半导体存储器
半导体存储器
2.主存-辅存存储层次
辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据。主存-辅存层次通过附加的硬 件及存储管理软件来控制，使主存-辅存形成一个整体，称之为虚拟存储器。
6.5 辅助存储器
1. 辅助存储器的特点 2．磁表面存储器的主要技术指标
(1)记录密度。 (2)存储容量。 (3)平均寻址时间。 (4)数据传输率。 (5)误码率。
6.5.2 磁记录原理和记录方式
6.5.2 磁记录原理和记录方式 1．磁记录原理
磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。写入时，记录介质在磁头下 方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体 磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透到磁 层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化(叫作磁化单元)。可以根据写入驱动电流的不同方 向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。
(2)磁表面存储器。磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作 时磁层随载磁体高速移动，用磁头在磁层上进行读写操作，为磁表面存储器。
(3)光盘存储器。光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性 的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。
半导体存储器
6.1 存 储 器 的 基 本 概 念 6.2 半 导 体 存 储 器 6.3 主 存 储 器 与 CPU 的 连 接 6.4 提 高 存 储 器 性 能 的 方 法 6.5 辅 助 存 储 器
微型计算机系统原理及应用 第4章 半导体存储器
17
4．3 半导体只读存储器（ROM）
4.3.1 掩膜式只读存储器ROM ROM制造厂家按用户提供的数据，在芯片制造时
写定。用户无法修改。
18
4.3.2 可编程的只读存储器PROM 只能写入一次。
19
4.3.3 可编程、可擦除的只读存储器EPROM
1. 紫外线擦除的EPROM 进行照射10～20min，擦除原存信息，成为全1状态。
8
2．静态RAM的结构 将多个存储单元按一定方式排列起来，就组成了一个静 态RAM存储器。
9
典型的SRAM 6116：2KB，A0~A10，D0~D7形成 128*16*8（每8列组成看作一个整体操作）的阵列
片选CS# 输出允许 OE#
读写控制 WE#
10
典型的SRAM芯片6264 (8KB)
29
存储器芯片的选用
RAM、ROM区别：
–ROM：ROM用来存放程序，为调试方便，多采用EPROM
–RAM：存储器容量不大，功耗较小时，可采用静态RAM；
系统较大，存储器容量很大，功能和价格成为主要矛盾， 要选择动态RAM，这时要考虑刷新问题。
组成存储器模块时，需要考虑的因素主要有：容
量、速度、负载等：
14
2. 双端口RAM举例
CY7C130/131/140/141 1K*8bit高速双端口SRAM A0~A9：地址线 I/O0~I/O7：数据线 CE#：片选 OE#：输出允许线 R/W#：读写控制 BUSY#： INT#：
15
存储器的基本组成 半导体存储器的内部结构为例
译码电路： 重合译码方式 存储体：核心。一个 基本存储电路可存入 一个二进制数码
A12 A7 A6 A5 A4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 Vcc WE CS 2 A8 A9 A 11 OE A 10 CS 1 D7 D6 D5 D4 D3
第七章 半导体存储器
三、知识点
1、重点掌握的知识点 （1）各种ROM的电路结构和工作原理； （2）SRAM的的电路结构和工作原理；
（3）存储器容量的扩展方法；
（4）用存储器实现组合逻辑函数的方法。 2、一般掌握的知识点
（1）各种ROM存储单元的特点； （2）SRAM的静态存储单元。
7.1 概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。 一、半导体存储器的一般结构形式 存储单元数目庞大，输入/输出引脚数目有限。
译成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；
列地址译码器将输入地址代码的其余若干位(Ai+1~An-1)译 成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再 选一位(或n位)，使这些被选中的单元与读/写电路和 I/O(输入/输出端)接通，以便对这些单元进行读/写操作。
读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控 制。CS′称为片选信号，当CS′=0时，RAM工作， CS′=1时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM 进行读/写操作。
11A7 ~ A0 768 ~ 1023
256 ~ 511
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
ROM广泛应用于计算机、电子仪器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子测量设备和数
控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用
ROM在数字逻辑电路中的应用。 分析ROM的工作原理可知，ROM中的地址译码器可产
生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即
A0~An-1
D0
W0
W2n-1
Dm
地
A1
址
A0 D3
数
D2
据
D1 D0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1
第6章半导体存储器
（a）
图6-8
（b）
3．快闪存储器(Flash Memory)
而且浮置栅一源区间的电容要比浮置栅一控制栅间的电容小得多 。 当控制栅和源极间加上电压时,大部分电压都将降在浮置栅与源极 之间的电容上。 快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的，如图6-8(b)所 示。
（a）
图6-8
（b）
半导体存储器的技术指标
存取容量：表示存储器存放二进制信息的多少。二值 信息以字的形式出现。一个字包含若干位。一个字的 位数称做字长。
例如，16位构成一个字，那么该字的字长为16位。一个存储 单元只能存放一个一位二值代码，即只能存一个0或者一个1。 这样，要存储字长为16的一个字，就需要16个存储单元。若 存储器能够存储1024个字，就得有1024×16个存储单元。 通常，用存储器的存储单元个数表示存储器的存储容量，即 存储容量表示存储器存放二进制信息的多少。存储容量应表 示为字数乘以位数。 例如，某存储器能存储1024个字 ，每个字4位，那它的存储容 量就为1024×4=4096，即该存储器有4096个存储单元。 存储器写入（存）或者读出（取）时，每次只能写入或读出 一个字。若字长为8位，每次必须选中8个存储单元。 选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址 码来决定。地址码的位数n与字数之间存在2n=字数的关系。 如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存210=1024个字。
[例6-1]
[例6-1]
根据表6-2可以写出Y的表达式： Y7=∑（12，13，14，15） Y6=∑（8，9，10，11，14，15） Y5=∑（6，7，10，11，13，15） Y4=∑（4，5，7，9，11，12） Y3=∑（3，5，11，13） Y2=∑（2，6，10，14） Y1=0 Y0=∑（1，3，5，7，9，11，13，15 ） 根据上述表达式可画出ROM存储点阵如图6-9所示。
半导体存储器介绍
04
价格竞争： 各厂商通过 调整产品价 格来争夺市
场份额
05
市场趋势： 随着市场需 求的扩大， 市场竞争将
更加激烈
发展趋势
01
市场规模不断扩大，需 求持续增长
03
市场竞争激烈，企业并 购和整合频繁
05
政策支持，推动半导体 存储器产业发展
02
技术进步，存储密度和 速度不断提高
04
应用领域不断拓展，如 人工智能、物联网等
存储速度：半导体存储器的存储速度取 决于其内部电路的运行速度和数据传输 速度。
存储技术：半导体存储器有多种存储技术， 如DRAM、SRAM、Flash等，每种技术 都有其独特的存储容量和速度特点。
发展趋势：随着技术的进步，半导体存 储器的存储容量和速度也在不断提高， 以满足不断增长的数据存储需求。
半导体存储器市场
0 3 存储单元：由晶体管和电容器组 成，用于存储数据
0 4 存储方式：分为随机存取存储器 （RAM）和只读存储器（ROM）
0 5 存储容量：取决于存储单元的数 量和每个单元的存储能力
0 6 存储速度：取决于存储单元的访 问速度和数据传输速度
存储容量和速度
存储容量：半导体存储器的存储容量取 决于其内部存储单元的数量和每个存储 单元的存储容量。
数据不丢失
EEPROM（电可擦除
4
可编程只读存储器）：
可擦除和重新编程，断
电后数据不丢失，速度
较慢
Flash Memory（闪
5
存）：可擦除和重新编
程，断电后数据不丢失，
速度快，广泛应用于U
盘、SD卡等设备
半导体存储器特点
01
存储速度快：半导 体存储器的读写速 度远高于磁性存储
半导体存储器
27**系列 2716 2732 2764 … 27040 4. 可电擦除、可编程ROM (EEPROM) —— 可多次擦除和重写（电擦除）
2817 28C64 28C256 4种工作方式：读方式、写方式、字节擦除方式和整体擦除方式 5. 闪烁存储器(FLASH ROM) —— 属于EEPROM类型，性能优于EEPROM
5
24 A9
6 23 A11
7 22 /OE
8
21 A10
9
20 /CS
10 19 D7
11 18 D6
12 17 D5
13 16 D4
14 15 D3
62256逻辑图
A14
A13
D7
A12 A11 A10 A9
A8 A7 A6 A5
D6
D5 D4 D3 D2 D1 D0
A4
A3
A2
A1
A0 CS OEWE
存储器基本知识
62256工作表 CS WE OE D7~D0 H × × 高阻 L H L 输出 L L H 输入 L L L 输入 L H H 高阻
存储器基本知识
2. 27256 － 32K*8 EPROM
Vpp
A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2
GND
27256引脚图
半导体存储器
设x的取值范围为0～15的正整数， 则对应的是4位二进制正整数，用 B＝B3B2B1B0表示。根据y＝x2可算 出y的最大值是152 ＝225，可以用 8位二进制数Y＝Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 表示。由此可列出Y＝B2 即y＝x2 的真值表。
输 B3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 B2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
输 Y4 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0
出 Y3 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 Y2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Y1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
&
&
&
W3
地 A1 0 0 1 1
址 A0 0 1 0 1 W0 1 0 0 0
字 W1 0 1 0 0
线 W2 0 0 1 0
D3=0
≥1
D2=1
D3 D2 ≥1
D1=1
D1 ≥1 ≥1
D0=1
D0
A1=1 A0=1
A1 A0
1 1
&
W0 W1 W2
W0=0 W1=0 W2=0 W3=1
存 W3 0 0 0 1 D3 1 0 1 0 储 D2 0 1 1 1 内 D1 1 0 0 1 容 D0 1 1 0 1
… …
27256(4) A0 O0 A 14 CS OE
… …
O7
… …
O7
… …
O7
… …
半导体存储器的分类及应用
半导体存储器的分类及应用半导体存储器主要分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。
1. 随机存储器（RAM）：RAM是一种易失性存储器，其中存储的数据在断电后会丢失。
RAM主要用于临时存储计算机的运行数据和程序。
根据存储单元的结构，RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。
- 静态随机存储器（SRAM）：SRAM由触发器构成，每个存储单元需要多个晶体管和电容器来存储一个位。
SRAM具有快速访问速度和较低的功耗，常用于高速缓存、寄存器文件和缓冲存储器等。
- 动态随机存储器（DRAM）：DRAM由电容器和晶体管构成，每个存储单元只需要一个电容器和一个晶体管来存储一个位。
DRAM的存储单元较小，但在每次读取数据后需要刷新电容器，因此访问速度相对较慢。
DRAM广泛应用于主存储器（内存）和图形存储缓冲区等。
2. 只读存储器（ROM）：ROM是一种非易失性存储器，其中存储的数据在断电后不会丢失。
ROM主要用于存储不需要频繁修改的固定数据，例如计算机的固件程序、启动代码和存储器初始化信息等。
根据存储单元的可编程性，ROM可分为可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。
- 可编程只读存储器（PROM）：PROM的存储单元由固定的晶体管和电容器组成，存储内容不能被修改。
- 可擦除可编程只读存储器（EPROM）：EPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过曝光紫外光擦除并重新编程。
EPROM的擦除程序相对麻烦。
- 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）：EEPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过电信号擦除和编程。
EEPROM的擦除和编程过程相对容易，且可以单独对存储单元进行操作。
半导体存储器广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域，包括但不限于以下几个应用：- 主存储器（内存）：作为计算机的主要存储器，用于存储正在执行的程序和运行数据。
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第7章半导体存储器
内容提要
半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。
（2）各种存储器的存储单元。
（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。
（4）半导体存储器芯片的应用。
教学基本要求
掌握：
（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。
（2）存储器的技术指标。
（3）用ROM实现组合逻辑电路。
理解SAM、RAM和ROM的工作原理。
了解：
（1）动态CMOS反相器。
（2）动态CMOS移存单元。
（3）MOS静态及动态存储单元。
重点与难点
本章重点：
（1）SAM、RAM和ROM的功能。
（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。
（3）用ROM实现组合逻辑电路。
本章难点：动态CMOS反相器、动态CMOS移存单元及MOS静态、动态存储单元的工作原理。
7.1 半导体存储器及分类
半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的重要组成部分。
半导体存储器分类如下：
按制造工艺分，有双极型和MOS型两类。
双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。
MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。
按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）三类。
（1）顺序存取存储器（简称SAM）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。
（2）随机存取存储器（简称RAM）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。
根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将
随机存储器分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。
DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。
（3）只读存储器（简称ROM）：信息被事先固化到存储器内，可以长期保留，断电也不丢失。
它在正常运行时，只能读出信息，而不能写入。
只读存储器有固定ROM和可编程ROM两类。
可编程ROM 又有一次可编程ROM（简称PROM）、光可擦可编程ROM（简称EPROM）、电可擦可编程ROM（简称EEPROM或E2PROM）、快闪存储器（Flash Memory）等几种类型。
7.2 顺序存取存储器（SAM）
SAM主要由动态移存器构成，它在不断刷新的前提下，可以存储大量数据，但在存取数据时，必须按先进先出或先进后出的原则顺序进行。
7.3 随机存取存储器（RAM）
在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。
它的优点是读、写方便，使用灵活。
缺点是一旦断电以后所存的数据将随之丢失，即存在数据易失性的问题。
RAM由地址译码器、存储矩阵和读写控制电路三部分组成。
它能对任意一个地址单元进行读写操作。
RAM有SRAM和DRAM两类：
（1）SRAM的存储单元为R–S触发器，如六管CMOS静态存储单元，因此不需要刷新；
（2）DRAM由动态存储单元（三管、单管动态存储单元）构成存储矩阵。
它是利用栅电容C或集成电容C S来暂存信号的，因此需要不断刷新。
DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。
7.4 只读存储器（ROM）
只读存储器属于非易失存储器，断电后存储的数据不丢失。
1. 固定（掩模）ROM
芯片在生产厂制造时就把用户需要存储的内容用电路结构固定下来，使用时无法再改变，只能读出，不能写入。
存储单元可以用二极管构成，也可以用双极性三极管或MOS管构成。
2. 一次性可编程ROM（PROM）
PROM的总体结构与固定（掩模）ROM相同，所不同的是在芯片出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储单元，存储单元全为1（或0），用户可用编程器将所需要的内容一次性写入，但一经写入就不能再修改。
3. 光可擦可编程ROM（EPROM）
这种ROM具有较大的使用灵活性，它存储的内容不仅可以由用户写入，而且还能擦去重写，但擦除时需用紫外线对芯片照射；写入时需
外加较高的电压，其过程较复杂、费时，所以在正常工作时仍然是只读不写。
4. 电可擦可编程ROM（EEPROM）
EEPROM只需在高压脉冲或工作电压下就可以进行擦除，而不需要借助紫外线照射，所以比EPROM更灵活方便，而且它还有字擦除（只擦一些或一个字）功能。
由于它可以在线改写，可以逐字改写，使其应用范围逐渐扩大，如在IC卡中应用。
5. 快闪存储器（Flash Memory）
快闪存储器是新一代用电信号擦除的可编程ROM。
它既具有EPROM 结构简单、编程可靠的优点，又具有EEPROM擦除快捷、集成度高的特点。
由于其集成度高、容量大、成本低和使用方便，应用日益广泛，如用于数码相机、MP3随身听等。
7.5 半导体存储器的主要技术指标
1. 存储容量
存储容量指存储器所能存放信息的多少，存储容量越大，说明它能存储的信息越多。
存储器中的一个基本存储单元能存储1 bit的信息，也就是可以存入一个0或一个1，所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。
一个内有8 192个基本存储单元的存储器，其存储容量为8K（1K = 210 =1 024）；这个存储器若每次可以读（写）8位二值码，说明它可以存储1K个字，每字为8位，这时的存储容量也可以用1K×8位表示。
2. 存取时间
存储器的存取时间一般用读（或写）周期来描述，连续两次读取（或写入）操作所间隔的最短时间称为读（或写）周期。
读（或写）周期短，即存取时间短，存储器的工作速度就高。
7.6 存储容量扩展方法
当使用一片ROM或RAM器件不能满足对存储容量的要求时，就需要将若干片ROM或RAM组合起来，形成一个容量更大的存储器。
存储器的扩展主要工作是地址线、数据线和控制线的连接。
例7–1由8片256×4位的存储器，组成1024×8位的存储空间如图7–6–1所示。
图7–6–1 例7–1图
7.7 用ROM实现组合逻辑
由于可编程ROM中的地址译码器是个与阵列，存储矩阵是个或矩阵，因而在地址端输入逻辑函数的变量，只要对存储矩阵编程就可在ROM的数据输出端获得任意所需的组合逻辑函数。
因此利用可编程ROM集成片实现组合逻辑以完成各种组合逻辑功能是非常方便实用的。
自我检测题
1.若存储芯片的容量为128K×8位，问
（1）访问该芯片需要多少位地址？
（2）假定该芯片在存储器中首地址为A0000H，则末位地址应为多少？
2.将一个包含有32 768个基本存储单元的存储电路设计成4 096个字节的RAM，该RAM（1）有几根数据线？（2）有几根地址线？
3.试用8×4 位RAM扩展为（1）32×4 位RAM；（2）16×8 位RAM。
4.已知Z=X2Y，其中X、Y均为2位二进制数，试画出Z的PROM阵列图。
5.已知多输出组合逻辑电路的输出函数表达式为
若用ROM实现该多输出组合逻辑电路，ROM的容量应为多少？画出阵列图。
思考题
1.半导体存储器如何分类？有哪些主要技术指标？
2. SAM、RAM（SRAM、DRAM）、ROM（ROM、PROM、EPROM）各有什么特点？
3. RAM主要由哪三部分组成？它们的功能是什么？
4. RAM的MOS静态存储器单元与MOS动态存储器单元各有什么特点？
5.如何进行RAM存储容量的扩展？
6.如何用ROM来实现组合逻辑电路？。