第22章 半导体存储器

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第22章 半导体存储器

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千岛湖风光

22.1 只读存储器（ROM）

22.2 读写存储器（RAM）

22.3 存储器容量的扩展

思考

• 计算机中常见的存储器有哪些？

– 磁存储器（硬盘、软盘、磁带）

– 光存储器（光盘）

– 半导体存储器

• 为什么读写内存比读写硬盘速度快？

– 硬盘读写涉及到机、电、磁的配合，涉及机械 运动。

– 半导体存储器本质上就是一个具有数据输入输 出和存储功能的集成电路。

外存

内存

半导体存储器分类

1. 只读存储器（ROM，Read Only Memory)

（1）掩膜ROM

（2）可编程ROM(PROM)

（3）可紫外线擦除的PROM（EPROM)

（4）可电擦除的PROM（EEPROM, 或E

PROM)

（5）闪速存储器（Flash Memory）

2. 随机存取存储器(RAM, Random-Access Memory)

（1）静态RAM (SRAM, Static RAM)

（2）动态RAM (DRAM, Dynamic RAM)

关于三态门回顾

A Y

A Y

普通门电路

三态门电路

控制端高电平有效

控制端为低电平时 输出浮空（高阻状态）

控制端低电平有效

控制端为高电平时 输出浮空（高阻状态）

A

Y 

A

Y 

A Y 

A Y 

当控制端为 高电平时

A Y 

A Y 

当控制端为 低电平时

A Y

A Y

G

G 控制端

A Y

A Y

G G

三态门的使用

三态门电路的使用

普通门电路输

出端不能连在 一起，否则输 出端短路。

 以连在一起，但不能同时 ^{三态门电路输出端可} 开通，否则输出端短路。

Y A

B

G 控制信号

G=1时，Y=A G=0时，Y=B

G=0时，Y=A G=1时，Y=B Y A

B

G 控制信号

关于地址译码器回顾

2线— 4线译码器 型号: 74LS139 3 线— 8线译码器 型号: 74LS138 4 线— 16线译码器 型号: 74LS154

例如：2 线— 4线译码器

B

A

Y₁

Y₃ Y₀

Y₂

真值表

B A Y₃ Y₂ Y₁ Y₀

0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1

当输入不同编码时，输 出只有一位为0

地址线数n 寻址范围(可选择的单元数) n

2 3 4

16 (单片机) (1K=1024) 20(PC/XT) (1M=1KK) 26(PC586)

16 2 ⁴ 

4 2 ² 

8 2 ³ 

K 64 2 ¹⁶ 

M 1 2 ²⁰ 

M 64

2 ²⁶ 

2 n

开启电压U

=1~2V

I_D

U_GS U_GS（th）

I_DO

2U_GS（th）

关于场效应管回顾

S G D

N N

P

内部结构示意图

G

S D

I_D

U_DS U_GS

G

S D

R_D

V mA

测试电路

由 NMOS 场效应管构成的开关电路

A=+5V时，场效应管导通，相当于开关闭合 A= 0V时，场效应管阻断，相当于开关断开

A G

S D +5V

R

增强型NMOS管 增强型NMOS管

转移特性曲线 I_D

U_GS U_GS（th）

I_DO

2U_GS（th）

开启电压U

=1~2V

由 PMOS 场效应管构成的开关电路

A G

S

D +5V

R

增强型PMOS管

A=+5V时，U_GS

=0V，场效应管阻断，相当于开关断开

=5V，场效应管导通，相当于开关闭合

I_D

U_GS U_GS（th）

增强型PMOS 管转移特性

U_GS（th）＝－2V

由增强型NMOS管构成的非门和触发器

A

Y  若A=1,，则B=0，稳定

若A=0,，则B=1，稳定

相当于一个电阻

A

S D

G

G S

D

+5V

Y

负载管

非门

A

S D

G

S D

+5V

B

S D

G

G S

D

G

触发器

CMOS（PMOS+NMOS)非门

A Y 

A NMOS PMOS Y 0 断 通 1 1 通 断 0

A

S

D G

G S

D

+5V

Y

NMOS

PMOS

思考

• 用D触发器构成的寄存器进行数据存储可不 可以？

Q D R

Q D

内部有8个D触发器 R

CP

1D 8D

CLR

GND Vcc 1Q

2D 3D 4D 5D 6D 7D

2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q

22.1 只读存储器（ROM）

只读存储器（ Read Only Memory，ROM）

功能：存储程序或数据，掉电后仍保留

只读存储器分类：

（1）掩膜ROM

（2）可编程ROM(PROM)

（3）可紫外线擦除的PROM（EPROM)

（4）可电擦除的PROM（EEPROM, E

PROM)

（5）闪速存储器（Flash Memory）

1 二极管阵列的掩膜ROM

A₁A₀ W₃W₂ W₁ W₀ D₃D₂D₁D₀ 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0

每个单元所存数据

二极管 存储阵列

输出 三态门 位线(Y)

字线(X)

22.1.1 掩膜ROM

地 址 线

数据线 输出使能

片选信号

字地址译码器

W₀

W₁

W₂

W₃ A₁

A₀

D₃ D₂ D₁ D₀

OE

CE

接 有 二 极 管 的 位 ， 存 储 的 是 1； 未 接 二 极 管的位存储的是0。

地址译码器输 出W=1有效

1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1

2 MOS管阵列的掩膜ROM

0单元－0001 1单元－1010

2单元－0011 3单元－1100

原理：接有FET的位，存储的是

未接FET的位，存储的是

场效应管 存贮阵列

字地址译码器

W₁

W₂ W₃ A₁

A

数据线

+V

输出三 态门

字线（X）

D₃ D₂ D₁ D₀

输出使能 OE

片选信号 CE

1

地址线

地址译码器输 出W=1有效

0 1

22.1.2 可编程ROM(PROM)

字线(X)

位线(Y)

熔断丝 ^{（1）出厂时所有二极} _{管都串有熔丝，因此}

所有位存的都是1。

熔丝式PROM原理 回忆：二极管阵列ROM

接有二极管的位，存储的 是1；未接二极管的位存储 的是0。

熔丝式PROM电路原理

（2）编程时用专用

可将指定的熔丝熔断。

（3）熔断后的位存的是 0，未熔断的位存的是1。

（4）编程是一次性的。

编程器包括硬 件板和软件，电 子市场有售。

22.1.3 可紫外线擦除PROM——EPROM

P沟道EPROM结构示意图

电极

P P

N基体 S D

SiO

浮空多晶硅栅

EPROM管 字 线

位线 +V

EPROM电路结构及编程原理

用紫外线照射十几分钟后，使浮空多晶硅栅中的电子泄漏，称 为“擦除”，擦除后可重新编程。

EPROM编程原理

对EPROM管进行编程时，地址译码器选中该单元，并在D和S之间 加上V_PP=+25V的高电压并加上编程脉冲。

 ^编程电源

V

电极

P P

N基体 S D

SiO

浮空多晶硅栅

－－－－－

0 1

EPROM管 

字 线

+V

+ + + + +

导电通道

使D和S被瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入到浮空多晶硅栅中，当高 压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，注入的电子不会泄露，硅栅就为负。

于是在两个P区之间就形成了导电沟道，从而使EPROM管导通。

因此该单元存贮的内容被改写为“0”，而没有选中的单元存贮的内容仍为“1”。

编程：

擦除：

22.1.4 可电擦除

E ² PROM电路结构 自学

漏极D

P基体

SiO₂ N N

控制栅 G_C

浮置栅G_f 源极S

隧道区

D

S G_C

位线 字线

G_C T₁ T₂

负载管 +V_DD

22.1.5 闪速存储器 自学

D

S G_C

S D

SiO₂ 浮置栅

源极 控制栅 漏极 G_C

隧道区 P基体

N N

闪速存储器的存储单元

负载管

位线 字线

+V_DD

闪速存储管

闪速存储管的符号 U盘、SD卡、CF卡、记忆棒、SSD硬盘…

Intel公司的EPROM类型

常用的Intel公司的EPROM的型号及容量如下：

型号 容量

2716 2K×8位 2732 4K×8位 2764 8K×8位 27128 16K×8位 27256 32K×8位

2716

2764

石英玻璃窗（擦除时照 射紫外线用，编程后用 不干胶封上，防止光线 照射使数据丢失）

集成电路（约4mm

6mm）

EPROM 2716引脚图 (2K8bits)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 A7

A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GND

2716引脚图

V

A8 A9 V

OE A10 CE/PGM O7 O6 O5 O4 O3

工作电源＋5V

编程电源＋25V

片选信号（低电平有效）/编程控制 输出使能信号（低电平有效）

A10~A0 11位地址

O7~O0 8位数据

EPROM 2716内部结构框图

16K位 存储矩阵 (128128) X地址

译码器

Y地址 译码器

输出缓冲器 A

～A

A

～A

Y门

片选及 编程逻辑

O

～O

OE

CE/PGM

816

8

  128

片选信号

输出使能信号

控制信号 三态门

8位输出数据 11位地址信号

2K8bits=102428bits=16Kbits=128128

22.3.1 EPROM片选信号地址译码器设计

例1 用4片EPROM2716(2K8bits)组成8K的程序存储器，输

入13位地址为A

~A

，用2－4译码器74139作为片选地址译码器。

画出接线图，并用16进制写出每片EPROM的地址范围。

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#3 A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#0

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#1

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#2

数据总线 读信号线 A₁₀~A₀

G 1B

1A

Y0

Y1

Y2

Y3

74139 A₁₁

A₁₂

A₁₂ A₁₁

Y0 Y₁ ^Y₂ Y₃ 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0

关于十六进制码补充

4位二进制 1位十六进制

0000 0

0001 1

0010 2

0011 3

0100 4

0101 5

0110 6

0111 7

1000 8

1001 9 1010 A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F

例：将16位二进制码写成4位 16进制码

1101 0101 0111 1011B

=D57BH

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#3 A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#0

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#1

A₁₀~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM2716

#2

数据总线 读信号线 A₁₀~A₀

G 1B

1A

Y0

Y1

Y2

Y3

74139 A₁₁

A₁₂

例1 EPROM片选译码器设计(续）

A₁₂ A₁₁

Y0 Y₁ ^Y₂ Y₃ 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0

A

A

A

~A

地址范围 0 0

0 0

00000000000~

11111111111

0000H~

07FFH 0 1

0 1

00000000000~

11111111111

0800H~

0FFFH 1 0

1 0

00000000000~

11111111111

1000H~

17FFH 1 1

1 1

00000000000~

11111111111

1800H~

1FFFH

例2 用4片EPROM27128(16K8bits)组成64K的程序存储器，

输入16位地址为A

~A

，用2－4译码器74139作为片选地址译码 器。画出接线图，并用16进制写出每片EPROM的地址范围。

A₁₃~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM27128

#3 A₁₃~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM27128

#0

A₁₃~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM27128

#1

A₁₃~A₀

O₇~O₀

CE OE

EPROM27128

#2

数据总线 读信号线 A₁₃~A₀

G 1B

1A

Y0

Y1

Y2

Y3

74139 A₁₄

A₁₅

#3: 1100000000000000B~1111111111111111B, C000H~FFFFH

#2: 1000000000000000B~1011111111111111B, 8000H~BFFFH

#1: 0100000000000000B~0111111111111111B, 4000H~7FFFH

#0: 0000000000000000B~0011111111111111B, 0000H~3FFFH 地址范围

22.2 随机存取存储器（RAM）

随机存取存储器

（ Random Access Memory，RAM）

功能：存储程序或数据，可随机读写，掉电后消失

RAM分类

（1）静态RAM（不需要刷新逻辑）

(a) TTL集成电路（集成度小(256  8)，速度快25ns）

(b) ECL集成电路（集成度小(256  8) ，速度最快10ns）

(c) MOS集成电路（集成度大(64k  8) , 速度>100ns)

（2）动态RAM （需要刷新逻辑）

MOS集成电路(128M1bit, 256M1bit)

RAM用途

静态RAM：集成度低，用于单片机系统

动态RAM：集成度高，用于PC机系统（内存条）

触发器

22.2.1 静态RAM

Xi +V_CC

D T₂ D

T₁ T₄

T₃

T₅ T₆

Yi 接X地址

译码器

接Y地址译码器

输入输出数据I/O

写控制WE

1

#1 #2 #3

Q Q

T₇ T₈

读控制OE 选通时为1

选通时为1

0有效 0有效

MOS静态RAM的结构

开关 开关

开关 开关

MOS静态RAM存储单元的 写

Xi

+V_CC

D T₂ D

T₁ T₄

T₃

T₅ T₆

Yi 接X地址

译码器

接Y地址译码器

输入输出数据I/O

写控制 WE

1

#1 #2 #3

Q Q

T₇ T₈

读控制 OE

例：写入数据1

1

0 1

0 1

0 1 1

1

0 1

MOS静态RAM存储单元的 读

Xi

+V_CC

D T₂ D

T₁ T₄

T₃

T₅ T₆

Yi 接X地址

译码器

接Y地址译码器

输入输出数据I/O

写控制 WE

1

#1 #2 #3

Q Q

T₇ T₈

读控制 OE

1

0 1

0 1

1 0 1

1

0 1

设存储数据为Q=1

常用静态RAM的型号

（1）常用的静态RAM有以下几种：

型号 容量

2114 1K×4bits 6116 2K×8bits 6264 8K×8bits

（2）静态RAM的引脚

A₁₀~A₀

I/O₇~I/O₀ OE

CE 地址

片选 读控制

数据 RAM6116

写控制 _WE

A₁₂~A₀

I/O₇~I/O₀ OE

CE 地址

片选 读控制

数据 RAM6264

写控制 _WE

A₉~A₀ W R /

CE 地址

片选 读/写

数据 RAM2114

I/O₃~I/O₀

10 11 13

22.3.2 静态RAM片选信号地址译码器设计

例1 用4片静态RAM2114(1K4bits)组成2K 8bits的数据存储 器，输入11位地址A

~A

和8位数据D

~D

，用与非门设计片选 地址译码器。画出接线图，并用16进制码写出每1K 8bitsRAM 的地址范围。

A

~A

A₉~A₀

I/O₃~I/O₀ W

R /

CE

RAM2114

A₉~A₀

W R /

CE

RAM2114

A₉~A₀ W R /

CE

RAM2114

A₉~A₀

W R /

CE

RAM2114

D

~D

D

~D

1

I/O₃~I/O₀ I/O₃~I/O₀ I/O₃~I/O₀

A

地址译码器

000 0000 0000B～ 011 1111 1111B

=000H~3FFH

100 0000 0000B～ 1 11 1111 1111B

=400H~7FFH

例2 用8片静态RAM6264(8K8bits)组成64K 8bits的数据存储器，输入16位地 址A15~A0和8位数据D7~D0 ，用74LS138设计片选地址译码器，画出接线图，并 用16进制码写出每片6264的地址范围。

静态RAM片选信号地址译码器设计

C B A Y₇ ~ Y₀

0 0 0 仅Y₀ 为0，其他都为1

1 1 1 仅Y₇为0，其他都为1 74LS138功能表

若G₁为低电平，或G_2A、 G_2B之一为高电平，则输出 全为1。

若G₁、G_2A、G_2B全为有效 电平时，功能表如下：

A G₂A

3线－8线译码器 74LS138 G₁

C B

Y0

G₂B

地址 +5V

Y1

Y7

Y4

Y3

Y2

Y6

Y5

读控制

RD

写控制

WR

例2 用8片6264(8K8bits)组成64K 8bits的数据存储器

A₁₂

~A

D₇

~D

6264

I/O₇~I/O₀ CE

#0

WE OE

A₁₂~A₀

6264

I/O₇~I/O₀ CE

#1

WE OE

A₁₂~A₀ 6264

I/O₇~I/O₀ CE

#7

WE OE

A₁₂~A₀

A G₂A

G₁

C B

Y0

G₂B

+5V

Y1

Y7

Y4

Y3

Y2

Y6

Y5

A₁₅ A₁₄ A₁₃

74LS138

#0存储器地址范围

A₁₅A₁₄A₁₃ A₁₂ ~ A₀ A₁₅A₁₄A₁₃ A₁₂ ~ A₀

0 0 0 0

0 0 0 0 1

1

=0000H ~ 1FFFH

例2 用8片6264(8K8bits)组成64K 8bits的数据存储器 （续）

地址范围

A₁₅A₁₄A₁₃ A₁₂ ~ A₀ A₁₅A₁₄A₁₃ A₁₂ ~ A₀ 存储器

编号

#1：0010 0000 0000 0000B～ 001 1 1111 1111 1111B=2000H~3FFFH

#2：0100 0000 0000 0000B～ 0101 1111 1111 1111B=4000H~5FFFH

#3：0110 0000 0000 0000B～ 011 1 1111 1111 1111B=6000H~7FFFH

#4：1000 0000 0000 0000B～ 1001 1111 1111 1111B=8000H~9FFFH

#5：1010 0000 0000 0000B～ 1011 1111 1111 1111B=A000H~BFFFH

#6：1100 0000 0000 0000B～ 1101 1111 1111 1111B=C000H~DFFFH

#7：1110 0000 0000 0000B～ 111 1 1111 1111 1111B=E000H~FFFFH

#0：0000 0000 0000 0000B～ 0001 1111 1111 1111B=0000H~1FFFH

存储器(ROM,RAM)片选地址译码器 习题类型

1. 设计题：给出地址范围和使用芯片，画电路图

2. 分析题：给出电路图，分析存储器的地址范围

存储器片选地址译码器设计题

RD WR

1. 设计：用2片EPROM 2764和2片RAM 6264组成含有16KB程序存贮器和16KB 数据存贮器的电路，要求EPROM的起始地址为0000H，RAM的起始地址为

8000H。地址总线为A₁₅-A₀，数据总线为D₇-D₀，读控制线为 ，写控制线为 。

读控制

RD

写控制

WR

A

A

A

A G₂A

74138 G₁

C B

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

G₂B

＋5V

A

~A

D

~D

2764

O₇~O₀ CE_OE

#0

A₁₂~A₀

2764

O₇~O₀ CE_OE

#1

A₁₂~A₀ 6264

I/O₇~I/O₀ CE

#1

WE OE

A₁₂~A₀ 6264

I/O₇~I/O₀ CE

#0

WE OE

A₁₂~A₀

#0：0000 0000 0000 0000B～

#1：0010 0000 0000 0000B～

1 1111 1111 1111B=2000H~3FFFH

#3：1000 0000 0000 0000B～

#4：1010 0000 0000 0000B～

1 1111 1111 1111B=A000H~BFFFH

存储器片选地址译码器分析题

2. 如图所示电路，由1片EPROM 27256（32K×8bit）

和1片RAM 6264（8K×8bit）组成的程序、数据存贮电 路，试分析27256和6264的地址范围，用十六进制数表 示。

A₁₅

A₁₄ A₁₃

A₁₂-A₀

数据总线D₇-D₀ 读控制线RD 写控制线WR

CE EPROM

A₁₄-A₀

O₇-O₀ OE

（27256）

CE RAM

A₁₂-A₀

I/O₇-I/O₀ OE

（ 6264 ）

WE

&

地址总线A₁₄-A₀ 地址总线A₁₅-A₁₃

1

例 8位D/A转换器DAC0832应用举例－信号发生器

11

计数器741633片 时钟脉冲发生器

（振荡器）

示波器

8

EPROM2716

O₇~O₀

CE

+5V

V_CC

OE

A₁₀~A₀

GND

u_o

低通滤波器

如何制造一个 三角波？

+5V

+ -

　 +



D₇~D₀

I_out1 I_out2 R_fb

AGND DGND V_REF V_CC

ILE CS WR₁

WR₂ XFER

DAC0832

+5V

+V