半导体存储器概述

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  • 内存储器均为半导体存储器，外存储器有些为磁盘存储器
  • 半导体存储器由能够表示二进制数 “0” 和“1”的、具有记忆功能的半导体器件组成
  • 能存放一位二进制数的半导体器件称为一个存储元
  • 若干存储元构成一个存储单元

  • 每个存储单元由 8 个存储元构成

    半导体存储器的分类

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    随机存取存储器 (RAM)

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  • 主要特点

    • 可以随时读 / 写
    • 掉电后信息丢失 (需要后备电源)
  • 静态随机存取存储器 (SRAM)：存储元以静态触发器电路 (双稳态电路) 为基础
  • 动态随机存取存储器 (DRAM)：存储元为电容
  • 同步动态随机存取存储器 (SDRAM)：

科普内容
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只读存储器 (ROM)

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  • 主要特点
    • 可以随时读，但不能随机写
    • 掉电后信息不丢失 (无需后备电源)
  • 掩膜 ROM：将所有的数据通过光刻的方式刻写在芯片上，不可改写
  • 一次性可写 ROM：只允许写入一次
  • EPROM：(Erasable Programmable Read-Only Memory)：可擦除可编程只读存储器，一旦编程完成后，EPROM 只能用强紫外线照射来擦除
  • EEPROM：(Electrically Erasable Programmable read only memory)：带电可擦可编程只读存储器，可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程

  • 闪速存储器 Flash：是一种特殊的 EEPROM

    半导体存储器的技术指标

  • 存储容量：存储单元个数 × 每单元的二进制位数

  • 存取时间：实现一次读 / 写所需要的时间
  • 存取周期：连续启动两次独立的存储器所需间隔的最小时间

  • 可靠性、功耗

    存储单元编址

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  • 图中有三个芯片

  • 地址总线传输的高位为片选地址，用于选择芯片
  • 地址总线传输的低位为片内地址，用于选择片上的存储单元

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  • 译码电路作用

    • 将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围
    • 将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号

      随机存储器 (RAM)

  • SRAM：存储元为双稳态电路，存储信息稳定

  • DRAM：存储元为电容

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  • 高电平：电容满电荷，为了防止电荷泄漏，所以定期充电
  • 低电平：电容无电荷，为了防止电荷堆积，所以定期放电

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  • 8K=213，13 根地址线，8K 个存储单元
  • 8b=23，3 根数据线，每个存储单元中存 8 个 bit
  • CS1 为低电平，CS2 为高电平，该芯片才能工作

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  • 写操作时序

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  • 重点在译码电路

  • 物理地址的高位作为片选信号，输入译码电路，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片

    全地址译码

    全地址译码：用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址
    【例】全地址译码
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  • 写出地址范围的二进制表示

  • 确定各高位地址状态
    • 由于 SRAM6264 为存储容量为 8K×8b，所以地址线 13 根，用于选择片内的存储单元，也叫片内信号；剩下的高 7 位用于选择存储器芯片，也叫片选信号
  • 设计译码器：如下图

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  • 与非门要是输出为 0，则输入必须全为 1

  • 或非门要是输出为 1，则输入必须全为 0

    部分地址译码

    部分地址译码：用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中存储器芯片占有几组不同的地址范围
    【例】部分地址译码
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  • A18 可以是 0，也可以是 1

  • 浪费了一组地址资源，但少了一根线

    只读存储器 (ROM)

  • 下面介绍的三种 ROM，可以读写，但写有条件

  • 不需要后备电源

    EPROM

  • 可多次编程写入；

  • 掉电后内容不丢失；
  • 内容的擦除需用紫外线擦除器
  • ROM 需要先擦除，再写
  • RAM 可以直接写
  • EPROM 芯片用盖子隔离紫外线，具有较高的稳定性，数据不易改变，常用作程序存储器，存放相应的控制程序

  • RAM 芯片则因其便利性，常用作数据存储器，存放操作的数据

    EEPROM

  • 可在线编程写入

  • 掉电后内容不丢失
  • 电可擦除

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  • READY 高电平，才可以写
  • 可通过程序实现对芯片的读写
  • 仅当 READY / #BUSY=1 时才能进行 “写” 操作
  • “写” 操作的三种方法：效率依次提高
    • 根据参数定时写入
    • 通过判断 READY / #BUSY 端的状态进行写入
      • 仅当该端为高电平时才可写入下一个字节
    • 中断控制方式
      • 当 READY / #BUSY 端为高电平时，该高电平可作为中断请求信号

【例】EEPROM 芯片译码电路设计和软件编程写操作
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  • 读写信号 #MEMW 和 #MEMR，作为输入信号，输入译码电路
    • 保证当读写信号有效时，存储芯片才工作

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  • 循环 8k 个存储单元，都写入 66H
  • 前两句：将段基地址 3E00H 写入 DS 数据段寄存器
  • 第三句，将第一个存储单元的地址 0000H 写入 SI 源变址寄存器

  • 第四句，将 8k=213=8192D，写入 CX 计数寄存器，作为循环变量

    闪速存储器 (Flash)

  • 通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式

  • 通过读状态寄存器的值，获取芯片当前工作状态
  • 与 SRAM 的区别：
    • 在进行写入和擦除操作时需要 12V 编程电压
  • 与普通 EEPROM 的区别：
    • 通过读状态寄存器的内容确定能不能写操作，而普通 EEPROM 是通过接口去读取 READY 端的状态来确定能不能写操作
    • 提高写命令字的方式控制其处于何种工作方式

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