ROM存儲器內(nèi)涵EPROM2716存儲器的介紹

1、課 堂 教 學(xué) 實(shí) 施 方 案 授 課 時(shí) 間：課 題：只讀存儲器ROM、主存儲器的設(shè)計(jì)5.3 只讀存儲器ROM指在微機(jī)系統(tǒng)的在線運(yùn)行過程中，只能對其進(jìn)行讀操作，而不能進(jìn)行寫操作的一類存儲器，在不斷發(fā)展變化的過程中，ROM器件也產(chǎn)生了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM等各種不同類型。一、掩模ROM如圖4-11所示，是一個(gè)簡單的4×4位的MOS ROM存儲陣列，采用單譯碼方式。這時(shí)，有兩位地址輸入，經(jīng)譯碼后，輸出四條字選擇線，每條字選擇線選中一個(gè)字，此時(shí)位線的輸出即為這個(gè)字的每一位。 此時(shí)，若有管子與其相連（如位線1和位線4），則相應(yīng)的MOS管就導(dǎo)通，這些位線的輸出就是低電

2、表平，表示邏輯“0”；而沒有管子與其相連的位線（如位線2和位線3），則輸出就是高電平，表示邏輯“1”。二、可編程的ROM掩模ROM的存儲單元在生產(chǎn)完成之后，其所保存的信息就已經(jīng)固定下來了，這給使用者帶來了不便。為了解決這個(gè)矛盾，設(shè)計(jì)制造了一種可由用戶通過簡易設(shè)備寫入信息的ROM器件，即可編程的ROM，又稱為PROM。PROM 的類型有多種，我們以二極管破壞型PROM為例來說明其存儲原理。這種PROM存儲器在出廠時(shí)，存儲體中每條字線和位線的交叉處都是兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管的PN結(jié)，字線與位線之間不導(dǎo)通，此時(shí)，意味著該存儲器中所有的存儲內(nèi)容均為“1”。如果用戶需要寫入程序，則要通過專門的PROM寫入

3、電路，產(chǎn)生足夠大的電流把要寫入“1”的那個(gè)存儲位上的二極管擊穿，造成這個(gè)PN結(jié)短路，只剩下順向的二極管跨連字線和位線，這時(shí)，此位就意味著寫入了“1”。讀出的操作同掩模ROM。除此之外，還有一種熔絲式PROM，用戶編程時(shí)，靠專用寫入電路產(chǎn)生脈沖電流，來燒斷指定的熔絲，以達(dá)到寫入“1”的目的。對PROM來講，這個(gè)寫入的過程稱之為固化程序。由于擊穿的二極管不能再正常工作，燒斷后的熔絲不能再接上，所以這種ROM器件只能固化一次程序，數(shù)據(jù)寫入后，就不能再改變了。三、 可擦除可編程的ROM1基本存儲電路 可擦除可編程的ROM又稱為EPROM。它的基本存儲單元的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4-12所示。與普通的P溝道

4、增強(qiáng)型MOS電路相似，這種EPROM電路在N型的基片上擴(kuò)展了兩個(gè)高濃度的P型區(qū)，分別引出源極（S）和漏極(D)，在源極與漏極之間有一個(gè)由多晶硅做成的柵極，但它是浮空圖圖4-12 P溝道EPROM結(jié)構(gòu)示意圖 的，被絕緣物SiO2所包圍。在芯片制作完成時(shí)，每個(gè)單元的浮動(dòng)?xùn)艠O上都沒有電荷，所以管子內(nèi)沒有導(dǎo)電溝道，源極與漏極之間不導(dǎo)電，其相應(yīng)的等效電路如圖4-12(b)所示，此時(shí)表示該存儲單元保存的信息為“1”。向該單元寫入信息“0”：在漏極和源極（即S）之間加上十25v的電壓，同時(shí)加上編程脈沖信號(寬度約為50ns)，所選中的單元在這個(gè)電壓的作用下，漏極與源極之間被瞬時(shí)擊穿，就會有電子通過SiO2絕

5、緣層注入到浮動(dòng)?xùn)拧Ｔ诟邏弘娫慈コ?，因?yàn)楦?dòng)?xùn)疟籗iO2絕緣層包圍，所以注入的電子無泄漏通道，浮動(dòng)?xùn)艦樨?fù)，就形成了導(dǎo)電溝道，從而使相應(yīng)單元導(dǎo)通，此時(shí)說明將0寫入該單元。清除存儲單元中所保存的信息：必須用一定波長的紫外光照射浮動(dòng)?xùn)?，使?fù)電荷獲取足夠的能量，擺脫SiO2的包圍，以光電流的形式釋放掉，這時(shí)，原來存儲的信息也就不存在了。由這種存儲單元所構(gòu)成的ROM存儲器芯片，在其上方有一個(gè)石英玻璃的窗口，紫外線正是通過這個(gè)窗口來照射其內(nèi)部電路而擦除信息的，一般擦除信息需用紫外線照射l520分鐘。2EPROM 芯片Intel 2716Intel2716是一種2K×8的EPROM存儲器芯片，雙

6、列直插式封裝，24個(gè)引腳，其最基本的存儲單元，就是采用如上所述的帶有浮動(dòng)?xùn)诺腗OS管，其它的典型芯片有Ietel 2732/27128/27512等。(1)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Intel 2716存儲器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-13(b)所示，其主要組成部分包括： (a) 引腳分配圖 (b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖4-13 Intel 2716的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳分配 存儲陣列；Intel2716存儲器芯片的存儲陣列由2K×8個(gè)帶有浮動(dòng)?xùn)诺腗OS管構(gòu)成，共可保存2K×8位二進(jìn)制信息； X譯碼器：又稱為行譯碼器，可對7位行地址進(jìn)行譯碼； Y譯碼器：又稱為列譯碼器，可對4位列地址進(jìn)行譯碼； 輸出

7、允許、片選和編程邏輯：實(shí)現(xiàn)片選及控制信息的讀/寫； 數(shù)據(jù)輸出緩沖器：實(shí)現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的緩沖。(2)芯片的外部結(jié)構(gòu)：Intel2716具有24個(gè)引腳，其引腳分配如圖4-13(a)所示，各引腳的功能如下： Al0A0：地址信號輸入引腳，可尋址芯片的2K個(gè)存儲單元； O7O0： 雙向數(shù)據(jù)信號輸入輸出引腳； ：片選信號輸入引腳，低電平有效，只有當(dāng)該引腳轉(zhuǎn)入低電平時(shí)，才能對相應(yīng)的芯片進(jìn)行操作； ：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，輸入，低電平有效，用以允許數(shù)據(jù)輸出； Vcc：+5v電源，用于在線的讀操作； VPP：+25v電源，用于在專用裝置上進(jìn)行寫操作； GND：地。(3)Intel2716的工作方式與操作時(shí)序

8、 讀方式這是Intel2716連接在微機(jī)系統(tǒng)中的主要工作方式。在讀操作時(shí)，片選信號應(yīng)為低電平，輸出允許控制信號也為低電平其時(shí)序波形如圖4-14所示。讀周期由地址有效開始，經(jīng)時(shí)間tACC后，所選中單元的內(nèi)容就可由存儲陣列中讀出，但能否送至外部的數(shù)據(jù)總線，還取決于片選信號和輸出允許信號。時(shí)序中規(guī)定，必須從有效經(jīng)過tcs時(shí)間以及從有效經(jīng)過時(shí)間tOE，芯片的輸出三態(tài)門才能完全打開，數(shù)據(jù)才能送到數(shù)據(jù)總線。上述時(shí)序圖中參數(shù)的具體值，請參考有關(guān)的技術(shù)手冊。除了讀方式外，2716還有如下工作方式： 禁止方式；備用方式；寫入方式；校核方式； 圖4-14 Intel2716讀時(shí)序波形編程。 四、電可擦除可編程序的

9、ROM(Electronic Erasible Programmable ROM)電可擦除可編程序的ROM也稱為EEPROM即E2PROM。E2PROM管子的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-15所示。它的工作原理與EPROM類似，當(dāng)浮動(dòng)?xùn)派蠜]有電荷時(shí)，管子的漏極和源極之間不導(dǎo)電，若設(shè)法使浮動(dòng)?xùn)艓想姾?，則管子就導(dǎo)通。在E2PROM中，使浮動(dòng)?xùn)艓想姾珊拖ル姾傻姆椒ㄅcEPROM中是不同的。在E2PROM中，漏極上面增加了一個(gè)隧道二極管，它在第二柵與漏極之間的電壓VG的作用下（在電場的作用下），可以使電荷通過它流向浮動(dòng)?xùn)牛雌鹁幊套饔茫?；若VG的極性相反也可以使電荷從浮動(dòng)?xùn)帕飨蚵O（起擦除作用），而編程與擦除

10、所用的電流是極小的，可用極普通的電源就可供給VG。E2PROM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：擦除可以按字節(jié)分別進(jìn)行（不像EPROM，擦除時(shí)把整個(gè)芯片的內(nèi)容全變成“1”）。由于字節(jié)的編程和擦除都只需要10ms，并且不需特殊裝置，因此可以進(jìn)行在線的編程寫入。常用的典型芯片有2816/2817/2864等。五、 快擦型存儲器(F1ash Memory)快擦型存儲器是不用電池供電的、高速耐用的非易失性半導(dǎo)體存儲器，它以性能好、功耗低、體積小、重量輕等特點(diǎn)活躍于便攜機(jī)(膝上型、筆記本型等)存儲器市場，但價(jià)格較貴?？觳列痛鎯ζ骶哂蠩EPROM的特點(diǎn)，又可在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行擦除和編程，它的讀取時(shí)間與DRAM相似，而寫時(shí)間與磁

11、盤驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)?？觳列痛鎯ζ饔?V或12V兩種供電方式。對于便攜機(jī)來講，用5V電源更為合適?？觳列痛鎯ζ鞑僮骱啽?，編程、擦除、校驗(yàn)等工作均已編成程序，可由配有快擦型存儲器系統(tǒng)的中央處理機(jī)予以控制?？觳列痛鎯ζ骺商娲鶨EPROM，在某些應(yīng)用場合還可取代SRAM，尤其是對于需要配備電池后援的SRAM系統(tǒng)，使用快擦型存儲器后可省去電池?？觳列痛鎯ζ鞯姆且资院涂焖僮x取的特點(diǎn)，能滿足固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器的要求，同時(shí)，可替代便攜機(jī)中的ROM，以便隨時(shí)寫入最新版本的操作系統(tǒng)?？觳列痛鎯ζ鬟€可應(yīng)用于激光打印機(jī)、條形碼閱讀器、各種儀器設(shè)備以及計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中。典型的芯片有27F256/28F016/28F020等。5

12、42 存儲器芯片的擴(kuò)展及其與系統(tǒng)總線的連接微機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模、應(yīng)用場合不同，對存儲器系統(tǒng)的容量、類型的要求也必不相同，一般情況下，需要用不同類型，不同規(guī)格的存儲器芯片，通過適當(dāng)?shù)挠布B接，來構(gòu)成所需要的存儲器系統(tǒng)，這就是本節(jié)所需要討論的內(nèi)容。一、 存儲器芯片與CPU的連接1引言 在微型系統(tǒng)中，CPU對存儲器進(jìn)行讀寫操作，首先要由地址總線給出地址信號，選擇要進(jìn)行讀/寫操作的存儲單元，然后通過控制總線發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號，最后才能在數(shù)據(jù)總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所以，存儲器芯片與CPU之間的連接，實(shí)質(zhì)上就是其與系統(tǒng)總線的連接，包括： 地址線的連接； 數(shù)據(jù)線的連接； 控制線的連接；在連接中要考慮的問題有以

13、下幾個(gè)方面：2CPU總線的負(fù)載能力在設(shè)計(jì)CPU芯片時(shí)，一般考慮其輸出線的直流負(fù)載能力，為帶一個(gè)TTL負(fù)載?，F(xiàn)在的存儲器一般都為MOS電路，直流負(fù)載很小，主要的負(fù)載是電容負(fù)載，故在小型系統(tǒng)中，CPU是可以直接與存儲器相連的，而較大的系統(tǒng)中，若CPU的負(fù)載能力不能滿足要求，可以（就要考慮CPU能否帶得動(dòng)，需要時(shí)就要加上緩沖器，）由緩沖器的輸出再帶負(fù)載。3CPU的時(shí)序和存儲器的存取速度之間的配合問題CPU在取指和存儲器讀或?qū)懖僮鲿r(shí)，是有固定時(shí)序的，用戶要根據(jù)這些來確定對存儲器存取速度的要求，或在存儲器已經(jīng)確定的情況下，考慮是否需要Tw周期，以及如何實(shí)現(xiàn)。4存儲器的地址分配和片選問題內(nèi)存通常分為RAM

14、和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)(即機(jī)器的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的區(qū)域)和用戶區(qū)，用戶區(qū)又要分成數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)，ROM的分配也類似，所以內(nèi)存的地址分配是一個(gè)重要的問題。另外，目前生產(chǎn)的存儲器芯片，單片的容量仍然是有限的，通?？偸且稍S多片才能組成一個(gè)存儲器，這里就有一個(gè)如何產(chǎn)生片選信號的問題。5控制信號的連接CPU在與存儲器交換信息時(shí)，通常有以下幾個(gè)控制信號(對8088/8086來說)：/M（IO/），,以及WAIT信號。這些信號如何與存儲器要求的控制信號相連，以實(shí)現(xiàn)所需的控制功能。二、 存儲器芯片的擴(kuò)展存儲器芯片擴(kuò)展的方法有以下兩種：1存儲器芯片的位擴(kuò)充適用場合：存儲器芯片的容量滿足存

15、儲器系統(tǒng)的要求，但其字長小于存儲器系統(tǒng)的要求。例1 用1K×4的2114芯片構(gòu)成lK×8的存儲器系統(tǒng)。分析： 由于每個(gè)芯片的容量為1K，故滿足存儲器系統(tǒng)的容量要求。但由于每個(gè)芯片只能提供4位數(shù)據(jù)，故需用2片這樣的芯片，它們分別提供4位數(shù)據(jù)至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，以滿足存儲器系統(tǒng)的字長要求。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：l 將每個(gè)芯片的10位地址線按引腳名稱一一并聯(lián)，按次序逐根接至系統(tǒng)地址總線的低10位。l 數(shù)據(jù)線則按芯片編號連接，1號芯片的4位數(shù)據(jù)線依次接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D0-D3，2號芯片的4位數(shù)據(jù)線依次接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D4-D7。l 兩個(gè)芯片的端并在一起后接至系統(tǒng)控制總線的存儲器寫信號（如CP

16、U為8086/8088，也可由和M或IO/的組合來承擔(dān)）。l 引腳也分別并聯(lián)后接至地址譯碼器的輸出，而地址譯碼器的輸入則由系統(tǒng)地址總線的高位來承擔(dān)。具體連線見圖4-16。當(dāng)存儲器工作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)高位地址的譯碼同時(shí)選中兩個(gè)芯片，而地址碼的低位也同時(shí)到達(dá)每一個(gè)芯片，從而選中它們的同一個(gè)單元。在讀/寫信號的作用下，兩個(gè)芯片的數(shù)據(jù)同時(shí)讀出，送上系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的輸出，或者同時(shí)將來自數(shù)據(jù)總線上的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入存儲器。圖4-16 用2114組成1K×8的存儲器連線根據(jù)硬件連線圖，我們還可以進(jìn)一步分析出該存儲器的地址分配范圍如下：（假設(shè)只考慮16位地址） 地 址 碼 芯 片 的 地 址 范

17、 圍A15 . A12 A11 A10 A9 . A0 × × 0 0 0 0 0 0 0 0 H ： ： ： ： × × 0 0 1 1 0 3 F F H×表示可以任選值，在這里我們均選0。這種擴(kuò)展存儲器的方法就稱為位擴(kuò)展，它可以適用于多種芯片，如可以用8片2164A組成一個(gè)64K×8的存儲器等。2存儲器芯片的字?jǐn)U充適用場合：存儲器芯片的字長符合存儲器系統(tǒng)的要求，但其容量太小。例2 用2K×8的2716存儲器芯片組成8K×8的存儲器系統(tǒng)。分析：由于每個(gè)芯片的字長為8位，故滿足存儲器系統(tǒng)的字長要求。但由于每個(gè)芯片

18、只能提供2K個(gè)存儲單元，故需用4片這樣的芯片，以滿足存儲器系統(tǒng)的容量要求。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：同位擴(kuò)充方式相似。l 先將每個(gè)芯片的11位地址線按引腳名稱一一并聯(lián)，然后按次序逐根接至系統(tǒng)地址總線的低11位。l 將每個(gè)芯片的8位數(shù)據(jù)線依次接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D0-D7。l 兩個(gè)芯片的端并在一起后接至系統(tǒng)控制總線的存儲器讀信號（這樣連接的原因同位擴(kuò)充方式），l 它們的引腳分別接至地址譯碼器的不同輸出，地址譯碼器的輸入則由系統(tǒng)地址總線的高位來承擔(dān)。連線見圖4-17。 圖4-17 用2716組成8K×8的存儲器連線當(dāng)存儲器工作時(shí)，根據(jù)高位地址的不同，系統(tǒng)通過譯碼器分別選中不同的芯片，低位地址碼則同時(shí)到達(dá)每

19、一個(gè)芯片，選中它們的相應(yīng)單元。在讀信號的作用下，選中芯片的數(shù)據(jù)被讀出，送上系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的輸出。同樣，根據(jù)硬件連線圖，我們也可以進(jìn)一步分析出該存儲器的地址分配范圍如下表：（假設(shè)只考慮16位地址） 地 址 碼 芯片的地址范圍 對應(yīng)芯片編號A15 . A13 A12 A11 A10 A9 . A0 × × 0 0 0 0 0 0 0 0 0 H ： ： 2716-1 × × 0 0 1 1 1 0 7 F F H × × 0 1 0 0 0 0 8 0 0 H ： ： 2716-2 × × 0 1 1 1

20、1 0 F F F H × × 1 0 0 0 0 1 0 0 0 H ： ： 2716-3 × × 1 0 1 1 1 1 7 F F H × × 1 1 0 0 0 1 8 0 0 H ： ： 2716-4 × × 1 1 1 1 1 1 F F F H×表示可以任選值，在這里我們均選0。這種擴(kuò)展存儲器的方法就稱為字?jǐn)U展，它同樣可以適用于多種芯片，如可以用8片27128（16k×8）組成一個(gè)128K×8的存儲器等。3同時(shí)進(jìn)行位擴(kuò)充與字?jǐn)U充適用場合：存儲器芯片的字長和容量均不符合存儲

21、器系統(tǒng)的要求，這時(shí)就需要用多片這樣的芯片同時(shí)進(jìn)行位擴(kuò)充和字?jǐn)U充，以滿足系統(tǒng)的要求。例3 用1K×4的2114芯片組成2K×8的存儲器系統(tǒng)。分析：由于芯片的字長為4位，因此首先需用采用位擴(kuò)充的方法，用兩片芯片組成1K×8的存儲器。再采用字?jǐn)U充的方法來擴(kuò)充容量，使用兩組經(jīng)過上述位擴(kuò)充的芯片組來完成。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：每個(gè)芯片的10根地址信號引腳宜接接至系統(tǒng)地址總線的低10位，每組兩個(gè)芯片的4位數(shù)據(jù)線分別接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的高/低四位。地址碼的A10、A11經(jīng)譯碼后的輸出，分別作為兩組芯片的片選信號，每個(gè)芯片的控制端直接接到CPU的讀/寫控制端上，以實(shí)現(xiàn)對存儲器的讀/寫控制。硬件

22、連線如圖4-18圖4-18 用2114 組成2K×8的存儲器連線當(dāng)存儲器工作時(shí)，根據(jù)高位地址的不同，系統(tǒng)通過譯碼器分別選中不同的芯片組，低位地址碼則同時(shí)到達(dá)每一個(gè)芯片組，選中它們的相應(yīng)單元。在讀/寫信號的作用下，選中芯片組的數(shù)據(jù)被讀出，送上系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的輸出，或者將來自數(shù)據(jù)總線上的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入芯片組。同樣，根據(jù)硬件連線圖，我們也可以進(jìn)一步分析出該存儲器的地址分配范圍如下：（假設(shè)只考慮16位地址） 地 址 碼 芯片組的地址范圍 對應(yīng)芯片組編號A15 . A13 A12 A11 A10 A9 . A0 × × × 0 0 0 0 0 0 0 0

23、 H ： ： 2114-1 × × × 0 0 1 1 0 3 F F H × × × 0 1 0 0 0 4 0 0 H ： ： 2114-2 × × × 0 1 1 1 0 7 F F H×表示可以任選值，在這里我們均選0。思考：從以上地址分析可知，此存儲器的地址范圍是0000H-07FFH。如果系統(tǒng)規(guī)定存儲器的地址范圍從0800H開始，并要連續(xù)存放，對以上硬件連線圖該如何改動(dòng)呢？由于低位地址仍從0開始，因此低位地址仍直接接至芯片組。于是，要改動(dòng)的是譯碼器和高位地址的連接。我們可以將兩個(gè)芯片

24、組的片選輸入端分別接至譯碼器的Y2和Y3輸出端，即當(dāng)A11、A10為10時(shí)，選中2114-1，則該芯片組的地址范圍為 0800H-0BFFH，而當(dāng)A11、A10為11時(shí)，選中2114-2，則該芯片組的地址范圍為 0C00H-0FFFH。同時(shí)，保證高位地址為0（即A15-A12為0）。這樣，此存儲器的地址范圍就是0800H-0FFFH了。（具體連線自己考慮）以上例子所采用的片選控制的譯碼方式稱為全譯碼方式，這種譯碼電路較復(fù)雜，但是，由此選中的每一組的地址是確定且唯一的。有時(shí)，為方便起見，也可以直接用高位地址（如A10A15中的任一位）來控制片選端。例如用A10來控制，如圖所示。粗看起來，這兩組的

25、地址分配與全譯碼時(shí)相同，但是當(dāng)用Al0這一個(gè)信號作為片選控制時(shí)，只要Al00，A11A15可為任意值都選中第一組；而只要A101，AllA15可為任意值都選中第二組。這種選片控制方式稱為線選法。線選法節(jié)省譯碼電路，設(shè)計(jì)簡單，但必須注意此時(shí)芯片的地址分布以及各自的地址重疊區(qū)，以免出現(xiàn)錯(cuò)誤。例4 一個(gè)存儲器系統(tǒng)包括2K RAM和8K ROM，分別用1K×4的2114芯片和2K×8的2716芯片組成。要求ROM的地址從1000H開始，RAM的地址從3000H開始。完成硬件連線及相應(yīng)的地址分配表。圖4-20 2K RAM和8K ROM存儲器系統(tǒng)連線圖分析：該存儲器的設(shè)計(jì)可以參考本節(jié)的例2和例3。所不同的是，要根據(jù)題目的要求，按規(guī)定的地址范圍，設(shè)計(jì)各芯片或芯片組片選信號的連接方式。整個(gè)存儲器的硬件連線如圖4-20所示。根據(jù)硬