半導(dǎo)體存儲器及應(yīng)用

1、半導(dǎo)體存儲器及應(yīng)用第1頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二第8章 半導(dǎo)體存儲器及應(yīng)用本章要點(diǎn)只讀存儲器及應(yīng)用隨機(jī)存取存儲器及應(yīng)用半導(dǎo)體存儲器的性能指標(biāo)第2頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.1 只讀存儲器及應(yīng)用只讀存儲器，簡稱為ROM（Read-only memory ），其特點(diǎn)是：存儲的信息一旦寫入（即將數(shù)據(jù)存入存儲器），在工作過程中不會改變，斷電后數(shù)據(jù)也不會丟失。因此，只讀存儲器也稱為固定存儲器。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入的方式不同，分為固定ROM和可編程ROM（簡稱PROM）。PROM又包括可擦除可編程ROM（EPROM）、電可擦除可編程ROM（EEPROM

2、）和FLASH存儲器。第3頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.1.1 只讀存儲器演示按圖示連接電路。檢查無誤后斷開DIP2開關(guān)的S7S0，接通電源。改變DIP1開關(guān)的S7S0的狀態(tài)，觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況。 第4頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.1.2 只讀存儲器的基本類型1.固定ROM如圖示，固定ROM又稱為掩膜ROM，簡稱為MROM。在制造時(shí)，由生產(chǎn)廠家利用掩模技術(shù)直接把數(shù)據(jù)寫入存儲器中。MROM制成后，存儲的數(shù)據(jù)也就固定了，用戶在使用時(shí)無法再改變，只能讀出。第5頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二存儲矩陣由許多存儲元

3、素排列組成。每個(gè)存儲元素存放一位二進(jìn)制代碼“0” 或“ 1”，通常稱為“位（bit）”。若干個(gè)存儲元素（即若干位，例如m位）組成一個(gè)“字”(也稱為一個(gè)存儲單元)，每個(gè)字中二進(jìn)制代碼的位數(shù)稱為“字長”。ROM的存儲元素可以用二極管構(gòu)成，也可以用三極管或MOS管構(gòu)成。如圖示是PMOS構(gòu)成的字長為4位的4個(gè)字存儲器矩陣示意圖。存儲矩陣中，沒有接PMOS的位置存儲的是“1”；接PMOS的位置存儲的是“0”。存儲器存儲能力用存儲容量來衡量，存儲容量用存儲矩陣的存儲元素?cái)?shù)目來表示，寫成“字?jǐn)?shù)位數(shù)”的形式，單位為“位（bit）”。圖示的存儲矩陣，存儲容量為44位。 第6頁，共21頁，2022年，5月20日，

4、1點(diǎn)46分，星期二2. 可編程ROM（1）PROMPROM在出廠時(shí)全部存儲“1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為“0”，但只能改寫一次，故又稱其為一次可編程只讀存儲器。目前基本上退出了應(yīng)用。（2）EPROM在許多含有ROM的產(chǎn)品開發(fā)中，不可避免地需要進(jìn)行編程測試編程的多次反復(fù)，所以在PROM的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了可擦除的可編程只讀存儲器EPROM。如，紫外線擦除型的可編程只讀存儲器，20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代曾經(jīng)廣泛應(yīng)用。 如圖所示是地址碼為11位，存儲容量為16Kb（2K8）的EPROM 。其輸入地址被分為2組進(jìn)行譯碼，這樣做的好處是減少了譯碼輸出線的條數(shù)。對不同存儲容量的存儲器而言，其

5、結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于地址碼的位數(shù)和存儲矩陣的存儲單元數(shù)不同。第7頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二（3）EEPROMEPROM在擦除、編程時(shí)需要從機(jī)器上拿下來，放在專門的裝置上進(jìn)行，不僅脫機(jī)操作手續(xù)多、耗時(shí)長，而且編程電壓高，安全性差。后來逐漸開發(fā)出了電擦除可編程ROM，即EEPROM，也可表示為E2PROM。EEPROM具有在寫入信息前自動進(jìn)行在線電擦除的特點(diǎn)，可以對1個(gè)字節(jié)進(jìn)行擦除和寫入，也可以對1頁進(jìn)行擦除和寫入，不需要專用設(shè)備，因此使用十分方便。1個(gè)字節(jié)（Byte）定義為8位（bit），通常對應(yīng)1個(gè)存儲單元。1頁（Page）通常有64個(gè)字節(jié)，對應(yīng)64個(gè)存儲單元。如圖示

6、，寫入數(shù)據(jù)時(shí)，使 =0、 =1，在地址端加入地址碼、數(shù)據(jù)輸入/輸出端加入待存儲的數(shù)據(jù)，只需置 =0，即可寫入數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時(shí)，置 =0、 =1、 =0，即可從輸入/輸出端讀出對應(yīng)地址單元中存儲的數(shù)據(jù)。第8頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二（4）FLASH存儲器 FLASH存儲器（又稱閃速存儲器，簡稱為“閃存”）是新型非易失性存儲器。它與EEPROM的區(qū)別是：EEPROM可以按“字節(jié)”或“頁”擦除和寫入，而閃速存儲器只能以“頁”進(jìn)行擦除和寫入。目前“閃存”被廣泛用在PC機(jī)的主板上，用來保存BIOS程序，便于進(jìn)行程序的升級。另外一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是移動存儲設(shè)備，如U盤和MP3，具有

7、抗震、速度快、耗電低等優(yōu)點(diǎn)。存儲容量為256Kb（32K8）、雙列直插式封裝的FLASH存儲器AT29C256如圖所示。 該芯片的數(shù)據(jù)寫入是以“頁”進(jìn)行的，因此要改寫某一存儲單元的數(shù)據(jù)，整頁的數(shù)據(jù)都要重寫。 第9頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二3. 可編程ROM的型號與封裝（1）可編程ROM的型號可編程ROM的型號標(biāo)注主要有5個(gè)部分，如圖所示。其中：第1部分的字母表示生產(chǎn)商，如“M”為ST、“AT”為ATMEL等；第2部分的數(shù)字表示類型，如“27”表示是EPROM、“28”表示EEPROM、“29”表示FLASH存儲器；第3部分的字母“C”或“F”表示工作電源電壓為+5

8、V，也可以省略；第4部分的數(shù)字表示存儲容量，如“16”表示16Kb（2K8）、“010”表示1Mb（128K8）、“4001”表示4Mb（512K8）、4002表示4Mb（256K16）等。第5部分的數(shù)字表示存取時(shí)間，單位為ns。第10頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二（2）可編程ROM的封裝可編程ROM除了雙列直插式封裝外，還有LLC和TSOP封裝，如圖所示。LLC封裝的引腳也為直插式，但分布在四周。TSOP封裝的引腳在兩邊，但只能貼著電路板焊接。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的需要選擇它們。LCC封裝TSOP封裝第11頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二

9、8.1.3 只讀存儲器的應(yīng)用只讀存儲器主要用于保存經(jīng)常使用的不變數(shù)據(jù)。借助只讀存儲器，通過對讀、寫數(shù)據(jù)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。如圖示是用EEPROM（如AT28C16）代替4線-7線譯碼器實(shí)現(xiàn)八段數(shù)碼顯示的電路。將ROM需輸出的數(shù)據(jù)預(yù)先寫入存儲器的000H00FH單元。于是，在輸入的4位二進(jìn)制數(shù)作用下，數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)碼。 第12頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.2 隨機(jī)存取存儲器及應(yīng)用隨機(jī)存取存儲器，簡稱為 RAM（Random access memory）。使用時(shí)，必須保持供電，否則其保存的數(shù)據(jù)將消失，所以，隨機(jī)存取存儲器也稱為讀寫存儲器。根據(jù)所采用器

10、件類型不同，RAM可分為雙極型（三極管）和單極型（場效應(yīng)管）。按照工作方式不同，可分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM兩類。第13頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.2.1 隨機(jī)存取存儲器演示按圖所示連接電路，檢查無誤后斷開DIP2開關(guān)的S7S0，接通電源。設(shè)置DIP1開關(guān)的S7S0。每設(shè)置好一個(gè)數(shù)據(jù)，在計(jì)數(shù)器的CP端輸入一個(gè)單次脈沖，使計(jì)數(shù)器狀態(tài)增1，即存儲器地址增1；接著閉合開關(guān)S3，將設(shè)置好的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的存儲單元后，再斷開開關(guān)S3。觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況。 第14頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.2.2 隨機(jī)存儲器的基本類型 1. 靜態(tài)隨機(jī)存儲

11、器（Static RAM，簡稱SRAM）SRAM利用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的觸發(fā)器記憶二進(jìn)制信息，其中一個(gè)狀態(tài)表示“1”，另一個(gè)狀態(tài)表示“0”。 SRAM的讀寫次數(shù)不影響其壽命，可無限次讀寫。在保持SRAM的電源供給情況下，其內(nèi)容不會丟失。SRAM速度非?？?，是目前讀寫最快的存儲設(shè)備，但是它的價(jià)格也最貴。2. 動態(tài)隨機(jī)存儲器（Dynamic RAM，簡稱DRAM）DRAM利用MOS管極間電容上存儲的電荷實(shí)現(xiàn)記憶二進(jìn)制信息，有電荷時(shí)表示為“1”、無電荷時(shí)表示為“0”。由于每讀出一次，電容上的電荷要減少一部分，因此這種讀出稱為破壞性讀出。為了保持電容上的保存的信息不丟失，就必須定時(shí)給電容補(bǔ)充電荷。給電容

12、補(bǔ)充電荷，將存儲信息恢復(fù)的操作，通常稱為“刷新”或“再生”。DRAM的集成度高、功耗低，但應(yīng)用時(shí)外圍電路復(fù)雜，速度較慢，需要定期刷新。第15頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二圖示是DRAM芯片2164，其存儲容量為64K1位，芯片內(nèi)部含有4個(gè)128128譯碼矩陣，每個(gè)譯碼矩陣配有128個(gè)讀出放大器，及一套I/O控制電路。第16頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二隨機(jī)存取存儲器的應(yīng)用1位擴(kuò)展當(dāng)存儲系統(tǒng)的實(shí)際字長已超過RAM芯片的字長時(shí)，需要對RAM進(jìn)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展的基本思路是：將多片RAM的地址線、讀出線和片選信號線對應(yīng)地并接在一起，而各個(gè)芯片的輸入/

13、輸出（I/O）作為字的各個(gè)位。圖示是用8片DRAM芯片2164擴(kuò)展為64K8的存儲系統(tǒng)連接圖。第17頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二2.字?jǐn)U展字?jǐn)U展指的是增加存儲系統(tǒng)中字的數(shù)量。字?jǐn)U展的基本思路是：通過外加譯碼器控制RAM芯片的片選輸入端來區(qū)分各芯片的地址范圍，實(shí)現(xiàn)字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展。圖示是用4片SRAM芯片KM6264擴(kuò)展為48K8位的存儲系統(tǒng)。每片KM6264的數(shù)據(jù)線、讀/寫控制線相應(yīng)并聯(lián)，作為存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、讀/寫控制線。將地址總線低位地址A12A0與各片KM6264的13位地址端相連，而地址總線的高2位地址線A14，A13送入2線-4線譯碼器，譯碼輸出分別與4個(gè)KM6

14、264的片選端相連。第18頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.3 半導(dǎo)體存儲器的性能指標(biāo)1. 存儲容量 容量是指半導(dǎo)體存儲器芯片上能存儲的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。存儲容量越大，說明它能存儲的信息就越多。存儲容量是半導(dǎo)體存儲器的重要性能指標(biāo)，通常用存儲器芯片所能存儲的字?jǐn)?shù)和字長的乘式來表示。即：存儲容量字?jǐn)?shù)字長 例如，容量為10241的芯片，則該芯片上有1024個(gè)存儲單元，每個(gè)單元內(nèi)可存儲一位二進(jìn)制數(shù)；再如，存儲容量為2564的存儲芯片表示它有256個(gè)存儲單元，每個(gè)單元可以存放4位二進(jìn)制信息。2. 存取時(shí)間 半導(dǎo)體存儲器的存取時(shí)間指的是，微處理器從其中讀取或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)所需要的時(shí)間

15、，亦稱為讀寫周期，即存儲器從接收到微處理器送來的地址，到微處理器從該地址讀取或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。存取時(shí)間越短，其運(yùn)行速度就越快。半導(dǎo)體存儲器的存取時(shí)間一般以ns為單位。存儲器芯片的手冊中一般會給出典型的存取時(shí)間或最大時(shí)間。在芯片外殼上標(biāo)注的型號往往也給出了時(shí)間參數(shù)，例如M27C256B-70，表示該芯片的存取時(shí)間為70ns。第19頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二8.3 半導(dǎo)體存儲器的性能指標(biāo)3. 功耗 半導(dǎo)體存儲器的功耗指的是，其正常工作時(shí)所消耗的電功率。半導(dǎo)體存儲器的功耗可分為工作功耗和維持功耗。工作功耗是指存儲器芯片被選中進(jìn)行讀寫操作時(shí)的功耗；維持功耗是指存

16、儲器芯片未被選中而僅僅維持已存儲信息時(shí)的功耗。存儲器的功耗與存取速度有關(guān)，一般存取速度越快，功耗也就越大。4. 可靠性 半導(dǎo)體存儲器的可靠性指的是它對周圍電磁場、溫度、濕度等的抗干擾能力。由于存儲器常采用超大規(guī)模集成電路工藝制成，故它的可靠性通常較高，壽命比較長，平均無故障時(shí)間可達(dá)幾千小時(shí)以上。5. 價(jià)格 價(jià)格也是半導(dǎo)體存儲器的一個(gè)重要指標(biāo)。一般地，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡可能選擇低價(jià)位的半導(dǎo)體存儲器芯片，以便節(jié)約成本。 在實(shí)際中選擇半導(dǎo)體存儲器，需根據(jù)不同的要求和應(yīng)用場合，重點(diǎn)考慮某個(gè)或某幾個(gè)指標(biāo)。例如，如果需要存儲大量信息，則首先要考慮的指標(biāo)可能是存儲器的容量，其他的指標(biāo)是次要考慮因素；如果是應(yīng)用在電池供電的便攜式儀器中，則首先需要考慮的指標(biāo)可能是存儲器的功耗；如果應(yīng)用在對實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，則首先需要考慮的指標(biāo)可能是存取時(shí)間等。第20頁，共21頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)46分，星期二本章小結(jié)（1）半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分，它可分為ROM和RAM兩大類，絕大部分是采用MOS工藝制成的大規(guī)模集成電路。（2）ROM是非易失性存儲器，斷電后，信息仍能保存在ROM中。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入的方式不同，ROM可分為固定ROM和可編程ROM。而可編程ROM又可細(xì)分為PROM、EPROM、E2PROM和FLASH存儲器等。