半导体存储器及其应用ppt课件.ppt

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1、为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第9 章章 半导体存储器及其应用半导体存储器及其应用9.1 概述概述 9.2 只读存储器只读存储器(ROM)9.3 随机存储器随机存储器返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.1概述概述半导体存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体器件。半导体存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体器件。半导体存储器具有集成度高、存储密度大、速度快、功耗低、体积小半导体存储器具有集成度高、存储密度大、速度快、功耗低、体积小

2、和使用方便等特点和使用方便等特点,是计算机和其他数字系统不可缺少的组成部分。是计算机和其他数字系统不可缺少的组成部分。半导体存储器的种类很多半导体存储器的种类很多,从制造工艺上分从制造工艺上分,有双极型和有双极型和MOS 型两种。型两种。双极型存储器双极型存储器采用双极型触发器作为基本存储单元采用双极型触发器作为基本存储单元,具有工作速度快、功率大的特具有工作速度快、功率大的特点点,适用于高速应用场合。适用于高速应用场合。MOS 型存储器采用型存储器采用MOS 触发器或电荷存触发器或电荷存储器件作为基本存储单元储器件作为基本存储单元,具有集成度高、功耗低的特点具有集成度高、功耗低的特点,适用于

3、大适用于大容量存储系统。容量存储系统。下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.1概述概述从存储信息方式上分从存储信息方式上分,有只读存储器有只读存储器(Read-only Memory,ROM)和和随机存储器随机存储器(Random Access Memory,RAM)两大类。两大类。ROM 在正常工在正常工作时只能读取数据作时只能读取数据,不能随时修改和写入数据。不能随时修改和写入数据。ROM 的信息是在制的信息是在制造时或用专门的写入装置写入的造时或用专门的写入装置写入的,可以长期保存可以长期保存,断电后也

4、不会消失断电后也不会消失,因此也称为非易失性存储器。因此也称为非易失性存储器。ROM 又可以分为掩模又可以分为掩模ROM、可编程、可编程ROM 和可擦除可编程和可擦除可编程ROM。RAM 在正常工作中可以随时写入或读在正常工作中可以随时写入或读取数据取数据,并且断电后存储数据会消失并且断电后存储数据会消失,属于易失性存储器。属于易失性存储器。RAM 分为分为静态静态RAM 和动态和动态RAM。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.1概述概述按照数据输入、输出方式还可以分为串行存储器和并行存储器两大类。

5、按照数据输入、输出方式还可以分为串行存储器和并行存储器两大类。串行存储器输入数据或输出采用串行方式串行存储器输入数据或输出采用串行方式,芯片引脚数少芯片引脚数少;而并行存而并行存储器中数据输入或输出采用并行方式储器中数据输入或输出采用并行方式,工作速度快。工作速度快。存储器的存储容量和存取时间是反映系统性能的两个重要指标。存储存储器的存储容量和存取时间是反映系统性能的两个重要指标。存储容量反映存储器能够存储的二进制数据或信息的多少。存储时间决定容量反映存储器能够存储的二进制数据或信息的多少。存储时间决定存储器的工作速度存储器的工作速度,用读用读/写周期来描述写周期来描述,周期越短周期越短,即存

6、取时间越短即存取时间越短,存储器的工作速度就越快。存储器的工作速度就越快。上一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)9.2.1模模ROM掩模掩模ROM 中存放的信息是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作中存放的信息是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作的的,这种这种ROM 出厂时内部存储的信息就已经出厂时内部存储的信息就已经“固化固化”在里面在里面,所以也称所以也称固定固定ROM。它在使用时只能读出不能写入。它在使用时只能读出不能写入,因此通常只用来存放固定因此通常只用来存放固定数

7、据、固定程序和函数表等。数据、固定程序和函数表等。9.2.2可编程存储器可编程存储器(PROM)可编程存储器可编程存储器(PROM)器件分为熔丝型和结破坏型两类。在封装出厂器件分为熔丝型和结破坏型两类。在封装出厂时时,存储的内容全为存储的内容全为0(或全为或全为1),用户根据需要可将某些单元改写为用户根据需要可将某些单元改写为1 或或0。这种。这种ROM 采用熔丝或采用熔丝或PN 结击穿的方法编程结击穿的方法编程,由于熔丝烧断或由于熔丝烧断或PN 结击穿后不能再恢复结击穿后不能再恢复,因此因此,PROM 只能改写一次。只能改写一次。下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九

8、大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)图图9-3 所示为三极管组成的熔丝型所示为三极管组成的熔丝型PROM 存储单元存储单元,所有字线和位线所有字线和位线交叉点上带熔丝的三极管就组成了交叉点上带熔丝的三极管就组成了PROM 的存储矩阵。出厂前所有存的存储矩阵。出厂前所有存储单元的熔丝都是通的储单元的熔丝都是通的,存储内容全为存储内容全为1。用户使用时。用户使用时,选择需要编程选择需要编程的存储单元的存储单元,按规定加入编程电流按规定加入编程电流,熔丝熔断熔丝熔断,这样就将这样就将0 写入了相应写入了相应的存储单元。的存储单元。PROM 还

9、有结破坏型还有结破坏型,其存储单元结构如其存储单元结构如图图9-4 所示所示,它由反向串联它由反向串联的二极管构成的二极管构成,结破坏型结破坏型PROM 采用结击穿编程。不管是哪种类型的采用结击穿编程。不管是哪种类型的PROM,其存储内容一旦写入就不能改变其存储内容一旦写入就不能改变,即只能一次编程即只能一次编程,不适合需不适合需要经常改写存储内容的场合。要经常改写存储内容的场合。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)9.2.3可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储

10、器(EPROM)可擦除可编程只读可擦除可编程只读ROM(Erasable Read_ Only Memory,EPROM)中的存储数据可重复擦除和重复编程中的存储数据可重复擦除和重复编程,满足需要经常修改满足需要经常修改ROM 中存储中存储内容的要求。内容的要求。1.紫外线可擦除可编程紫外线可擦除可编程ROM最早研制成功并投入使用的最早研制成功并投入使用的EPROM 是紫外线可擦除可编程是紫外线可擦除可编程ROM,简简称称UVEPROM。这种存储器在不需要原有存储内容时。这种存储器在不需要原有存储内容时,可擦除重写。可擦除重写。在擦除原有存储信息时必须用紫外线或在擦除原有存储信息时必须用紫外线

11、或X射线照射射线照射,照射时间通常需要照射时间通常需要2030 min,然后才能写入新的数据。然后才能写入新的数据。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)2.E2PROM虽然虽然UVEPROM 具备可擦除重写的功能具备可擦除重写的功能,但它只能整体擦除且擦除操但它只能整体擦除且擦除操作复杂作复杂,速度较慢。为此速度较慢。为此,又研制出了可用电信号擦除的又研制出了可用电信号擦除的E2PROM。E2PROM 擦除灵活擦除灵活,可一次全部擦除可一次全部擦除,也可按位擦除。但也

12、可按位擦除。但E2PROM 擦擦除和写入通常需要加高压脉冲除和写入通常需要加高压脉冲,而且擦写时间仍然较长。因此正常工而且擦写时间仍然较长。因此正常工作时作时,E2PROM 仍然只能处于读出状态仍然只能处于读出状态,作为作为ROM 使用。使用。3.快闪存储器快闪存储器快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)简称闪存简称闪存,是新一代的高性能是新一代的高性能E2PROM。它具有结构简单、编程可靠、集成度高、擦写电压低、速度快等特点。它具有结构简单、编程可靠、集成度高、擦写电压低、速度快等特点。目前广泛使用的目前广泛使用的U 盘、盘、MP3 中都采用了闪存。中都采用了闪存。上一页 下一页返

13、回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)另外另外,在诸如数字信号处理器、在诸如数字信号处理器、PLD 等许多等许多LSI 器件中也大量采用快器件中也大量采用快闪存储器。作为一种新型的半导体存储器闪存储器。作为一种新型的半导体存储器,快闪存储器必将得到更加快闪存储器必将得到更加广泛的应用。广泛的应用。9.2.4ROM 的应用举例的应用举例存储器大量用于计算机等数字系统中存储器大量用于计算机等数字系统中,用来存放程序、数据等二进制用来存放程序、数据等二进制信息信息,此外还可以应用到其他一些逻

14、辑设计中此外还可以应用到其他一些逻辑设计中,如实现逻辑函数、代码如实现逻辑函数、代码转换、时序控制、字符发生器、波形发生器等。转换、时序控制、字符发生器、波形发生器等。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)1.实现逻辑函数实现逻辑函数ROM 可以用来实现各种组合逻辑函数可以用来实现各种组合逻辑函数,尤其是多输出函数。尤其是多输出函数。ROM 中中地址译码器的输出产生输入变量的全部最小项地址译码器的输出产生输入变量的全部最小项,而存储矩阵将有关最而存储矩阵将有关最小项进行

15、或运算小项进行或运算,就形成了输出逻辑函数。由此可知就形成了输出逻辑函数。由此可知,用用ROM 实现逻实现逻辑函数时辑函数时,首先需要求出逻辑函数的真值表或标准与或表达式首先需要求出逻辑函数的真值表或标准与或表达式,然后然后画出画出ROM 的阵列图。的阵列图。2.波形发生器波形发生器波形发生器是用来产生一种或多种特定波形的装置。这些波形可以是波形发生器是用来产生一种或多种特定波形的装置。这些波形可以是正弦波、方波、三角波和锯齿波等。目前正弦波、方波、三角波和锯齿波等。目前,通常是用存储器为核心的通常是用存储器为核心的数字集成电路来实现波形发生器数字集成电路来实现波形发生器,其实现原理如其实现原

16、理如图图9-6 所示。所示。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)地址发生器可用地址发生器可用MIS 计数器构成。若地址发生器采用两片计数器构成。若地址发生器采用两片74LS161 级连成的级连成的8 位加法计数器位加法计数器,其输出就是其输出就是EPROM 的的8 位输入地址。位输入地址。EPROM 用来存放各种波形数据用来存放各种波形数据,存储容量为存储容量为28=256 个字。如果存个字。如果存储器的字长为储器的字长为8 位位,可将一个周期内波形电压变化的幅值按可

17、将一个周期内波形电压变化的幅值按8 位数模位数模转换器的分辨率分成转换器的分辨率分成256 个数值个数值,就能得到各种波形数据。因此就能得到各种波形数据。因此,读读取一个周期的波形数据需要取一个周期的波形数据需要256 个个CP 脉冲脉冲,即输出波形的频率是即输出波形的频率是CP 脉冲频率的脉冲频率的1/256。从。从EPROM 中读取的数据经数模转换器进行转换中读取的数据经数模转换器进行转换,输出所需的波形。输出所需的波形。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.2只读存储器只读存储器(ROM)下面以

18、锯齿波为例下面以锯齿波为例,说明波形发生器的实现方法。锯齿波的波形数据说明波形发生器的实现方法。锯齿波的波形数据可按公式可按公式D=x,x=0255(即即D=00HFFH)计算得到。要实现锯齿计算得到。要实现锯齿波输出波输出,首先由用户进行编程首先由用户进行编程,将锯齿波的波形数据写入将锯齿波的波形数据写入EPROM 中中,即在存储器的即在存储器的00HFFH(0255)地址中依次写入数据地址中依次写入数据00HFFH。当。当计数器从计数器从0255 作循环加法计数器时作循环加法计数器时,顺序读取存储器顺序读取存储器00HFFH 地地址中的波形数据址中的波形数据,最后经过数模转换就可以得到周期

19、性重复的锯齿波。最后经过数模转换就可以得到周期性重复的锯齿波。改变改变CP 脉冲的频率以及数模转换器的参考电压脉冲的频率以及数模转换器的参考电压,可以得到不同频率可以得到不同频率和不同幅度的锯齿波波形。和不同幅度的锯齿波波形。上一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器随机存储器又称随机读随机存储器又称随机读/写存储器写存储器,可以在任何时刻、任何选中的存储可以在任何时刻、任何选中的存储单元进行数据的读写操作。单元进行数据的读写操作。RAM 通常用来存放一些临时性的数据和通常用来存放一些临时性

20、的数据和中间结果等中间结果等,需要经常改变存储内容。按照电路结构和工作原理需要经常改变存储内容。按照电路结构和工作原理,RAM 又分静态又分静态RAM 和动态和动态RAM。9.3.1RAM 的结构和工作原理的结构和工作原理RAM 通常由存储矩阵、地址译码器和读通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成写控制电路三部分组成,其其结构如结构如图图9-7所示。所示。下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器存储矩阵由许多存储单元组成存储矩阵由许多存储单元组成,每个存储单元能存放一位二进制

21、数据每个存储单元能存放一位二进制数据0 或或1,在地址译码器和读在地址译码器和读/写电路作用下写电路作用下,进行读进行读/写操作。写操作。RAM 的的存储单元可分为静态存储单元和动态存储单元。存储单元可分为静态存储单元和动态存储单元。SRAM 的静态存储单的静态存储单元由元由MOS 型或双极型电路组成的静态触发器构成型或双极型电路组成的静态触发器构成,依靠触发器的自保依靠触发器的自保功能存储数据。功能存储数据。DRAM 的动态存储单元是利用的动态存储单元是利用MOS 管栅极电容的电管栅极电容的电荷存储效应来存储数据荷存储效应来存储数据,由于电容的电荷会逐渐泄露由于电容的电荷会逐渐泄露,所以动态

22、存储所以动态存储单元必须定时刷新。单元必须定时刷新。地址译码器一般分为行地址译码器和列地址译码器两部分地址译码器一般分为行地址译码器和列地址译码器两部分,用于选择用于选择存储单元。如图存储单元。如图9-7所示所示RAM 共有共有n 根地址线根地址线,分成分成A0 Ai 和和Ai+1 An-1 两组两组,分别作为行地址和列地址输入。分别作为行地址和列地址输入。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器行地址译码器确定有效的行选择线行地址译码器确定有效的行选择线,从存储矩阵中选中某一行存

23、储单从存储矩阵中选中某一行存储单元元;列地址译码器确定有效的列选择线列地址译码器确定有效的列选择线,并从行选择线选中的某一行并从行选择线选中的某一行存储单元中再选出存储单元中再选出m 个存储单元。只有被行、列选择线同时选中的存个存储单元。只有被行、列选择线同时选中的存储单元储单元,才能进行读才能进行读/写操作。写操作。读读/写控制电路用于控制存储器的工作状态。在图写控制电路用于控制存储器的工作状态。在图9-7 中中 是片选信是片选信号号,R/是读是读/写控制信号。当片选信号有效时写控制信号。当片选信号有效时,RAM 才被选中才被选中,可以进行读可以进行读/写操作写操作,并由读并由读/写控制信号

24、决定执行读操作还是写操作写控制信号决定执行读操作还是写操作;否则否则,RAM 的所有的所有I/O 端口均为高阻状态端口均为高阻状态,与数据总线脱离与数据总线脱离,不能不能进行读进行读/写操作。写操作。RAM 存储容量为存储容量为2n m 位位,其中其中n 和和m 分别代表分别代表RAM 中地址线和数中地址线和数据线的数量。据线的数量。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器9.3.2RAM 的扩展的扩展在计算机或其他数字系统中在计算机或其他数字系统中,单片机单片机RAM 通常不能满

25、足存储容量的要通常不能满足存储容量的要求求,因此需要将若干因此需要将若干RAM 芯片组合起来芯片组合起来,扩展成大容量的存储器。扩展成大容量的存储器。RAM 扩展时所需的芯片数量扩展时所需的芯片数量N=总存储容量总存储容量/单片存储容量单片存储容量,其扩展其扩展分为位扩展和字扩展两种。分为位扩展和字扩展两种。1.位扩展位扩展当当RAM 芯片的字长小于系统要求时芯片的字长小于系统要求时,需要进行位扩展。位扩展的方法需要进行位扩展。位扩展的方法很简单很简单,只需将多片只需将多片RAM 的相应地址端、读的相应地址端、读/写控制端写控制端 和片选和片选信号信号 并接在一起并接在一起,而各片而各片RAM

26、 的的I/O端并行输出即可。如用端并行输出即可。如用1 0241 位位RAM 扩展成扩展成1 0248 位存储器位存储器,扩展接线如扩展接线如图图9-8 所示。所示。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器2.字扩展字扩展当当RAM 芯片的字数小于系统要求时芯片的字数小于系统要求时,需要进行字扩展。需要进行字扩展。RAM 的字扩的字扩展是利用译码器输出控制各片展是利用译码器输出控制各片RAM 的片选信号的片选信号 来实现的。来实现的。RAM 进行字扩展时必须增加地址线进行字扩展时必

27、须增加地址线,增加的地址线作为高位地址与译码器增加的地址线作为高位地址与译码器的输入相连。同时的输入相连。同时,各片各片RAM 的相应地址端、读的相应地址端、读/写控制端写控制端R/W、相应相应I/O 端并接在一起使用。如用两片端并接在一起使用。如用两片2564 位位RAM 扩展成扩展成1 0244 位存储器位存储器,扩展接线如扩展接线如图图9-9 所示。所示。上一页 下一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.3随机存储器随机存储器3.字、位同时扩展字、位同时扩展当当RAM 芯片的字数和位数均小于系统要求时芯片的

28、字数和位数均小于系统要求时,需要将上述两种扩展方需要将上述两种扩展方法结合使用。在字、位同时扩展情况下法结合使用。在字、位同时扩展情况下,一般先进行位扩展一般先进行位扩展,然后再然后再对位扩展后的对位扩展后的RAM 进行字扩展。如用进行字扩展。如用642 位位RAM 扩展为扩展为2564 位位存储器存储器,扩展接线如扩展接线如图图9-10 所示。所示。上一页返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-3三极管

29、组成的熔丝型三极管组成的熔丝型PROM 存存储单元储单元返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-4PN 结破坏型结破坏型PROM 存储单元存储单元返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-6波形发生器框图波形发生器框图返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-7RAM 的结构图的结构图返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-8RAM 的位扩展的位扩展返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-9RAM 的字扩展的字扩展返回为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图9-10RAM 的字、位同时扩展的字、位同时扩展返回