第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器第第8 8章章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件與可編程邏輯器件 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件均屬于大規(guī)模集成組半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件均屬于大規(guī)模集成組合邏輯電路。合邏輯電路。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是由半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是由半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)器，讀寫速度快，但存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器讀寫速度快，但存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量越來(lái)越大，已在技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量越來(lái)越大，已在逐步取代磁盤存儲(chǔ)器的過程之中。逐步取代磁盤存儲(chǔ)器的過程之中。8.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 8.1.1 存儲(chǔ)

2、器概述存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的器件。存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的器件。 存儲(chǔ)器按其材料組成主要可分為磁存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按其材料組成主要可分為磁存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器。磁存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，但讀寫速度較慢。磁存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，但讀寫速度較慢。目前微機(jī)系統(tǒng)還在應(yīng)用的硬盤就屬于磁盤存儲(chǔ)器。目前微機(jī)系統(tǒng)還在應(yīng)用的硬盤就屬于磁盤存儲(chǔ)器。 存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)容量通常用位（存儲(chǔ)容量通常用位（bit ，縮寫為小寫字母，縮寫為小寫字母b）或字）或字節(jié)（節(jié)（Byte，縮寫為大寫字母，縮寫為大寫字母B）表示。）表示。能夠

3、存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)碼能夠存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)碼1或或0的電路稱為存儲(chǔ)單元。的電路稱為存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器含有存儲(chǔ)單元的數(shù)量稱為存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)器含有存儲(chǔ)單元的數(shù)量稱為存儲(chǔ)容量。 存取周期表明了讀寫存儲(chǔ)器的工作速度，不同類型的存取周期表明了讀寫存儲(chǔ)器的工作速度，不同類型的存儲(chǔ)器存取周期相差很大。快的約存儲(chǔ)器存取周期相差很大。快的約ns級(jí)，慢的約幾十級(jí)，慢的約幾十ms。 存取周期存取周期連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖圖8-1 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖具有三態(tài)結(jié)構(gòu)。具有三態(tài)結(jié)構(gòu)。 存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元地址每一存儲(chǔ)單元有一個(gè)

4、相應(yīng)的編碼，稱為存儲(chǔ)單元地址。每一存儲(chǔ)單元有一個(gè)相應(yīng)的編碼，稱為存儲(chǔ)單元地址。 8位地址編碼可區(qū)分位地址編碼可區(qū)分28=256個(gè)存儲(chǔ)單元，個(gè)存儲(chǔ)單元，n位地址編碼位地址編碼可區(qū)分可區(qū)分2n個(gè)存儲(chǔ)單元。個(gè)存儲(chǔ)單元。 地址寄存器和地址譯碼器地址寄存器和地址譯碼器寄存寄存n位地址并將其譯碼為選通相應(yīng)存儲(chǔ)單元的信號(hào)。位地址并將其譯碼為選通相應(yīng)存儲(chǔ)單元的信號(hào)。 存儲(chǔ)單元矩陣存儲(chǔ)單元矩陣 存儲(chǔ)單元矩陣就是存儲(chǔ)單元按序組成的矩陣，是存儲(chǔ)存儲(chǔ)單元矩陣就是存儲(chǔ)單元按序組成的矩陣，是存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的實(shí)體。二進(jìn)制數(shù)據(jù)的實(shí)體。 數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器 存儲(chǔ)器讀操作步驟：存儲(chǔ)器讀操作步驟： 控制電路控制電路產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作

5、各種節(jié)拍脈沖信號(hào)的電路。主要包括：產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作各種節(jié)拍脈沖信號(hào)的電路。主要包括：片選控制片選控制CE（Chip Enable）；）；輸入（寫）允許輸入（寫）允許WE（Write Enable）；）；輸出（讀）允許輸出（讀）允許OE（Output Enable）信號(hào)。）信號(hào)。 存儲(chǔ)器的讀存儲(chǔ)器的讀/寫操作寫操作 存儲(chǔ)器寫操作步驟：存儲(chǔ)器寫操作步驟： 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按其使用功能可分為兩大類。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按其使用功能可分為兩大類。 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory）一般用于存放固定的程序和常數(shù)。一般用于存放固定的程序和常數(shù)。特點(diǎn)：信息寫

6、入后，能長(zhǎng)期保存，不會(huì)因斷電而丟失。特點(diǎn)：信息寫入后，能長(zhǎng)期保存，不會(huì)因斷電而丟失。并要求使用時(shí)，信息（程序和常數(shù)）不能被改寫，即并要求使用時(shí)，信息（程序和常數(shù)）不能被改寫，即“只讀只讀”。對(duì)對(duì)ROM寫入必須在特定條件下才能完成寫寫入必須在特定條件下才能完成寫入操作。入操作。特點(diǎn)：能隨機(jī)讀出或?qū)懭?，讀寫速度快（能跟上微機(jī)特點(diǎn)：能隨機(jī)讀出或?qū)懭?，讀寫速度快（能跟上微機(jī)快速操作）、方便（不需特定條件）?？焖俨僮鳎?、方便（不需特定條件）。 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）主要用于存放各種現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果。主要用于存放各種現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出數(shù)據(jù)

7、和中間運(yùn)算結(jié)果。缺點(diǎn)：斷電后，被存儲(chǔ)的信息丟失，不能保存。缺點(diǎn)：斷電后，被存儲(chǔ)的信息丟失，不能保存。只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM分類概況分類概況8.1.2 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM適用于大批量成熟產(chǎn)品。適用于大批量成熟產(chǎn)品。 掩模掩模ROM（Mask ROM） 用戶無(wú)法自行寫入，必須委托生產(chǎn)廠商在制造芯片時(shí)用戶無(wú)法自行寫入，必須委托生產(chǎn)廠商在制造芯片時(shí)一次性寫入。一次性寫入。價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定可靠。價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定可靠。擦除時(shí)需專用的擦除時(shí)需專用的UVEPROM擦除器（產(chǎn)生強(qiáng)紫外線）；擦除器（產(chǎn)生強(qiáng)紫外線）； 一次性可編程一次性可編程ROM（OTPROM）用戶可自行一次性編程，但一次性編程后

8、不能修改。用戶可自行一次性編程，但一次性編程后不能修改。 價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定可靠，是當(dāng)前價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定可靠，是當(dāng)前ROM應(yīng)用主流應(yīng)用主流品種之一。品種之一。適用于成熟產(chǎn)品，不能作為試制產(chǎn)品應(yīng)用。適用于成熟產(chǎn)品，不能作為試制產(chǎn)品應(yīng)用。 紫外線可擦除紫外線可擦除EPROM（UVEPROM）可多次擦寫，但擦寫均不方便?？啥啻尾翆?，但擦寫均不方便。 寫入時(shí)需編程電源寫入時(shí)需編程電源VPP（電壓高），寫入時(shí)間也很（電壓高），寫入時(shí)間也很長(zhǎng)，不能在線改寫。長(zhǎng)，不能在線改寫。目前已成為目前已成為ROM應(yīng)用主流品種之一（另二種是應(yīng)用主流品種之一（另二種是MaskROM和和OTPROM），應(yīng)用廣泛，甚至有逐

9、步?。瑧?yīng)用廣泛，甚至有逐步取代硬盤和代硬盤和RAM的趨勢(shì)。的趨勢(shì)。 電可擦除電可擦除EPROM（E2PROM） 擦除時(shí)不需紫外線，且可按字節(jié)擦寫其中一部分，寫擦除時(shí)不需紫外線，且可按字節(jié)擦寫其中一部分，寫入速度較快，應(yīng)用相對(duì)方便，但價(jià)格比入速度較快，應(yīng)用相對(duì)方便，但價(jià)格比UVEPROM稍稍貴。貴。 快閃存儲(chǔ)器（快閃存儲(chǔ)器（Flash Memories） Flash Memories也屬于也屬于E2PROM，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與E2PROM相類似。相類似。 快閃存儲(chǔ)器的擦寫速度比快閃存儲(chǔ)器的擦寫速度比E2PROM快得多，擦寫電快得多，擦寫電壓也降至壓也降至5V，已達(dá)到可以在線隨機(jī)讀寫應(yīng)用

10、狀態(tài)，擦，已達(dá)到可以在線隨機(jī)讀寫應(yīng)用狀態(tài)，擦寫次數(shù)達(dá)寫次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上，且價(jià)格低廉。萬(wàn)次以上，且價(jià)格低廉。動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)RAM主要用于當(dāng)前計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。主要用于當(dāng)前計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。8.1.3 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM RAM可以分成靜態(tài)可以分成靜態(tài)RAM（Static RAM，縮寫為，縮寫為SRAM）和動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM，縮寫為，縮寫為DRAM）。）。 靜態(tài)靜態(tài)RAM 優(yōu)點(diǎn)是讀寫速度快，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，因此集成后，優(yōu)點(diǎn)是讀寫速度快，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，因此集成后，存儲(chǔ)容量較小。存儲(chǔ)容量較小。 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)RAM 優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成，存儲(chǔ)容量大，成本優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)

11、單，便于大規(guī)模集成，存儲(chǔ)容量大，成本低；低；缺點(diǎn)是需要刷新操作。缺點(diǎn)是需要刷新操作。 特點(diǎn)：體積小、成本低、邏輯功能可編程、應(yīng)用方便、特點(diǎn)：體積小、成本低、邏輯功能可編程、應(yīng)用方便、開發(fā)周期短等。開發(fā)周期短等。 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)8.2 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 可編程邏輯器件（可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，縮寫為，縮寫為PLD）在數(shù)字系統(tǒng)中常用于替代中小規(guī)模數(shù)字集成電路。在數(shù)字系統(tǒng)中常用于替代中小規(guī)模數(shù)字集成電路。圖圖8-16 PLD結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 分類分類 上世紀(jì)七十、八十年代，上世紀(jì)七十、八十年代，PLD器件發(fā)展很快，性價(jià)比器件發(fā)展很快，性價(jià)比最

12、好的是通用邏輯陣列最好的是通用邏輯陣列GAL器件。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代后，器件。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代后，PLD并未象人們?cè)瓉?lái)預(yù)期的那樣迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。并未象人們?cè)瓉?lái)預(yù)期的那樣迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 GAL16V8簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介GAL器件是器件是PLD器件中功能最強(qiáng)，應(yīng)用最廣的器件。器件中功能最強(qiáng)，應(yīng)用最廣的器件。 PLD發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 由于微控制器由于微控制器MCU（Micro Controller Unit），也就是），也就是我們通常所說的單片機(jī)的迅猛發(fā)展，提供了用軟件替代和我們通常所說的單片機(jī)的迅猛發(fā)展，提供了用軟件替代和實(shí)現(xiàn)硬件功能的更佳途徑，再加上原有專用數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)硬件功能的更佳途徑，再加上原有專用數(shù)字集成電路和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路已具備了足夠強(qiáng)