）。使用时，必须保持供电，否则其保存的数据将消失，所以，随机存取存储器也称为读写存储器。根据所采用器

10、件类型不同，RAM可分为双极型（三极管）和单极型（场效应管）。按照工作方式不同，可分为静态RAM和动态RAM两类。第13页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.2.1 随机存取存储器演示按图所示连接电路，检查无误后断开DIP2开关的S7S0，接通电源。设置DIP1开关的S7S0。每设置好一个数据，在计数器的CP端输入一个单次脉冲，使计数器状态增1，即存储器地址增1；接着闭合开关S3，将设置好的数据写入相应的存储单元后，再断开开关S3。观察发光二极管的发光情况。 第14页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.2.2 随机存储器的基本类型 1. 静态随机存储

11、器（Static RAM，简称SRAM）SRAM利用具有两种稳定状态的触发器记忆二进制信息，其中一个状态表示“1”，另一个状态表示“0”。 SRAM的读写次数不影响其寿命，可无限次读写。在保持SRAM的电源供给情况下，其内容不会丢失。SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备，但是它的价格也最贵。2. 动态随机存储器（Dynamic RAM，简称DRAM）DRAM利用MOS管极间电容上存储的电荷实现记忆二进制信息，有电荷时表示为“1”、无电荷时表示为“0”。由于每读出一次，电容上的电荷要减少一部分，因此这种读出称为破坏性读出。为了保持电容上的保存的信息不丢失，就必须定时给电容补充电荷。给电容

12、补充电荷，将存储信息恢复的操作，通常称为“刷新”或“再生”。DRAM的集成度高、功耗低，但应用时外围电路复杂，速度较慢，需要定期刷新。第15页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二图示是DRAM芯片2164，其存储容量为64K1位，芯片内部含有4个128128译码矩阵，每个译码矩阵配有128个读出放大器，及一套I/O控制电路。第16页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二随机存取存储器的应用1位扩展当存储系统的实际字长已超过RAM芯片的字长时，需要对RAM进行位扩展。位扩展的基本思路是：将多片RAM的地址线、读出线和片选信号线对应地并接在一起，而各个芯片的输入/

13、输出（I/O）作为字的各个位。图示是用8片DRAM芯片2164扩展为64K8的存储系统连接图。第17页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二2.字扩展字扩展指的是增加存储系统中字的数量。字扩展的基本思路是：通过外加译码器控制RAM芯片的片选输入端来区分各芯片的地址范围，实现字数的扩展。图示是用4片SRAM芯片KM6264扩展为48K8位的存储系统。每片KM6264的数据线、读/写控制线相应并联，作为存储系统的数据线、读/写控制线。将地址总线低位地址A12A0与各片KM6264的13位地址端相连，而地址总线的高2位地址线A14，A13送入2线-4线译码器，译码输出分别与4个KM6

14、264的片选端相连。第18页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.3 半导体存储器的性能指标1. 存储容量 容量是指半导体存储器芯片上能存储的二进制数的位数。存储容量越大，说明它能存储的信息就越多。存储容量是半导体存储器的重要性能指标，通常用存储器芯片所能存储的字数和字长的乘式来表示。即：存储容量字数字长 例如，容量为10241的芯片，则该芯片上有1024个存储单元，每个单元内可存储一位二进制数；再如，存储容量为2564的存储芯片表示它有256个存储单元，每个单元可以存放4位二进制信息。2. 存取时间 半导体存储器的存取时间指的是，微处理器从其中读取或写入一个数所需要的时间

15、，亦称为读写周期，即存储器从接收到微处理器送来的地址，到微处理器从该地址读取或写入一个数据所需要的时间。存取时间越短，其运行速度就越快。半导体存储器的存取时间一般以ns为单位。存储器芯片的手册中一般会给出典型的存取时间或最大时间。在芯片外壳上标注的型号往往也给出了时间参数，例如M27C256B-70，表示该芯片的存取时间为70ns。第19页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二8.3 半导体存储器的性能指标3. 功耗 半导体存储器的功耗指的是，其正常工作时所消耗的电功率。半导体存储器的功耗可分为工作功耗和维持功耗。工作功耗是指存储器芯片被选中进行读写操作时的功耗；维持功耗是指存

16、储器芯片未被选中而仅仅维持已存储信息时的功耗。存储器的功耗与存取速度有关，一般存取速度越快，功耗也就越大。4. 可靠性 半导体存储器的可靠性指的是它对周围电磁场、温度、湿度等的抗干扰能力。由于存储器常采用超大规模集成电路工艺制成，故它的可靠性通常较高，寿命比较长，平均无故障时间可达几千小时以上。5. 价格 价格也是半导体存储器的一个重要指标。一般地，在满足系统要求的前提下，尽可能选择低价位的半导体存储器芯片，以便节约成本。 在实际中选择半导体存储器，需根据不同的要求和应用场合，重点考虑某个或某几个指标。例如，如果需要存储大量信息，则首先要考虑的指标可能是存储器的容量，其他的指标是次要考虑因素；如果是应用在电池供电的便携式仪器中，则首先需要考虑的指标可能是存储器的功耗；如果应用在对实时监测与控制系统中，则首先需要考虑的指标可能是存取时间等。第20页，共21页，2022年，5月20日，1点46分，星期二本章小结（1）半导体存储器是现在数字系统中的重要组成部分，它可分为ROM和RAM两大类，绝大部分是采用MOS工艺制成的大规模集成电路。（2）ROM是非易失性存储器，断电后，信息仍能保存在ROM中。根据数据写入的方式不同，ROM可分为固定ROM和可编程ROM。而可编程ROM又可细分为PROM、EPROM、E2PROM和FLASH存储器等。