1.5.3 半导体存储器

存储器是计算机的记忆部件。CPU要执行的程序、要处理的数据、处理的中间结果等都存放在存储器中。

早期计算机用磁心作存储器。20世纪70年代以后，随着大规模集成电路技术的发展，半导体的集成度大大提高，体积急剧减小，加之它具有功耗低、成本低和应用方便等优点，故其应用日益广泛。目前微机的存储器几乎全部采用半导体存储器。存储容量和存取时间是存储器的两项重要指标，它们反映了存储记忆信息的多少与工作速度的快慢。半导体存储器根据应用可分为读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。

1．读写存储器 （ RAM ）

读写存储器又称随机存取存储器（Random Access Memory）简称RAM，它能够在存储器中任意指定的地方随时写入（存入）或读出（取出）信息；当电源掉电时，RAM里的内容则消失。根据存储单元的工作原理，RAM又分为静态RAM和动态RAM。静态RAM用触发器作为存储单元存放1和0，存取速度快，只要不掉电即可持续保持内容不变。一般静态RAM的集成度较低，成本较高。

动态RAM的基本存储电路为带驱动晶体管的电容。电容上有无电荷会被分别视为逻辑1和0。随着时间的推移，电容上的电荷会逐渐减少，所以为保持其内容必须周期性地对其进行刷新（对电容充电）以维持其中所存的数据。

（1）静态RAM

RAM的结构如图1-37所示。它由存储器矩阵，地址译码器和读/写控制电路等组成。

存储矩阵是存储器的主体，由若干个触发器存储单元组成，每个存储单元存放一位二进制信息。为了存取方便，存储单元通常设计成很规则的矩阵形式。例如，一个容量为256×4（256个字，每个字4位）的存储器有1024个存储单元，这些单元可排成32行×32列的矩阵形式，如图1-38所示。

图1-38中每行有32个存储单元（圆圈表示存储单元），可存储8个字，每4列为一个字列，可存储32个字。每根行选线选中一行，每根列选择线选中一个字列。因此，图示阵列有32根行选线和8根列选线。

RAM内容的存取是以字为单位的，为了区别不同的字，将存放同一个字的存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。存储单元是存储器中最基本的存储细胞，不同的单元有不同的地址。在进行读写操作时，可以按照地址访问某个单元。

地址的选择是借助于地址译码器实现的。在大容量的存储器中，通常采用双译码结构，即将输入地址分为两部分，分别由行译码器和列译码器译码。行、列译码器的输出即为存储矩阵的行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。

对于图1-38所示的存储矩阵，256个字需要8位二进制地址（A ₇ ~A ₀ ）区分（2 ⁸ =256）。其中地址码的低5位A ₀ ~A ₄ 作为行译码输入，产生32根行选择线，地址码的高3位A ₅ ~A ₇ 用于列译码输入，产生8根列选择线，只有被行选择线和列选择线都选中的单元，才能被访问。例如，若输入地址A ₇ ~A ₀ 为00011111时，X ₃₁ 和Y ₀ 输出高电平，位于X ₃₁ 和Y ₀ 交叉处的字单元此时可以进行读出或写入操作，而其余任何字单元都不会被选中。

由于集成度的限制，目前单片机RAM容量很有限，对于一个大容量的存储系统，往往需要若干片RAM组成，而读/写操作时，通常仅与其中的一片（或几片）打交道，这就存在一个片选问题。RAM芯片上特设了一根片选信号线，在片选信号线上加入有效电平，芯片即被选中，可进行读/写操作，未被选中的芯片则不工作。

片选信号仅解决芯片是否工作问题，而芯片执行读还是写操作则还需要有一根读写信号线，所以芯片上还没有读/写控制线。

Intel 2114A是一片1KB×4（1KB即1024个单元）位的静态RAM，它与TTL完全兼容。单接+5V电源。如图1-39所示其外形、逻辑符号和内部结构。

10根地址线A ₀ ~A ₉ 用于行译码，产生64根行选择线：A ₀ 、A ₁ 、A ₂ 、A ₉ 4根地址线用于列译码，产生16条列选线。每根列选择线同时接至4个基本存储电路，即4位。所以这种双译码结构可寻址64 × 16 × 4=4096个存储单元。 为片选信号线，输入低电平有效； 为低电平，则进行写操作；若使 为高电平则可进行读操作。读写的数据通过I/O ₁ ～I/O ₄ 送到数据总线上，由CPU读取。

6116、6264、62256、628128芯片分别是2KB×8、8KB×8、32KB×8和128KB×8的静态RAM，使用这些芯片时都不必外加刷新电路。

（2）动态RAM

静态RAM的存储单元所用管子数目多、功耗大、集成度低，而动态RAM集成度高，成本低、功耗也很低。动态RAM是一种以电荷形式存储信息的器件，其基本存储电路采用晶体管和电容。目前常用的动态RAM单元电路有两种，一种由三个CMOS管组成，另一种由一个CMOS管组成。

动态RAM的缺点是电容所存信息的电信号会逐渐漏掉。一般要求2 ms周期就要对所存信息全部刷新一遍。所以动态RAM要加有专门的刷新电路。但对大容量存储系统，附加刷新电路的成本会被其高集成度、低功耗和价廉等优点所补偿。

如Intel 2164A是16引脚双列直插动态RAM集成芯片，它采用单一+5V电源，其基本存储电路为单管型，它的引脚及结构可查看有关手册。

2．只读存储器 （ ROM ）

只读存储器简称ROM，用以存放不变信息——至少不经常改变的信息。与RAM不同，当ROM仍能保持内容不变。在读取某地址内客这一点，ROM类似于RAM。但ROM并不含修改其内容的结构——只读存储器的名称即由此而得。

一般ROM用来存储程序和一些固定的数据，比如计算机的系统程序、一些固定表格等。而RAM用于存储数据。

只读存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM和E ² PROM等。

（1）掩膜ROM

这种ROM基本存储电路的0或1两种状态，是在制造电路时由生产厂家根据用户提出的要求，通过掩膜技术制作或不制作晶体管栅极来实现0或1状态的。一旦制作完毕，存储内容即不可修改，大批量生产时成本很低。

（2）PROM

为了弥补掩膜ROM成本高和不能改变其内容的不足，出现了一种由用户编程且只能写入的一次的PROM。出厂时PROM设置为熔丝断裂型，未写入时每个基本存储电路都是一个带熔丝的晶体管或二极管。编程后丝断为“l”，未断者为“0”，用户用专用编程器进行编程时，对需写1的单元，通过大电流以熔断其熔丝，丝断后无法复原，因此只能写入一次。在软件开发过程中PROM比掩膜ROM方便价廉。

（3）EPROM

EPROM是一种可多次写入的ROM。其特点是写入的信息可以长期保存，这一点与掩膜ROM一样；与掩膜ROM不同的是，当不需要这些信息或欲进行修改时，可进行擦除和重写。EPROM芯片上开有一石英窗口，当芯片置于紫外线下照射时，高能光子将与EPROM中的电子相碰撞，将其驱散，于是以电荷形成存储的信息即被擦除。EPROM在开发样机时非常有用，因为在研制过程中数次修改程序的情况颇为常见。

现常用的EPROM型号有2732、2764、27128、27256、27514等，其容量分别为4KB、8KB、16KB、32KB、64KB等。以2732A为例，介绍该类芯片的结构及工作方式。图1-40所示2732A引脚及内部结构。它是以HMOS-E工艺制成的24引脚双列直插式芯片。其中A ₀ ～A ₁₁ 为13位地址线，O ₀ ～O ₇ 为8位数据线， 为芯片允许信号，低电平有效，该引脚在编程时亦作为编程电压输入引脚V _CC 和GND分别为+5 V电源和接地端。

2732A有六种工作方式，见表1-30。

读方式：2732A由 和 两条控制线控制。为在输出端读到数据，两者均必须输入低电平V _IL 。 为电源控制信号，用来进行器件选择。 为输出控制，用来把数据从输出缓冲器送往输出引脚，即送至数据总线。

2732A采用读方式读出时间约为250ns。

待机方式：若某2732A的 输入端为高电平，则它将处于待机方式。2732A的工作电流为125 mA，待机时的电流可降至35 mA。在这种方式下，输出呈高阻状态，且不受 限制。

输出禁止方式：多个2732A芯片的输出可以并联到数据总线上。在这种接法中，为使存储系统功耗最小并防止各存储芯片争夺总线资源，如果所有芯片的 都接地的话，则可向未被选中芯片的 端输入高电平，使其输出处于高阻状态，这便是输出禁止方式；而被选中芯片的 给低电平信号，因此，只有它的输出才能送往数据总线。但为更有效地利用 和 两条控制线，各片的 （脚18）通常通过译码得来。即在多个EPROM芯片中选中一个使之工作，而各片 （脚20）都接到控制总线的而线 上，这就保证未选中的EPROM处于低功耗待机方式，它们的输出为高阻状态。被选中芯片的 和 均为低电平，因此便将其数据送入数据总线。

编程方式：每次擦除后或新购2732A芯片的所有位均应为1。写入信息时，只是把应为0的位由1改为0。而应为1的位保持不变。当2732A处于编程方式时， 引脚加上21V电压。要求在 和GND两引脚间跨接一个0.1μF的电容，以抑制该两脚间可能产生的尖峰电压。否则，器件可能受损。将要写入的数据8位并行加到2732A的数据输出引脚上。地址与数据输入均为TTL电平。

编程禁止方式：当向多片并联的2732A写入不同数据时，除 引脚外，各片的所有同名引脚（包括 ）均呈并联状况。在 接21 V电压的情况下，向某2732A的 脚加一TTL电平的编程脉冲，将对该芯片进行写入。向其他2732A的 引脚输入高电平，则禁止对它们进行写入操作。

校验方式：每写入一个字节后都应校验所写内容是否有误。

读标识码方式：自1982年开始，Intel所生产的EPROM芯片都内含关于厂家及产品型号的标识码。2732A的两个标识字节为8901H；2764、27128和27256的标识分别为8902H，8983H和8904H。读标识应在25±5℃的环境下进行，地址线A ₉ （脚22）加11.5V~12.5V电压，其他地址线均为低电平V _1H 时，从输出端读到的第一个字节应为89H，代表Intel产品；当A ₀ 为高电平V _1H 而其他位不变时，得到第二个字节，对2732A来说，应为01H。

EPROM编程器可以通过读标识的方法来辨认EPROM芯片的型号，从而自动启动相应的编程算法。应当注意，对于不同容量的EPROM芯片来说，编程电压、编程脉冲不尽相同。2764以上的芯片除具有标准编程法（即每字节用50ms宽编程脉冲）外，尚有Intel编程法。例如，32KB的27256，若用Intel编程法只要5min即可写完。读者可以算出，用普通编程法需多长时间。

（4）E ² PROM。

E ² PROM是近几年出现的新产品。它既可以在线电擦除，又可以加电写入，并能在断电的情况下保持修改的结果，即具备信息不挥发的特性。它比紫外线擦除的EPROM要方便，可直接在2764插座上在程序运行过程中用电（即+5V工作时）进行改写，并且一次操作可单独改写几位或几个字节。改写与调整其内部数据十分方便。

常见的E ² PROM型号有2816（2KB×8），2817（2KB×8），2864（8KB×8），2864A等。图1-41所示为2817A的引脚与结构图。