数字电子基础技术应用 21

第10章半导体存储器部分内容摘自《DigitalElectronics:APracticalApproachwithVHDL(9thEdition)》[美]WilliamKleitz等，在此表示感谢！2026/1/30西安交通大学电气学院电子学10半导体存储器10.1存储器基本概念（分类、性能指标）10.2随机存取存储器（RAM）

10.3只读存储器（ROM）10.4集成存储器芯片 10.5存储器容量的扩展应用10.6集成存储器与处理器接口2026/1/30西安交通大学电气学院存储器分类：

目前最流行的存储介质是基于闪存(Nandflash)的，比如U盘、CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、记忆棒、XD卡等。2026/1/30西安交通大学电气学院电子学2026/1/30

半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息的大规模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。半导体存储器ReadOnlyMemory，ROMErasablePROM,EPROMFlashPROME2PROM

固定ROM（又称掩膜式ROM）用户可编程ROMStatic

RAM，SRAMDynamic

RAM，DRAM1.按存取方式来分：10.1半导体存储器NORFlashNANDFlashRandomAccessMemory，RAM易失性的（Volatile）:RAM•DRAM-"dynamic"•SRAM-"static"非易失性的（Non-volatile）:ROM•MaskROM-"maskprogrammable"•EPROM-"erasableprogrammable"•EEPROM-"erasableelectricallyprogrammable"•FLASHmemory-similartoEEPROMwithprogrammerintegratedonchip2026/1/30西安交通大学电气学院电子学2.按掉电信息是否丢失来分：易失和非易失Allthesetypesareavailableasstandalonechipsorasblocksinotherchips.3.按照在计算机中的作用分类：4.按串行、并行存取方式可分为：串行存储器和并行存储器。5.按照其存储数据是否共享可分为：单端口和双端口存储器。2026/1/30半导体存储器占IC份额

存储器一直被看成是半导体行业的晴雨表存储器一直被看成是半导体行业的晴雨表，它的表现也影响着整个市场的枯荣变换。存储容量存取速度存储容量是指存储器能存储的二进制信息总量。通常以存储器单元数（字数）与存储器字长（位数）之积表示。比如，SRAM6264容量=8KX8Bit。存取速度用对存储器进行一次读或写操作所花费的时间来描述。存储容量、存取速度、可靠性、功耗、Bit成本等存储器的性能指标功耗可靠性规定时间内，存储器无故障读写的概率，用平均无故障时间（Meantimebetweenfailures，MTBF）来衡量。功耗：存储器上电压与流入之积功耗又分为操作功耗和维持功耗（或备用功耗）。前者是存储器被选中进行某个单元的读/写操作时的功耗后者是存储器未被选中时的功耗。存储器的性能指标2026/1/30西安交通大学电气学院10.2随机存取存储器（RAM）

10.2.1RAM的结构

10.2.2RAM的存储单元

10.2.3RAM的读写时序

10.2.4集成RAM举例

10.2.5RAM的扩展2026/1/30西安交通大学电气学院10.2.1RAM的结构RAM的一般组成：“酒店”地址译码器（房号）读/写控制器（钥匙）存储矩阵（所有房间床位总和）图10.2.1

RAM的结构图

地址译码器房号••••••A0An-1A1

读/写控制器I/O0I/O1I/Om-1••••••.房间..Word床位…Bit客人/CS好比选酒店及楼栋存贮矩阵

钥匙2026/1/30西安交通大学电气学院1.存储矩阵存储容量要注意单位：位Bit、字节Byte、字Word、K、M等存储矩阵：由基本存储单元组成，每个存储单元（即房间）可以存储一组二进制数（1或者若干Bit，即字长）。用字数和字长乘积表示RAM的存贮容量。例如右图：

字数32（房间数）

字长8（床位数/房间）容量为：32×8Bit。w0w1•••

w31读/写控制器地址译码器D0

D1

•

•

•

•

•

•

D7A0A1•••

A431,031,131,7

0,0

0,1

0,7

1,0≈≈≈B0B1B72026/1/30西安交通大学电气学院2.地址译码图10.2.2单地址译码方式的结构图w0w1•••

w31读/写控制器地址译码器I/O0

I/O1

•

•

•

•

••

I/O7A0A1•••

A431,031,131,7

0,0

0,1

0,7

1,0≈≈≈D0D1D7有n个地址输入的小容量RAM一般都采用单地址译码器，输出2n个字线，字数为2n。右图字数为32。子学2026/1/30西安交通大学电气学院A0A1A2A3x0x1•••

x15y0

y1

y15图10.2.3双地址译码方式的结构图X行地址译码器Y列地址译码器A4

A5

A6

A7w15w1w0w16w240w255≈≈≈可选字数256，字线16+16=32根大容量RAM采用双地址译码器，减少输出字线数，有利于布局布线字线数32，字数256，即可以区分256个房间。比如，The2147H4K*1staticRAMaddressrowandcolumn

decodersselectmemorycell111111000010inthe2147Hmemoryarray;2026/1/30西安交通大学电气学院电子学采用双地址译码且分时送入行和列地址信号DRAM内部存储矩阵的字数与外部地址线数n的关系一般为

。

(a)2n

(b)22n(c)>22n(d)<2n读、写、刷新：2026/1/30西安交通大学电气学院电子学2026/1/30西安交通大学电气学院3.读/写控制器图10.2.4读/写控制器的逻辑电路图Di1位的读写控制课堂练习：试分析该电路功能？首先了解Read，Write的方向？I/O如何与DB连接?存储器对总线的影响？DB对存储器的影响？w0w1•w31读/写控制器地址译码器I/O0

I/O1

•

•

•

••

I/O7A0A1•A431,031,131,7

0,0

0,1

0,7

1,0≈≈≈D0D1D72026/1/30西安交通大学电气学院10.2.2

SRAM的存储单元双地址译码的SRAM存储单元X地址和Y地址译码有效读写控制单元使对应三态门有效，D和是与读写控制器连接的存或取数据RAM掉电后信息丢失！为什么叫静态RAM？类似静态显示，使用器件多。优点：速度快，高速缓存。VDDVGGT1T2T3T4QT5T6图10.2.5六管静态存储单元T1～T4构成NMOS锁存器

T5T6是模拟开关2147HStaticMOSRAMSRAM的型号还有61xx，62xx等，不尽相同Din和Dout如何与总线连接？2026/1/30西安交通大学电气学院电子学Multi-portedMemory2026/1/30西安交通大学电气学院电子学2026/1/30西安交通大学电气学院动态DRAM存储单元：优点:器件少，集成度高，容量大，功耗低，价格也便宜。缺点:其读写速度比SRAM低。2ms或更短时间就需要充电和刷新维持信息。字线X位线TCSCDVCDB图10.2.6单管动态MOS存储单元三星的DDR内存条:简化DRAM存储单元2026/1/30西安交通大学电气学院2026/1/30西安交通大学电气学院RAM总结DRAM和SRAM掉电都信息丢失。SRAM的速度快、但集成度低，最主要的应用领域就是各类缓存，例如CPU的一级缓存、二级缓存，每Bit价格高。DRAM内存存储密度较高，但读写速度稍慢，适合作为计算机的内存、显存以及其他嵌入设备的内存系统。/article/Articleinfo.jsp?id=2219502026/1/30西安交通大学电气学院10.2.3

RAM的读写时序

（房间号、人、钥匙的配合）RAM的主要信号有：地址、数据、控制信号访问RAM时的地址、控制、数据信号时间上是否要配合？w0w1•w31读/写控制器地址译码器I/O0

I/O1

•

•

•

••

I/O7A0A1•A431,031,131,7

0,0

0,1

0,7

1,0≈≈≈D0D1D72026/1/30西安交通大学电气学院电子学10.2.3

SRAM写入时序图10.2.8SRAM写入过程时序图写入单元的地址地址写入数据RAM芯片类型很多，字长、控制信号、时序等不一定相同。2026/1/30西安交通大学电气学院电子学RAM的读时序SRAM读出时序图图10.2.7SRAM读出过程时序图读出单元的地址地址有效数据2026/1/30西安交通大学电气学院10.4集成RAM举例SRAM62256，容量256KBit或215字节A1A0A3A2A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14OEWRCSI/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O762256逻辑符号地址输入端输入输出I/O方式1

Z片选无效010DO读00

DI011Z禁止输出62256功能表写62256两种读数据的时序图时序充分体现避免竞争冒险的设计：2026/1/30西安交通大学电气学院电子学2026/1/30西安交通大学电气学院电子学8.2.5

RAM的扩展

位扩展连接：即存储器芯片字长不满足用户存储数据字长的要求。例:用256

1Bit的RAM芯片要存储256

8Bit的数据。思考：需要几片？各芯片的数据、地址、控制线如何连接？地址输、片选控制端和读/写端都分别连在一起，仅仅数据端各自独立与数据总线分别相连。2026/1/30西安交通大学电气学院……………R/2561RAMI/OA0A1A7…CSU0D0U1D1图8.2.11位扩展连线图U7D72561RAMI/OA0A1A7…CS2561RAMI/OA0A1A7…CS字扩展连接：即存储器芯片的字数不满足用户要求。例：用256

8RAM芯片要存储1024

8的数据。思考：需要几片？如何连接？各芯片哪些/个引脚连线不同？2026/1/30西安交通大学电气学院A9A8Y0Y1Y2Y3D0-7图8.2.12字扩展连线图……………2568RAMI/O0-7A0

A1A7R/CSA0A7R/A1…2568RAMI/O0-7A0

A1A7R/CS2568RAMI/O0-7A0

A1A7R/CS假设：用地址总线的A1和A0作为译码器的输入，A2~A9依次接芯片的地址输入端A0~A7，左边芯片地址范围？A1A0试分析各存储芯片的存储器地址范围？2026/1/30西安交通大学电气学院例：用256

4RAM芯片组成512

8存储器的连接 思考：需要几片？如何连接？(假设处理器只访问存储器)………图8.2.11位扩展连线图U32564RAMI/O0~3A0A1A7R/…CS…R/2564RAMI/O0~3A0A1A7…CSU0D0~3U1D4~72564RAMI/O0~3A0A1A7R/…CSU22564RAMI/O0~3A0A1A7R/…CSD4~7D0~3…课堂练习分析图所示电路是什么扩展方式？扩展的存储器容量及地址范围是多少？每片存储器的字长是多少？什么类型？2026/1/30西安交通大学电气学院电子学课堂练习分析图题10.8所示电路是什么扩展方式？扩展的存储器容量及地址范围是多少？说地址时，片选/CS要不要说明？2026/1/30西安交通大学电气学院ROM存储器结构与RAM的主要区别是存储单元不同。个别ROM没有写信号2026/1/30西安交通大学电气学院2026/1/30西安交通大学电气学院电子学与阵列：全译码阵列，n个地址输入变量对应2n根字线。用一个译码器框代替固定的与阵列,得到PROM的简化阵列图8.3.2或阵列：一组或门，输出端输出数据，字线与位线的2nXm个交叉点都是可编程接点。地址译码器O2O1O0A2A1A0图8.3.2PROM的简化阵列图

W1W0B0B1B2字线W••位线BPROM的编程单元结构简化图2026/1/30西安交通大学电气学院电子学EPROM、EEPROM、Flash

编程单元-Floating-gateMOSFET这三种存储器都可以被可靠地删除和重新编程数千次。三种存储器单个内存单元的都是浮删MOSFET管。通过在控制栅上加足够高的电压，在浮栅上产生电场效应，迫使浮栅获得电子。制造商保证，除非要擦除，否则这种电子电荷将在浮栅上停留10年以上。ROM特点：掉电信息不丢失。2026/1/30西安交通大学电气学院电子学EPROM、EEPROM、Flash

编程单元-Floating-gateMOSFET——写和擦除图(a)显示了如何将1写入单元格。芯片内部电路在控制门上放置一个高压(通常是12V)，称为VPP，这就在浮栅上产生了一个极高的电场，浮栅吸收跃过薄氧化层的电子。这样持续几纳秒，直到获得足够的电荷。当VPP电压被移除时，被介电层和氧化物层绝缘，电荷仍然被困在浮栅上。

2026/1/30西安交通大学电气学院电子学EPROM、EEPROM、Flash

编程单元-Floating-gateMOSFET——读要读取单元，就像使用RAMICs一样。译码器输出高有效，如VCC，加在所选内存单元的控制门上，如图(c)和(d)所示。如果浮栅上没有电子电荷[图(c)]，则VCC电压(通常为5或3.3V)足以使MOS管导通，但不足以向浮栅上添加电子电荷。读出0数据。如果浮栅上有电子电荷，则VCC电压低于阈值电压，MOS管截止，读出数据1。

2026/1/30西安交通大学电气学院电子学EPROM、EEPROM、Flash三种存储器编程结构细节和每个单元连接方式不同紫外可擦EPROM的擦除时间最慢。它需要十多分钟的强烈紫外线辐射。EEPROMs允许在不到一毫秒的时间内删除单个比特或字节，与SRAM一样擦除与写同时完成。Flash同一时间内允许删除整个块或整个芯片。uv可擦除的EPROM是最便宜的，通常用于新产品实现的初始设计和调试阶段。EEPROM在线可编程性，比EPROM更受欢迎。通常作为串行I/O内存设备出售。这大大减少了他们的pin数和芯片大小。例如电视遥控器，以记住喜爱的用户设置。闪存已成为最受欢迎的非易失性存储解决方案的许多新推出的电子设备。数码相机和个人数字助理(pda)使用闪存卡作为存储数据的媒介。此外，个人电脑存储操作系统固件，打印机在闪存上存储字体。

时序与RAM类似（2716读周期）2026/1/30西安交通大学电气学院电子学常见PROM存储器型号SRAM常用型号以21、62、61等开头，比如，2147H、6116、62256等。DARM有HM5165805（64Mb或8MB），HM5251805（512Mb或64MB）等。SummaryofSemiconductorMemory2026/1/30西安交通大学电气学院MemoryExpansionandAddress

DecodingApplications回顾RAM的读写控制逻辑，思考：如图所有的EPROM存储器2732芯片OE始终有效会不会影响DB总线？2026/1/30西安交通大学电气学院电子学集成存储器与处理器接口一般分别接处理器的AB、DB、CB要满足接口的电压、电流和速度三要素2026/1/30西安交通大学电气学院电子学集成存储器与处理器接口2026/1/30西安交通大学电气学院存储器的编址（AB）低位地址对应接存储器芯片的地址端，余下的AB高位地址经译码后作为不同存储器芯片的片选信号。片选信号的产生一般有三种方法：高位地址线选法、部分地址译码、全地址译码。设计时灵活应用。2026/1/30西安交通大学电气学院MCS-51系列单片机外扩存储器