數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第7章-半導(dǎo)體存儲(chǔ)器課件

1、第7章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器本章要點(diǎn) 本章主要介紹存儲(chǔ)器主要技術(shù)指標(biāo)與存儲(chǔ)器分類，并介紹了存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。重點(diǎn)介紹存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展方法以及它的應(yīng)用。你知道嗎？ 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器就是能存儲(chǔ)大量二值信息（或稱作二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。計(jì)算機(jī)中的硬盤、內(nèi)存以及我們經(jīng)常使用的U盤、MP3、MP4以及數(shù)字照相機(jī)的內(nèi)存卡和手機(jī)的SD卡等等都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它是屬于大規(guī)模集成電路，由于計(jì)算機(jī)以及一些數(shù)字系統(tǒng)中要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此存儲(chǔ)器已經(jīng)成為是數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。7.1 概述 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 ：用于儲(chǔ)存大量二進(jìn)制數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體器件，它是由存儲(chǔ)單元矩陣構(gòu)成。 位（bit）：二進(jìn)制中的一個(gè)數(shù)碼，它是

2、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位。 字節(jié)（Byte）：8位（bit）二進(jìn)制數(shù)。 半字節(jié)（nibble）：一個(gè)字節(jié)分為兩組，4位為半個(gè)字節(jié) 字（word）：一個(gè)完整的信息單位，通常一個(gè)字包含一個(gè)或多個(gè)字節(jié) 。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)單元矩陣構(gòu)成，每個(gè)存儲(chǔ)單元中要么是0，要么是1，每個(gè)矩陣單元可以通過行和列的位置來確定 ，存儲(chǔ)單元矩陣可以有幾種不同的構(gòu)成形式。 32個(gè)存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的重要指標(biāo)： 1存儲(chǔ)容量 指存儲(chǔ)器可以容納的二進(jìn)制信息量，以存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)地址寄存器（MAR， Memory Address Register）的編址數(shù)與存儲(chǔ)字位數(shù)的乘積表示，M位地址總線、N位數(shù)據(jù)總線的半

3、導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量為2MN位。如，某存儲(chǔ)器芯片的MAR為16位，存儲(chǔ)字長為8位，則其存儲(chǔ)容量為2168位 = 64K8位，64K即16位的編址數(shù)。 2存儲(chǔ)速度 存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度可以用兩個(gè)時(shí)間參數(shù)表示 ：“存取時(shí)間”(Access Time) TA 和“存儲(chǔ)周期”(Memory Cycle)TMC ，存儲(chǔ)周期TMC略大于存取時(shí)間TA。啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作，到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間 起動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作之間所需的最小時(shí)間間隔 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類：根據(jù)使用功能的不同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為兩大類：（1）只讀存儲(chǔ)器（ROM）。其內(nèi)容只能讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時(shí)地修改或重新寫入數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)

4、因斷電而消失，即具有非易失性。（2）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）也叫做讀/寫存儲(chǔ)器。既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時(shí)快速寫入新的數(shù)據(jù)。RAM的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。7.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類（2） PROM：在出廠時(shí)存儲(chǔ)內(nèi)容全為1（或者全為0),用戶可根據(jù)自己的需要寫入，利用通用或?qū)Ｓ玫木幊唐?，將某些單元改寫?(或?yàn)?)。只能寫入一次。 ROM的分類（按照數(shù)據(jù)寫入方式特點(diǎn)不同）（1）掩模ROM：在制造時(shí)，生產(chǎn)廠家利用掩模技術(shù)把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中，一旦ROM制成，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就固定不變，無法更改。（3）光可擦除可編程ROM（EPROM）：是可編程存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)不但可以由用戶

5、根據(jù)自己的需要寫入，而且還能擦除重寫，所以具有較大的使用靈活性。它的數(shù)據(jù)的寫入需要通用或?qū)Ｓ玫木幊唐?，其擦除為紫外線照射擦除，為一次全部擦除。（4）OTPROM一次編程只讀存儲(chǔ)器（One Time Programmable Read Only Memory，OPTROM）的寫入原理同EPROM，但是為了節(jié)省成本，編程寫入之后就不再擦除，因此不設(shè)置透明窗。 （6）快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）：是采用浮柵型MOS管，存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進(jìn)行的，數(shù)據(jù)寫入與EPROM相同，一般芯片可以擦除/寫入100萬次以上。（5）電可擦除可編程ROM（E2PROM）：是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程R

6、OM，但是構(gòu)成其存儲(chǔ)單元的是隧道MOS管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量級(jí)）。E2PROM的電擦除過程就是改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，可以隨時(shí)改寫（可重復(fù)擦寫1萬次以上）。ROM存儲(chǔ)器的應(yīng)用實(shí)例：BIOS芯片是存放微機(jī)基本輸入輸出程序的只讀存貯器，其功能是微機(jī)的上電自檢、開機(jī)引導(dǎo)、基本外設(shè)I/O和系統(tǒng)CMOS 設(shè)置。 586以前的BIOS多為可重寫EPROM芯片，上面的標(biāo)簽起著保護(hù)BIOS內(nèi)容的作用(紫外線照射會(huì)使EPROM內(nèi)容丟失)，不能隨便撕下。 586以后的ROM BIOS多采用E2PROM(電可擦寫只讀ROM)，通過跳線開關(guān)和系統(tǒng)配帶的

7、驅(qū)動(dòng)程序盤，可以對(duì)E2PROM進(jìn)行重寫，方便地實(shí)現(xiàn)BIOS升級(jí)。ROM存儲(chǔ)器的應(yīng)用實(shí)例U盤是采用flash memory(也稱閃存)存儲(chǔ)技術(shù)的USB設(shè)備. USB （Universal Serial Bus）指“通用串行接口”，用第一個(gè)字母U命名，所以簡(jiǎn)稱“U盤”。最新的數(shù)碼存儲(chǔ)卡是一種不需要電來維持其內(nèi)容的固態(tài)內(nèi)存條，也就是閃存。閃存卡可以直接從數(shù)碼相機(jī)上卸下來，然后可以通過讀卡器連接到計(jì)算機(jī)上讀出卡內(nèi)的數(shù)據(jù)。閃存可以用來存儲(chǔ)任何一種計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，而不光是存儲(chǔ)數(shù)字相片。RAM存儲(chǔ)器的分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)和使用功能的不同，RAM存儲(chǔ)器分為靜態(tài)存儲(chǔ)器（Static Random Access Memor

8、y，簡(jiǎn)稱SRAM）和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory，簡(jiǎn)稱DRAM）兩種。SRAM的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)就能永久保存 。但SRAM存儲(chǔ)單元所用的管子數(shù)量多，功耗大，集成度受到限制，為了克服這些缺點(diǎn)，則產(chǎn)生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多，缺點(diǎn)是速度不如SRAM快。RAM存儲(chǔ)器的應(yīng)用實(shí)例：SRAM不需要頻繁刷新，成本比DRAM高，主要用在CPU集成的緩存（cache）上。DRAM是目前大容量RAM的主流產(chǎn)品 例如電腦中的內(nèi)存條： 現(xiàn)在普遍使用的PC機(jī)內(nèi)存即是SDRAM（同步動(dòng)態(tài)RAM），它在運(yùn)行過程當(dāng)中需要按一定頻率進(jìn)行充電（刷新）

9、以維持信息。DDR內(nèi)存、DDR2內(nèi)存都屬于DRAM。7.3 存儲(chǔ)器工作原理半導(dǎo)體存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)包含存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和輸出緩沖器三個(gè)部分 二極管固定ROM舉例（1）電路組成：由二極管與門和或門構(gòu)成。與門陣列組成譯碼器，或門陣列構(gòu)成存儲(chǔ)陣列。（2）輸出信號(hào)表達(dá)式與門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：（3）ROM存儲(chǔ)內(nèi)容的真值表與門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：地 址存 儲(chǔ) 內(nèi) 容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 0 1 10 0 1 00 1 0 01 0 0 0存儲(chǔ)器的容量：存儲(chǔ)器的容量=字?jǐn)?shù)（m）字長（n）7.4存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 當(dāng)使用一片ROM

10、或RAM器件不能滿足對(duì)存儲(chǔ)容量的需求時(shí)，則需要將若干片ROM或RAM組合起來，構(gòu)成更大容量的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展方式有：位擴(kuò)展方式、字?jǐn)U展方式及復(fù)合擴(kuò)展。7.4.1 位擴(kuò)展 通常RAM芯片的字長多設(shè)計(jì)成1位、4位、8位等，當(dāng)實(shí)際的存儲(chǔ)器系統(tǒng)的字長超過RAM芯片的字長時(shí)，需要對(duì)RAM實(shí)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展可以利用芯片的并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，即將RAM的地址線、R/W線和片選信號(hào)線對(duì)應(yīng)地并接在一起，而各個(gè)片子的輸入/輸出（I/O）作為字的各個(gè)位線 所需的芯片數(shù)量為（10248）/（10244）=2片，地址總線為10根，數(shù)據(jù)總線為8根。 【1 】 把10244的RAM擴(kuò)展為10248的 RAM。解： 連線圖

11、【2 】 把10241的RAM芯片擴(kuò)展成10248的RAM。解： 所需的芯片數(shù)量為（10248）/（10241）= 8片，地址總線為10根，數(shù)據(jù)總線為8根 。連線圖 7.4.2 字?jǐn)U展 若每一片存儲(chǔ)器(ROM或RAM）的數(shù)據(jù)位數(shù)夠而字?jǐn)?shù)不夠時(shí)，則需要采用字?jǐn)U展方式，以擴(kuò)大整個(gè)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)，得到字?jǐn)?shù)更多的存儲(chǔ)器，字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展可以利用外加譯碼器控制芯片的片選輸入端來實(shí)現(xiàn)。【例3】將1K4的RAM芯片擴(kuò)展為2K4的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 所需的芯片數(shù)量為（2K4）/（1K4）= 2片，地址總線為11根，數(shù)據(jù)總線為4根。解： 連線圖 第一片的存儲(chǔ)容量為1K4，地址范圍是A10A9 A8 A7A0十六進(jìn)制00 0

12、00000000000H01 1 111111113FFH第二片的存儲(chǔ)容量為1K4，地址范圍是A10A9 A8 A7A0十六進(jìn)制10 0 00000000400H11 1 111111117FFH【例4 】 用648位的RAM接成一個(gè)2568位解： 所需的芯片數(shù)量為（2568）/（648）= 4片，地址總線為10根，數(shù)據(jù)總線為8根。連線圖 7.4.3 復(fù)合擴(kuò)展 如果一片RAM或ROM的位數(shù)和字?jǐn)?shù)都不夠，就需要同時(shí)采用位擴(kuò)展和字?jǐn)U展方法，用多片組成一個(gè)大的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，以滿足對(duì)存儲(chǔ)容量的要求?！纠?】 將1K4的RAM擴(kuò)展為4K8的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 所需的芯片數(shù)量為（4K8）/（1K4）= 8片，地址

13、總線為12根，數(shù)據(jù)總線為8根。解： 【例5】 將1K4的RAM擴(kuò)展為4K8的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 連線圖 7.5 存儲(chǔ)器的應(yīng)用AT24Cxx系列EEPROM是由美國Mcrochip公司出品，1-512K位的支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行CMOS EEPROM，可用電擦除的存儲(chǔ)芯片。(1) 存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)聯(lián)合應(yīng)用引腳名稱引腳功能A0A2器件地址輸入SDA串行數(shù)據(jù)輸入輸出SCL串行時(shí)鐘輸入WP寫保護(hù)VCC電源GND地AT24C02使用時(shí)，只需要把SDA和SCL兩個(gè)管腳接到單片機(jī)普通的I/O口上。值得注意的是SDA和SCL兩個(gè)管腳一定要接上拉電阻，連接電路圖如圖所示。Intel2716是一種2K8的EPROM存儲(chǔ)器芯片，存儲(chǔ)陣列由2K8個(gè)帶有浮動(dòng)?xùn)诺腗OS管構(gòu)成，共可保存2K8位二進(jìn)制信息。 其它的典型芯片有Intel2732/2764/27128/27512等。(2)存儲(chǔ)芯片與A/D或D/A芯片配合應(yīng)用 各引腳的功能如下： 1.A10A0：地址信號(hào)輸入引腳，可尋址芯片的2