第3章 半導體存儲器2011

1、第第5章章 半導體存儲器半導體存儲器第第1節(jié)節(jié) 存儲器概述存儲器概述第第2節(jié)節(jié) 半導體存儲器介紹半導體存儲器介紹第第3節(jié)節(jié) 存儲器與存儲器與CPU的連接的連接第1節(jié) 存儲器概述存儲器概述n 存儲器是計算機硬件系統(tǒng)中必不可少的三大部件之一；存儲器是計算機硬件系統(tǒng)中必不可少的三大部件之一；n 計算機程序、原始數(shù)據(jù)及中間結果等都存放在存儲器中；計算機程序、原始數(shù)據(jù)及中間結果等都存放在存儲器中；n 存儲器按照材料可以分為：存儲器按照材料可以分為：l 磁性存儲器磁性存儲器l 光學存儲器光學存儲器l 半導體存儲器半導體存儲器一、微機存儲器一、微機存儲器的分級結構的分級結構 價格依次降低價格依次降低 容量依

2、次增加容量依次增加 訪問時間依次增長訪問時間依次增長 訪問頻度依次減小訪問頻度依次減小 二、半導體存儲器的分類二、半導體存儲器的分類v隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAMRandom Access Memoryv特點特點：可讀可寫，讀寫速度快，掉電數(shù)據(jù)丟失；：可讀可寫，讀寫速度快，掉電數(shù)據(jù)丟失；v用途用途：用于數(shù)據(jù)存儲器；：用于數(shù)據(jù)存儲器；v分類分類：按照帶電狀態(tài)下數(shù)據(jù)的保存時間，：按照帶電狀態(tài)下數(shù)據(jù)的保存時間，RAM又分為又分為動態(tài)動態(tài)DRAM、靜態(tài)靜態(tài)SRAM和集成和集成iRAM。v只讀存儲器只讀存儲器ROMRead Only Memoryv特點特點：只可讀，但數(shù)據(jù)能長期保存；：只可讀，但數(shù)

3、據(jù)能長期保存；v用途用途：常用于程序存儲器；：常用于程序存儲器；v分類分類：按程序固化方式分為：按程序固化方式分為ROM、PROM、EPROM。v閃速存儲器閃速存儲器FLASH 、EEPROMv特點特點：可讀可寫，掉電數(shù)據(jù)不丟失，讀取速度快，但：可讀可寫，掉電數(shù)據(jù)不丟失，讀取速度快，但寫入速度慢；寫入速度慢；v用途用途：主要用于保存記錄數(shù)據(jù)，亦可做：主要用于保存記錄數(shù)據(jù)，亦可做ROM使用。使用。v有源存儲器有源存儲器將將SRAM芯片與自備電池封裝在一起，具芯片與自備電池封裝在一起，具有有SRAM和和ROM的雙重特點，用于快速記錄大量數(shù)據(jù)。的雙重特點，用于快速記錄大量數(shù)據(jù)。第2節(jié) 半導體存儲器簡

4、介半導體存儲器簡介n 半導體存儲器的基本結構與性能指標半導體存儲器的基本結構與性能指標n 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAMRAMn 只讀存儲器只讀存儲器ROMROM一、半導體存儲器的結構與性能一、半導體存儲器的結構與性能1. 半導體存儲器的基本結構半導體存儲器的基本結構2. 2. 半導體存儲器的主要技術指標半導體存儲器的主要技術指標l 存儲容量存儲容量存儲容量是指存儲器可以存儲的二進制信存儲容量是指存儲器可以存儲的二進制信息量，息量，用用bit、byte、word等表示。但不管是等表示。但不管是8位機、位機、16位機還是位機還是32位機，通常采用位機，通常采用byte作為計量單位。如某計作為

5、計量單位。如某計算機內(nèi)存為算機內(nèi)存為256MB，是指是指256MByte。l 最大存取時間最大存取時間存取時間定義為存儲器從接收到尋找存取時間定義為存儲器從接收到尋找存儲單元的地址碼開始，到它取出或存入數(shù)據(jù)為止所需存儲單元的地址碼開始，到它取出或存入數(shù)據(jù)為止所需的時間，的時間，一般為幾個一般為幾個ns到幾百到幾百ns。反映了反映了存儲器的工作存儲器的工作速度。速度。l 溫度范圍溫度范圍軍品（軍品（-40 +85 C）；工業(yè)品（）；工業(yè)品（-25 +70 C ）；民品（）；民品（0 +70 C ）1. 功耗功耗 大多數(shù)的半導體存儲器的字長為大多數(shù)的半導體存儲器的字長為8 8位，常稱位，常稱作字節(jié)

6、型存儲器。任何一個半導體存儲器的最基作字節(jié)型存儲器。任何一個半導體存儲器的最基本存儲單元都是一個位（本存儲單元都是一個位（bitbit），），每每8 8個位組合為個位組合為一個字節(jié)結構，作為一個字節(jié)型存儲器的基本讀一個字節(jié)結構，作為一個字節(jié)型存儲器的基本讀寫單元。寫單元。二、二、RAMl SRAM的位存儲單元結構的位存儲單元結構 圖中給出了靜態(tài)MOS 6 管基本存儲電路。 T1、T3及T2、T4兩個NMOS反相器交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。其中T3、T4為負載管，T1、T2為反相管，T5、T6為選通管。T1和T2的狀態(tài)決定了存儲的 1 位二進制信息。 這對交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是，當一個晶

7、體管導通時，另一個就截止；反之亦然。假設T1導通，T2截止時的狀態(tài)代表 1；相反的狀態(tài)即T2導通，T1截止時的狀態(tài)代表 0，即A點的電平高低分別代表 1 或 0。 當行線X和列線Y都為高電平時，開關管T5, T6, T7, T8均導通，該單元被選中，于是便可以對它進行讀或寫操作。 讀操作：當讀控制信號為高電平而寫控制信號為低電平時， 三態(tài)門1和2斷開，三態(tài)門3導通，于是觸發(fā)器的狀態(tài)(A點的電平)便通過T6、T8 和三態(tài)門3讀出至數(shù)據(jù)線上， 且觸發(fā)器的狀態(tài)不因讀出操作而改變。 寫操作：當寫控制信號為高電平而讀控制信號為低電平時， 三態(tài)門1和2導通，三態(tài)門3斷開， 可進行寫操作。若數(shù)據(jù)線為高電平，

8、則三態(tài)門2輸出的高電平通過T8, T6加至T1的柵極，具有反相的三態(tài)門1輸出低電平通過T7, T5加至T2的柵極。不管T1, T2原來狀態(tài)如何，迫使T1導通、T2截止，使觸發(fā)器置成1狀態(tài)。若數(shù)據(jù)線為低電平時， 則與上述情況相反，迫使T1截止、T2導通，使觸發(fā)器置成0狀態(tài)。l SRAM的組織結構的組織結構存儲單元擴展：存儲單元擴展：16單元單元位擴展：位擴展：8位存儲器位存儲器3. SRAM3. SRAM的引腳信號的引腳信號l數(shù)據(jù)總線信號，字節(jié)型存儲器為數(shù)據(jù)總線信號，字節(jié)型存儲器為D0D7；l地址總線信號，通常為地址總線信號，通常為A0An，地址線的根數(shù)反映了存地址線的根數(shù)反映了存儲容量大??；儲

9、容量大??；l讀寫控制信號：讀寫控制信號：q片選信號片選信號CS (Chip Select)或芯片允許信號或芯片允許信號CE (Chip Enable)，當存儲器模塊由多個當存儲器模塊由多個RAM芯片組成時，芯片組成時，CS (或或CE)用來選擇應訪問的存儲器芯片；用來選擇應訪問的存儲器芯片；q輸出允許信號輸出允許信號 OE(Output Enable)；q寫允許信號寫允許信號WE (Write Enable) 或讀或讀/寫控制信號寫控制信號R/W (Read/Write) 。1.存儲器芯片通過三態(tài)緩沖器輸出，存儲器芯片通過三態(tài)緩沖器輸出， 從而自動滿足總線接從而自動滿足總線接口口“輸出要三態(tài)輸

10、出要三態(tài)”的要求，避免了數(shù)據(jù)總線的多片爭用。的要求，避免了數(shù)據(jù)總線的多片爭用。SRAM 6116SRAM 6264上：上：EEPROM2864左：有源左：有源SRAM存儲器存儲器DS12304. SRAM4. SRAM的讀寫時序的讀寫時序以以62646264為例為例SRAM6264引腳及真值表引腳及真值表6264寫數(shù)據(jù)時的信號時序寫數(shù)據(jù)時的信號時序6264讀數(shù)據(jù)時的信號時序讀數(shù)據(jù)時的信號時序5. DRAM5. DRAM介紹介紹 DRAM DRAM與與SRAMSRAM的區(qū)別在于基本存儲電路不同。的區(qū)別在于基本存儲電路不同。DRAMDRAM利用利用MOSMOS管柵源間的極間電容來存儲信息。當電容充

11、有電管柵源間的極間電容來存儲信息。當電容充有電荷時，稱存儲的信息為荷時，稱存儲的信息為1 1，電容上沒有電荷時，稱存儲的信，電容上沒有電荷時，稱存儲的信息為息為0 0。 由于電容上存儲的電荷不能長時間保存，總會泄漏，因由于電容上存儲的電荷不能長時間保存，總會泄漏，因此必須定時給電容補充電荷，這個過程稱為此必須定時給電容補充電荷，這個過程稱為“刷新刷新”或或“再再生生”。 DRAM DRAM具有基本存儲電路簡單、集成度高、體積小等優(yōu)具有基本存儲電路簡單、集成度高、體積小等優(yōu)點，廣泛應用于通用微機系統(tǒng)中。但是，點，廣泛應用于通用微機系統(tǒng)中。但是，DRAMDRAM需要定時刷需要定時刷新，外圍電路復雜

12、，在單片機系統(tǒng)中及少使用。新，外圍電路復雜，在單片機系統(tǒng)中及少使用。 iRAMiRAM是一種本身集成了刷新電路的是一種本身集成了刷新電路的DRAMDRAM。三、三、ROM EPROMEPROM的基本存儲電的基本存儲電路由一個浮置柵路由一個浮置柵MOSMOS管管T2T2 和一個普通和一個普通MOS MOS 管管T1T1串聯(lián)串聯(lián)組成，如圖所示。組成，如圖所示。T2T2為基本為基本存儲器件。存儲器件。 浮置柵無電荷時，浮置柵無電荷時，T2T2截截止，信息為止，信息為1 1；浮置柵充有電；浮置柵充有電荷時，荷時，T2T2導通，信息為導通，信息為0 0。1. EPROM1. EPROM的存儲原理的存儲原

13、理 編程時，根據(jù)需要給選編程時，根據(jù)需要給選中的基本電路的中的基本電路的D D和和S S之間加之間加上一個上一個1212V25V25伏的高壓編程伏的高壓編程脈沖脈沖，D D和和S S之間就會瞬時擊之間就會瞬時擊穿并有電子通過絕緣層注入浮穿并有電子通過絕緣層注入浮置柵。置柵。 當高壓去掉后，注入浮置當高壓去掉后，注入浮置柵的電子因有絕緣層的包圍而柵的電子因有絕緣層的包圍而無處泄漏，使得浮置柵無處泄漏，使得浮置柵MOSMOS管始終導通，該位編程為管始終導通，該位編程為0 0。 EPROMEPROM芯片的上方有一個石英玻璃窗口，當用紫外線芯片的上方有一個石英玻璃窗口，當用紫外線通過這個窗口照射時，基

14、本存儲電路的浮置柵上的電荷會通過這個窗口照射時，基本存儲電路的浮置柵上的電荷會形成光電流而泄漏掉，使電路恢復初始狀態(tài)，從而把寫入形成光電流而泄漏掉，使電路恢復初始狀態(tài)，從而把寫入的信息擦去。這樣就可以對其再次編程。的信息擦去。這樣就可以對其再次編程。 2. EPROM2. EPROM的引腳信號與連接的引腳信號與連接n數(shù)據(jù)總線信號，字節(jié)型存儲器為數(shù)據(jù)總線信號，字節(jié)型存儲器為D0D7D0D7；n地址總線信號，通常為地址總線信號，通常為A0AnA0An，地址線的根數(shù)反映了存地址線的根數(shù)反映了存儲容量大??；儲容量大??；n讀寫控制信號：讀寫控制信號：q片選信號片選信號CSCS (Chip Select)

15、 (Chip Select)或芯片允許信號或芯片允許信號CECE (Chip (Chip Enable)Enable)，當存儲器模塊由多個當存儲器模塊由多個RAMRAM芯片組成時，芯片組成時，CSCS ( (或或CECE) )用來選擇應訪問的存儲器芯片；用來選擇應訪問的存儲器芯片；q輸出允許信號輸出允許信號OEOE (Output Enable) (Output Enable)，接，接CPUCPU的的RDRD；q編程允許信號編程允許信號PGMPGM ，工作時接，工作時接VCCVCC ；q編程電壓編程電壓VPPVPP，編程時接高壓脈沖，工作時接編程時接高壓脈沖，工作時接VCCVCC。EPROM

16、27642764在在8088系統(tǒng)中的應用系統(tǒng)中的應用3. EPROM3. EPROM使用使用 EPROM EPROM存儲器的使用分為三步：存儲器的使用分為三步：v擦除擦除用紫外線照射用紫外線照射1515分鐘左右即可，擦除干凈后，分鐘左右即可，擦除干凈后，每個位單元的內(nèi)容為每個位單元的內(nèi)容為1 1，或每個字節(jié)單元的內(nèi)容為，或每個字節(jié)單元的內(nèi)容為FFHFFH。v固化（或編程）固化（或編程）用專用的編程工具將程序的機器代碼用專用的編程工具將程序的機器代碼寫入到寫入到EPROMEPROM芯片中去，寫入時間通常為幾秒鐘到幾十芯片中去，寫入時間通常為幾秒鐘到幾十秒鐘。秒鐘。v工作工作將將EPROMEPRO

17、M芯片插入目標系統(tǒng)板，通電運行，此芯片插入目標系統(tǒng)板，通電運行，此時，時，EPROMEPROM中內(nèi)容只能被中內(nèi)容只能被CPUCPU讀出。讀出。四、存儲器與四、存儲器與CPUCPU的連接的連接1. 1. 存儲器與存儲器與CPUCPU的連接的連接全全譯譯碼碼|存存儲儲器器的的地地址址范范圍圍？片選片選譯碼譯碼電路電路部部分分譯譯碼碼|存存儲儲器器的的地地址址范范圍圍？連接方法總結連接方法總結分析題意，了解擴充地址范圍；分析題意，了解擴充地址范圍；選擇存儲器芯片類型和型號；選擇存儲器芯片類型和型號；選定地址譯碼方法和電路；選定地址譯碼方法和電路；設計連接線路：設計連接線路：q 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線對應連

18、接對應連接q 地址總線地址總線對應連接對應連接1. 控制總線控制總線特別注意，尤其是片選信號。特別注意，尤其是片選信號。地址譯碼器電路設計用芯片的選擇地址譯碼器電路設計用芯片的選擇 利用現(xiàn)成的譯碼器芯片，如常規(guī)邏輯芯片利用現(xiàn)成的譯碼器芯片，如常規(guī)邏輯芯片7474LS00LS00、74LS0274LS02、74LS3074LS30、74 LS13874 LS138等；等； 利用數(shù)字比較器芯片，如利用數(shù)字比較器芯片，如7474LS688LS688等；等； 利用利用ROMROM做譯碼器；做譯碼器； 利用利用PLDPLD或或CPLDCPLD。設計實踐設計實踐 8088 8088CPUCPU擴展一個擴展

19、一個32KB32KB的內(nèi)存，采用的內(nèi)存，采用SRAM62256SRAM62256芯片，存儲地址分配為芯片，存儲地址分配為B0000H B7FFFHB0000H B7FFFH，試設計電路試設計電路原理圖。原理圖。2. 2. 存儲器的擴展存儲器的擴展v 數(shù)據(jù)位擴展：在數(shù)據(jù)位數(shù)上的擴展，用字長較短的存儲器數(shù)據(jù)位擴展：在數(shù)據(jù)位數(shù)上的擴展，用字長較短的存儲器芯片組成與芯片組成與CPU等字長的存儲器模塊。如用等字長的存儲器模塊。如用8個個64Kx1位位存儲器芯片組成存儲器芯片組成1組組64Kx8位位字節(jié)存儲器；用字節(jié)存儲器；用2個個64Kx8位位存儲器組成存儲器組成1組組64Kx16位位字型存儲器。字型存

20、儲器。v 存儲容量擴展：用多組小容量存儲器模塊組成所需容量的存儲容量擴展：用多組小容量存儲器模塊組成所需容量的存儲器部件。如用存儲器部件。如用4個個8Kx8位位存儲器組成存儲器組成1個個32Kx8位位存存儲器；用儲器；用4個個32Kx16位位存儲器組成存儲器組成1個個128Kx16位位存儲器存儲器等。等。v 地址分配與譯碼電路設計地址分配與譯碼電路設計CS0CS1CS2CS3例例1 1：80888088系統(tǒng)存儲器擴展系統(tǒng)存儲器擴展 80888088系統(tǒng)中，用系統(tǒng)中，用2725627256和和6225662256各擴展各擴展3232KROMKROM和和3232KRAMKRAM，要求，要求ROMR

21、OM的起始地址為的起始地址為C0000HC0000H，RAMRAM起始地址為起始地址為C8000HC8000H。試設計計算。試設計計算機的存儲器連接圖。機的存儲器連接圖。 已知已知80888088系統(tǒng)總線信號為：系統(tǒng)總線信號為：地址總線：地址總線：A0A0A19A19數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線：D0D0D7D7控制總線：控制總線：MEMRMEMR 和和 MEMWMEMW80888088系統(tǒng)為系統(tǒng)為8 8位數(shù)據(jù)總線，位數(shù)據(jù)總線，6225662256和和2725627256都是都是8 8位字節(jié)型位字節(jié)型芯片，因而不需要位擴展。芯片，因而不需要位擴展。 6225662256和和2725627256均為均為3

22、232K K存儲器，因此，各采用一片芯片存儲器，因此，各采用一片芯片。題目規(guī)定，題目規(guī)定，2725627256的地址為的地址為C0000HC7FFFHC0000HC7FFFH，其，其2020位地位地址為：址為：題目規(guī)定，題目規(guī)定，6225662256的地址為的地址為C8000HCFFFFHC8000HCFFFFH，其，其2020位地位地址為：址為：A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011000 xxxxxxxxxxxxxxxA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011001xxxxxxxxxxxxxxx題意分析題意分析設計思路設計思路數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線D0D7D0D7對應相連；對應相連；地址線地址線A0A14A0A14對應相連；地址線對應相連；