第七章 存储器

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第 7章
存 储 器
存储器是大多数数字系统和计算机中 不可缺少的部分, 不可缺少的部分,本章首先通过实训使读 者了解电可编程只读存储器EPROM的使 EPROM 者了解电可编程只读存储器EPROM的使 用方法,然后详细介绍RAM和ROM的种 用方法,然后详细介绍RAM和ROM的种 类及工作原理, 类及工作原理,最后介绍几种常用的集成 存储器芯片以及存储器的具体应用。 存储器芯片以及存储器的具体应用。
随机存取存储器RAM 随机存取存储器RAM 用于存放二进制信息( 用于存放二进制信息(数 据、程序指令和运算的中 间结果等)。 )。它可以在任 间结果等)。它可以在任 意时刻, 意时刻,对任意选中的存 储单元进行信息的存入 或取出( (写)或取出(读)的信 息操作, 息操作,因此称为随机存 取存储器。 取存储器。其结构示意图 如图7.2所示 所示。 如图7.2所示。 RAM的结构 ◆ RAM的结构 随机存取存储器一般由存储矩阵、地址译码器、片选控制和读/ 随机存取存储器一般由存储矩阵、地址译码器、片选控制和读/写控制电 路等组成,参见图7.2。 路等组成,参见图7.2。
20102010-9-14 存储器— 存储器— 8 图7.5 六管CMOS静态存储单元 六管CMOS静态存储单元
2. 动态存储单元DRAM 动态存储单元DRAM
RAM动态存储单元,是利用MOS管栅极电容的暂存作用来 RAM动态存储单元,是利用MOS管栅极电容的暂存作用来 动态存储单元 存储信息的, 存储信息的,考虑电容器上的电荷不可避免地因漏电等因素而 损失,为保持原存储信息不变, 损失,为保持原存储信息不变,需要不间断地对存储信息的电 容定时地进行充电(也称刷新)。 容定时地进行充电(也称刷新)。 动态RAM8118是采用三管动态存储单元的一种 是采用三管动态存储单元的一种, 动态RAM8118是采用三管动态存储单元的一种,它的存储 容量为16K× 容量为16K×1位。 动态存储单元比静态存储单元所用元件少、集成度高, 动态存储单元比静态存储单元所用元件少、集成度高,适 用于大容量存储器。静态存储单元虽然使用元件多,集成度低, 用于大容量存储器。静态存储单元虽然使用元件多,集成度低, 但不需要刷新电路,使用方便,适用于小容量存储器。随着新 但不需要刷新电路,使用方便,适用于小容量存储器。 技术的开发,目前静态存储单元的集成度已大大提高, 技术的开发,目前静态存储单元的集成度已大大提高,再加上 采用CMOS,功耗和速度指标得以改善而倍受用户青睐。 采用CMOS,功耗和速度指标得以改善而倍受用户青睐。 现在用的64K静态 静态RAM,每片功耗只有10mW, 现在用的64K静态RAM,每片功耗只有10mW,其维持功 耗可低达15nW,完全可用电池作后备电源 构成不挥发存储器。 完全可用电池作后备电源, 耗可低达15nW,完全可用电池作后备电源,构成不挥发存储器。

7.1 概述



7.2 存储器的种类
7.2.1 随机存取存储器RAM 随机存取存储器RAM 7.2.2 ROM
7.3 存储器的应用 7.4 存储器实用芯片简介
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7.1 概述
在实训中,我们对存储器有了一个定性的认识, 在实训中,我们对存储器有了一个定性的认识,它能够将 信息存储起来,并且可以按照需要从相应的地址取出信息。 信息存储起来,并且可以按照需要从相应的地址取出信息。 在实际应用中,存储器也是数字系统和计算机中不可缺少 在实际应用中, 的组成部分,用来存放数据、资料及运算程序等二进制信息。 的组成部分,用来存放数据、资料及运算程序等二进制信息。 若干位二进制信息(例如实训中所使用的2764就是 位的存储器) 就是8 若干位二进制信息(例如实训中所使用的2764就是8位的存储器) 构成一个字节。一个存储器能够存储大量的字节,实训中2764 构成一个字节。一个存储器能够存储大量的字节,实训中2764 能够存储8K个字节 其存储容量为8K×8=64KB。 2764”中的 个字节, 能够存储8K个字节,其存储容量为8K×8=64KB。“2764”中的 64”就代表了存储器芯片的容量 就代表了存储器芯片的容量。 “64”就代表了存储器芯片的容量。 大规模集成电路存储器的种类很多,不同的存储器,存储 大规模集成电路存储器的种类很多,不同的存储器, 容量不同,具有的功能也有一定的差异, 容量不同,具有的功能也有一定的差异,掌握和使用不同的存 储器,是学习数字电路和今后工作中十分重要的内容。 储器,是学习数字电路和今后工作中十分重要的内容。
控制电路工作原理
=1时 所有的I 端均被禁止, CS =1时:所有的I/O 端均被禁止,不能进
行读或写操作。 当片选信号 CS =1时,三态 行读或写操作。 均为高阻态, 门G1,G2,G3均为高阻态,此 CS =0时: =0时 片未选中, 片未选中 , 不能进行读或写操 作。当片选信号 CS =0时,芯 R/ W =1,执行读操作,将存储单元中的 =1,执行读操作, 片被选中。 片被选中。若R/ W =1,则G3 数据送到输出端; 数据送到输出端; 导通, 高阻态截止。 导通,G1、G2高阻态截止。此 R/ W =0,执行写操作,将I/O端数据写入 =0,执行写操作, 时 若 输 入 地 址 A7 ~ A0 为 存储单元中。 存储单元中。 00011111, 于是位于[31, 00011111 , 于是位于 [31 , 0] 的 图7.4 片选与读写控制电路 存储单元所存储的信息送出到 I/O端,存储器执行的是读操作;若R/ W =0,则G1、G2导通,G3高阻态截止, 存储器执行的是读操作; 导通, 高阻态截止, I/O端的数据以互补的形式出现在数据线D、 上,并被存入[31,0]存储单元, 端的数据以互补的形式出现在数据线D D 并被存入[31, 存储单元, 存储器执行的是写操作。 存储器执行的是写操作。
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1. 存储矩阵
该部分是存储器的主体,由若干个存储单元组成。每个存储单元可存放一 该部分是存储器的主体,由若干个存储单元组成。 位二进制信息。为了存取方便,通常将这些存储单元设计成矩阵形式, 位二进制信息。为了存取方便,通常将这些存储单元设计成矩阵形式,即若干 行和若干列。例如,一个容量为256× 256个字 每个字4 个字, 的存储器, 行和若干列。例如,一个容量为256×4(256个字,每个字4位)的存储器,共 1024个存储单元 这些单元可排成如图7.3所示的 行 32列的矩阵 个存储单元, 所示的32 列的矩阵。 有1024个存储单元,这些单元可排成如图7.3所示的32行×32列的矩阵。 说 明 ▲ 图7.3中,每行有 7.3中 32个存储单元(圆 32个存储单元 个存储单元( 圈代表存储单元) 圈代表存储单元) ▲ 每4个存储单元 为一个字, 为一个字,因此每 列可存储8个字, 列可存储8个字,称 个字列。 为8个字列。 ▲ 每根行选择线选 中一行, 中一行,每根列选 择线选中一列。 择线选中一列。 根列选择线Y ▲ 因此,该RAM存储矩阵共需要32根行选择线X0~X31和8根列选择线Y0~Y7。 因此, RAM存储矩阵共需要 根行选择线 存储矩阵共需要32根行选择线X
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7.2 存储器的种类 按照内部信息的存取方式,存储器通常可以分为RAM和 按照内部信息的存取方式,存储器通常可以分为RAM和 ROM; RAM按刷新方式可分为静态存储器SRAM和 ROM; RAM按刷新方式可分为静态存储器SRAM和动态存储器 按刷新方式可分为静态存储器 按数据输入方式可分为掩膜 DRAM;ROM按数据输入方式可分为掩膜ROM、可编程PROM DRAM;ROM按数据输入方式可分为掩膜ROM、可编程PROM EPROM等 和EPROM等。 RAM结构示意图 图 7.2 RAM结构示意图 7.2.1 随机存取存储器RAM 随机存取存储器RAM


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◆ RAM的存储单元 RAM的存储单元
RAM的核心元件是存储矩阵中的存储单元,按工作原理分,RAM的存储 RAM的核心元件是存储矩阵中的存储单元,按工作原理分,RAM的存储 的核心元件是存储矩阵中的存储单元 单元可分为静态存储单元 动态存储单元。 静态存储单元和 单元可分为静态存储单元和动态存储单元。 1. 静态存储单元(SRAM) 静态存储单元(SRAM) 静态存储单元是在静态触发器的基 础上附加门控管而构成的。因此, 础上附加门控管而构成的。因此,它是 靠触发器的自保功能存储数据的。 靠触发器的自保功能存储数据的。 图7.5是用六只CMOS管(增强型) 7.5是用六只 是用六只CMOS管 增强型) 组成的静态存储单元。 组成的静态存储单元。其工作原理简述 如下。 如下。 图中CMOST 构成基本RS触发 图中CMOST1~T4构成基本RS触发 用于存储一位二进制信息。 器,用于存储一位二进制信息。T5,T6 管是触发器与位线X 间的门控管, 管是触发器与位线Xi间的门控管,控制 触发器与位线的接通与断开。 触发器与位线的接通与断开。 T7,T8管 控制位线与数据线D D 的通断。 控制位线与数据线D、 的通断。 采用六管CMOS静态存储单元的常用静态 静态存储单元的常用静态RAM芯片有 芯片有6116(2K× 采用六管CMOS静态存储单元的常用静态RAM芯片有6116(2K×8)、 6264(8K× ),62256(32K× 6264(8K×8),62256(32K×8)等。这些芯片由于采用了CMOS,故它的 这些芯片由于采用了CMOS, 静态功耗极小,因此在交流电源断电时,可以用小型锂电池供电, 静态功耗极小,因此在交流电源断电时,可以用小型锂电池供电,以长期保存 所存储的信息。从而弥补了其他半导体存储器断电后信息消失的缺点。 所存储的信息。从而弥补了其他半导体存储器断电后信息消失的缺点。
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3. 读/写与片选控制
数字系统中的RAM 一般由多片组成 而系统每次读写时, 数字系统中的 RAM一般由多片组成, 而系统每次读写时 , 只选中其中的 一般由多片组成, 一片(或几片)进行读写,因此在每片RAM上均加有片选信号线 一片(或几片)进行读写,因此在每片RAM上均加有片选信号线 。只有 CS CS 该信号有效( =0)时,RAM才被选中,可以对其进行读写操作,否则该芯 RAM才被选中 可以对其进行读写操作, 才被选中, 该信号有效( 片不工作。某芯片被选中后,该芯片执行读还是写操作由读写信号R 控制。 片不工作。某芯片被选中后,该芯片执行读还是写操作由读写信号R / 控制。 W 所示为片选与读写控制电路。 图7.4所示为片选与读写控制电路。
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图7.3 RAM存储矩阵 RAM存储矩阵
2. 地址译码器
综上所述,一片RAM由若干个字组成(每个字由若干位组成, 由若干个字组成( 综上所述,一片RAM由若干个字组成 每个字由若干位组成, 例如4 16位等)。通常信息的读写是以字为单位进行的 位等)。通常信息的读写是以字为单位进行的, 例如4位、8位、16位等)。通常信息的读写是以字为单位进行的, 为了区别不同的字,将存放同一个字的存储单元编为一组, 为了区别不同的字,将存放同一个字的存储单元编为一组,并赋 予一个号码,称为地址。不同的字具有不同的地址, 予一个号码,称为地址。不同的字具有不同的地址,从而在进行 读写操作时,便可以按照地址选择欲访问的单元。 读写操作时,便可以按照地址选择欲访问的单元。 地址的选择是通过地址译码器来实现的。 地址的选择是通过地址译码器来实现的。 在存储器中,通常将输入地址分为两部分,分别由行译码器 在存储器中,通常将输入地址分为两部分,分别由行译码器 和列译码器译码。例如,上述的256×4RAM的存储矩阵 256个字 的存储矩阵, 和列译码器译码。例如,上述的256×4RAM的存储矩阵,256个字 需要8根地址线( 需要8根地址线(A7~A0)区分(28=256)。其中地址码的低5位 区分( =256)。其中地址码的低 )。其中地址码的低5 A4~A0作为行译码输入,产生25=32根行选择线,地址码的高3位 作为行译码输入,产生2 =32根行选择线 地址码的高3 根行选择线, A7~A5用于列译码,产生23=8根列选择线,只有当行选择线和列选 用于列译码,产生2 =8根列选择线 根列选择线, 择线都被选中的单元,才能被访问。 择线都被选中的单元,才能被访问。 例如,若输入地址A 00011111时 位于X 例如,若输入地址A7~A0 为00011111时,位于X31和Y0交叉处 的单元被选中,可以对该单元进行读写操作。 的单元被选中,可以对该单元进行读写操作。
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