数字电路与逻辑设计基础第7章-半导体存储器课件.ppt

1、本章要点本章要点 本章主要介绍存储器主要技术指标与存储器分类，并本章主要介绍存储器主要技术指标与存储器分类，并介绍了存储器的电路结构特点和工作原理。重点介绍存介绍了存储器的电路结构特点和工作原理。重点介绍存储器容量的扩展方法以及它的应用。储器容量的扩展方法以及它的应用。你知道吗？你知道吗？半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作二值半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作二值数据）的半导体器件。计算机中的硬盘、内存以及我们数据）的半导体器件。计算机中的硬盘、内存以及我们经常使用的经常使用的U U盘、盘、MP3MP3、MP4MP4以及数字照相机的内存卡和手以及数字照相机的内存卡和手机的机的S

2、DSD卡等等都是半导体存储器。它是属于大规模集成卡等等都是半导体存储器。它是属于大规模集成电路，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数电路，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据，因此存储器已经成为是数字系统中不可缺少的组成据，因此存储器已经成为是数字系统中不可缺少的组成部分。部分。7.1 7.1 概述概述 半导体存储器半导体存储器：用于储存大量二进制数据的半导：用于储存大量二进制数据的半导体器件，它是由存储单元矩阵构成。体器件，它是由存储单元矩阵构成。位（位（bit）：二进制中的一个数码，它是半导体存储器中存）：二进制中的一个数码，它是半导体存储器中存储数据的最小单位。储数据的最小

3、单位。字节（字节（Byte）：）：8位（位（bit）二进制数。）二进制数。半字节（半字节（nibble）：一个字节分为两组，）：一个字节分为两组，4位为半个字节位为半个字节 字（字（word）：一个完整的信息单位，通常一个）：一个完整的信息单位，通常一个字包含一个或多个字节字包含一个或多个字节。半导体存储器由存储单元矩阵构成，每个存储单半导体存储器由存储单元矩阵构成，每个存储单元中要么是元中要么是0，要么是，要么是1，每个矩阵单元可以通过行和，每个矩阵单元可以通过行和列的位置来确定列的位置来确定，存储单元矩阵可以有几种不同的构存储单元矩阵可以有几种不同的构成形式成形式。32个存储单元的半导体存

4、储器个存储单元的半导体存储器半导体存储器的重要指标：半导体存储器的重要指标：1 1存储容量存储容量 指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址寄存器（寄存器（MAR，Memory Address Register）的编址数与存）的编址数与存储字位数的乘积表示，储字位数的乘积表示，M位地址总线、位地址总线、N位数据总线的半导体位数据总线的半导体存储器芯片的存储容量为存储器芯片的存储容量为2MN位。位。如，某存储器芯片的如，某存储器芯片的MAR为为16位，存储字长为位，存储字长为8位，则其存位，则其存储容量为储容量为2168位位=64K8位

5、，位，64K即即16位的编址数。位的编址数。2 2存储速度存储速度 存储器的存储速度可以用两个时间参数表示存储器的存储速度可以用两个时间参数表示：“存取时间存取时间”(Access Time)TA 和和“存储周存储周期期”(Memory Cycle)TMC，存储周期存储周期TMC略大于存取时略大于存取时间间TA。启动一次存储器操启动一次存储器操作，到完成该操作作，到完成该操作所经历的时间所经历的时间 起动两次独立的存起动两次独立的存储器操作之间所需储器操作之间所需的最小时间间隔的最小时间间隔 半导体存储器的分类：半导体存储器的分类：根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：根据使用功能的不

6、同，半导体存储器可分为两大类：（1）只读存储器（）只读存储器（ROM）。其内容只能读取数据，）。其内容只能读取数据，不能不能快速地随时地快速地随时地修改或重新写入数据。修改或重新写入数据。存储的数据不会因存储的数据不会因断电而消失，即具有断电而消失，即具有非易失性非易失性。（2）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM）也叫做读）也叫做读/写存储器。既能写存储器。既能方便地读出所存数据，又能方便地读出所存数据，又能随时快速随时快速写入新的数据。写入新的数据。RAM的缺点是的缺点是数据易失数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。丢失。7.2 7.2 半导体存储器的分

7、类半导体存储器的分类（2）PROM：在出厂时存储内容全为：在出厂时存储内容全为1（或者全为（或者全为0),用户用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为某些单元改写为0(或为或为1)。只能写入一次。只能写入一次。ROM的分类的分类（按照数据写入方式特点不同）按照数据写入方式特点不同）（1）掩模掩模ROM：在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据：在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据写入存储器中，一旦写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固定不制成，其存储的数据就固定不变，无法更改。变，无法更改。（3）光可擦除可编程）光可

8、擦除可编程ROM（EPROM）：是）：是可编程存储器可编程存储器，其数据不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦其数据不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需除重写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需要通用或专用的编程器，其擦除为要通用或专用的编程器，其擦除为紫外线紫外线照射擦除，为一照射擦除，为一次全部擦除。次全部擦除。（4）OTPROM一次编程只读存储器（一次编程只读存储器（One Time Programmable Read Only Memory，OPTROM）的写入原理同）的写入原理同EPROM，但是为了，但是为了节省

9、成本，编程写入之后就不再擦除，因此不设置透明窗节省成本，编程写入之后就不再擦除，因此不设置透明窗。（6）快闪存储器（）快闪存储器（Flash Memory）：是采用浮栅型）：是采用浮栅型MOS管，管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入与存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入与EPROM相同，一般芯片可以擦除相同，一般芯片可以擦除/写入写入100万次以上。万次以上。（5）电可擦除可编程）电可擦除可编程ROM（E2PROM）：是采用浮栅技术）：是采用浮栅技术生产的可编程生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并且擦除的速度

10、要快的多（一般为毫秒管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具的电擦除过程就是改写过程，它具有有ROM的非易失性，又具备类似的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时的功能，可以随时改写（可重复擦写改写（可重复擦写1万次以上）。万次以上）。ROM存储器的应用实例：存储器的应用实例：BIOS芯片芯片是存放微机基本输入输出程序的只读存贮器，是存放微机基本输入输出程序的只读存贮器，其功能是微机的上电自检、开机引导、基本外设其功能是微机的上电自检、开机引导、基本外设I/O和系和系统统CMOS 设置。设置。586以前的以前的BIOS

11、多为可重写多为可重写EPROM芯片，上面的芯片，上面的标签起着保护标签起着保护BIOS内容的作用内容的作用(紫外线照射会使紫外线照射会使EPROM内容丢失内容丢失)，不能随便撕下。，不能随便撕下。586以后的以后的ROM BIOS多采用多采用E2PROM(电可擦写只电可擦写只读读ROM)，通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘，可，通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘，可以对以对E2PROM进行重写，方便地实现进行重写，方便地实现BIOS升级。升级。ROM存储器的应用实例存储器的应用实例 U盘盘是采用是采用flash memory(也称闪存也称闪存)存储技术的存储技术的USB设备设备.USB（Uni

12、versal Serial Bus）指）指“通用串行接口通用串行接口”，用，用第一个字母第一个字母U命名，所以简称命名，所以简称“U盘盘”。最新的最新的数码存储卡数码存储卡是一种不需要电来维持其内容的固态是一种不需要电来维持其内容的固态内存条，也就是闪存。闪存卡可以直接从数码相机上卸内存条，也就是闪存。闪存卡可以直接从数码相机上卸下来，然后可以通过读卡器连接到计算机上读出卡内的下来，然后可以通过读卡器连接到计算机上读出卡内的数据。闪存可以用来存储任何一种计算机数据，而不光数据。闪存可以用来存储任何一种计算机数据，而不光是存储数字相片。是存储数字相片。RAM存储器的分类：存储器的分类：根据结构和

13、使用功能的不同，根据结构和使用功能的不同，RAM存储器分为存储器分为静态存储静态存储器器（Static Random Access Memory，简称，简称SRAM）和）和动动态存储器态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称，简称DRAM）两种。）两种。SRAM的特点是数据由触发器记忆，的特点是数据由触发器记忆，只要不断电，数据只要不断电，数据就能永久保存就能永久保存。但。但SRAM存储单元所用的管子数量多，存储单元所用的管子数量多，功耗大，集成度受到限制功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点，则产生，为了克服这些缺点，则产生了了DRAM。它的集成度要比。它的

14、集成度要比SRAM高得多，缺点是速度高得多，缺点是速度不如不如SRAM快。快。RAM存储器的应用实例：存储器的应用实例：SRAM不需要频繁刷新，成本比不需要频繁刷新，成本比DRAM高，主要用在高，主要用在CPU集成的缓存（集成的缓存（cache）上上。DRAM是目前大容量是目前大容量RAM的主流产品的主流产品 例如电脑中的例如电脑中的内存条内存条：现在普遍使用的现在普遍使用的PC机内存即是机内存即是SDRAM（同步动态（同步动态RAM），它在运行过程当中需要按一定频率进行充电），它在运行过程当中需要按一定频率进行充电（刷新）以维持信息。（刷新）以维持信息。DDR内存、内存、DDR2内存都属于内

15、存都属于DRAM。7.3 7.3 存储器工作原理存储器工作原理半导体存储器基本结构：半导体存储器基本结构：电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分 二极管固定二极管固定ROM举例举例（1）电路组成：）电路组成：由二极管与门和由二极管与门和或门构成。或门构成。与门阵列组成与门阵列组成译码器，或门译码器，或门阵列构成存储阵列构成存储阵列。阵列。（2）输出信号表达式与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 00WD 101WWD22WD 33W

16、D（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：地地 址址存存 储储 内内 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 0 1 10 0 1 00 1 0 01 0 0 0存储器的容量：存储器的容量存储器的容量：存储器的容量=字数（字数（m）字长（字长（n）00WD 101WWD22WD 33WD 7.47.4存储器的扩展存储器的扩展 当使用一片当使用一片ROM或或RAM器件不能满足对存储容量的需求器件不能满足对存储容量的需求时，则需要将

17、若干片时，则需要将若干片ROM或或RAM组合起来，构成更大容量的组合起来，构成更大容量的存储器。存储容量的扩展方式有：位扩展方式、字扩展方式及存储器。存储容量的扩展方式有：位扩展方式、字扩展方式及复合扩展。复合扩展。7.4.1 7.4.1 位扩展位扩展 通常通常RAM芯片的字长多设计成芯片的字长多设计成1位、位、4位、位、8位等，当实位等，当实际的存储器系统的字长超过际的存储器系统的字长超过RAM芯片的字长时，需要对芯片的字长时，需要对RAM实行位扩展。实行位扩展。位扩展可以利用芯片的并联方式实现，即将位扩展可以利用芯片的并联方式实现，即将RAM的的地址线、地址线、R/W线和片选信号线对应地并

18、接在一起，线和片选信号线对应地并接在一起，而各个片子的输入而各个片子的输入/输出（输出（I/O）作为字的各个位线）作为字的各个位线 所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（10248）/（10244）=2片，地址片，地址总线为总线为10根，数据总线为根，数据总线为8根。根。【1】把把10244的的RAM扩展为扩展为10248的的 RAM。解：解：连线图连线图【2】把把10241的的RAM芯片扩展成芯片扩展成10248的的RAM。解：解：所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（10248）/（10241）=8片，地址片，地址总线为总线为10根，数据总线为根，数据总线为8根根。连线图连线图 7.4.2 7

19、.4.2 字扩展字扩展 若每一片存储器若每一片存储器(ROM或或RAM）的数据位数够而字数不够）的数据位数够而字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到字数更多的存储器，字数更多的存储器，字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现。的片选输入端来实现。【例例3】将将1K4的的RAM芯片扩展为芯片扩展为2K4的存储器系统。的存储器系统。所需的芯片数量为所需的芯片数量为（2K4）/（1K4）=2片，片，地址总线为地址总线为11根，数据总线根，数据总线为为4根。根。解：解：连线图

20、连线图 第一片的存储容量为第一片的存储容量为1K4，地址范围是地址范围是A10A9 A8 A7A0十六进制十六进制00 0 00000000000H01 1 111111113FFH第二片的存储容量为第二片的存储容量为1K4，地址范围是地址范围是A10A9 A8 A7A0十六进制十六进制10 0 00000000400H11 1 111111117FFH【例例4】用用648位的位的RAM接成一个接成一个2568位位解：解：所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（2568）/（648）=4片，地址总片，地址总线为线为10根，数据总线为根，数据总线为8根。根。连线图连线图 7.4.3 7.4.3 复合

21、扩展复合扩展 如果一片如果一片RAM或或ROM的位数和字数都不够，就需要同时采的位数和字数都不够，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片组成一个大的存储器系统，以用位扩展和字扩展方法，用多片组成一个大的存储器系统，以满足对存储容量的要求。满足对存储容量的要求。【例例5】将将1K4的的RAM扩展为扩展为4K8的存储器系统。的存储器系统。所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（4K8）/（1K4）=8片，地址总片，地址总线为线为12根，数据总线为根，数据总线为8根。根。解：解：【例例5】将将1K4的的RAM扩展为扩展为4K8的存储器系统。的存储器系统。连线图连线图 7.5 7.5 存储器的应用存储器

22、的应用AT24CxxAT24Cxx系列系列EEPROMEEPROM是由美国是由美国McrochipMcrochip公司出品，公司出品，1-512K1-512K位的支位的支持持I2CI2C总线数据传送协议的串行总线数据传送协议的串行CMOS EEPROMCMOS EEPROM，可用电擦除的存，可用电擦除的存储芯片。储芯片。(1)存储芯片与单片机联合应用存储芯片与单片机联合应用引脚名引脚名称称引脚功能引脚功能A0A2器件地址输入器件地址输入SDA串行数据输入输出串行数据输入输出SCL串行时钟输入串行时钟输入WP写保护写保护VCC电源电源GND地地AT24C02使用时，只需要把使用时，只需要把SDA

23、和和SCL两个管脚接到单片两个管脚接到单片机普通的机普通的I/O口上。口上。值得注意的是值得注意的是SDA和和SCL两个管脚一定要接上拉电阻，连接两个管脚一定要接上拉电阻，连接电路图如图所示。电路图如图所示。Intel2716Intel2716是一种是一种2K2K8 8的的EPROMEPROM存储器芯片，存储阵列由存储器芯片，存储阵列由2K2K8 8个带有浮动栅的个带有浮动栅的MOSMOS管构成，共可保存管构成，共可保存2K2K8 8位二进制信息。位二进制信息。其它的典型芯片有其它的典型芯片有Intel2732/2764/27128/27512Intel2732/2764/27128/2751

24、2等等。(2)存储芯片与存储芯片与A/D或或D/A芯片配合应用芯片配合应用 CEOE各引脚的功能如下：各引脚的功能如下：1.A10A0：地址信号输入引脚，可寻址芯片的：地址信号输入引脚，可寻址芯片的2K个存储单元；个存储单元；2.O7-O0：双向数据信号输入输出引脚；双向数据信号输入输出引脚；3.：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚为低电平时，才能对相应的芯片进行操作；该引脚为低电平时，才能对相应的芯片进行操作；4.：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输出；平有效，用以允许数据输出；5.VCC：+5v电源，工作电源。电源，工作电源。6.VPP：+25v电源，编程电源。电源，编程电源。7.GNDGND：地。：地。用用EPROM Intel 2716与与D/A芯片配合实现的信号发生器，芯片配合实现的信号发生器，产生各种复杂的电压波形，例如三角波、正弦波等。产生各种复杂的电压波形，例如三角波、正弦波等。