微机原理与接口技术学习笔记 典型的半导体存储

3.2.1 RAM芯片的内部结构

    典型的RAM芯片内部结构框图如图3-3所示。

    在容量较大的存储器中，往往把各个存储字的同一位组织在一个存储芯片中，图3-3的存储体中有1024个存储单元，是1024个存储字中的同一位，每一个存储单元存储一位信息，如果存储字为N位字长，则由N个这样的RAM芯片可组成1024个N位存储字。图中1024个存储单元通常排列成矩阵形式，即32*32矩阵，10条地址线（A4～AO）分为行线和列线（A9～A5），由行线（X选择线）和列线（Y选择线）的重叠来选择所需要读写的存

图3－3 典型的RAM内部结构示意图

储单元，这样可以简化译码电路和驱动电路。

    1．SRAM的存储单元

    存储单元是构成存储器的最基本的单位，用以存储一位二进制信息。大量的存储单元有规则地结合就是一个“存储体”。典型的静态RAM存储单元如图3-4所示，这是一个6管静态存储单元。

图3-4  六管静态存储单元

    图中，T1、T2为放大管，T3、T4为负载管，这4个MOS管组成一个RS触发器O T5、T6是行选门控管，行选信号为高电平时，T5、T6管才导通。T7、T8是列选门控管，列选信号为高电平时，T7，T8管才导通。只有行、列选信号同时为高电平时，触发器才能与数据线接通，进行读写操作，图3-4中虚线框内T1～T6构成一个存储单元。

    2．单管DRAM的存储单元

    单管DRAM的存储单元如图3-5所示。该存储单元中只有一个门控管Ts，信息存放在分布电容Cs上，当Ds上充有电荷时，表示其上存储的信息为“1”，当电容无电荷时，表示其上存储的信息为“0”。

    这种存储单元除了要刷新外，还要解决一个问题，这就是Cs上表示“1”的信号电平太低，只有0.2V左右，读出Cs还要与数据线上的分布电容进行分压，真正输出的高电平只有0.1V左右，因此需要对输出信号进行放大。另外，Cs上信号被读出后，“1”电平也由0.2V变为0.1V，所以这种电路是一种破坏性读出电路，读后必须重写，用单管动态存储单元组成的DRAM芯片中有一个灵敏再生放大器，用来实现存储单元信息放大和动态刷新。

图3-5  单管存储单元

    3.2.2 RAM典型芯片举例

     1.SRAM 芯片HM6ll6

    HM6ll6是一种2048*8位的高速静态CMOS随机存取存储器，其基本特征是：

    （1）高速度——存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns（分别以6116-10、6116-12、

6116-15、6116-20为标志）；

    （2）低功耗——运行时为150mW，空载时为100mW；

    （3）与TTL兼容

    （4）管脚引出与标准的2K*8的芯片（例如2716芯片）兼容；

    （5）完全静态——无需时钟脉冲与定时选通脉冲。

    HM6ll6的引脚排列见图3-6。

    HM6ll6的内部功能框图如图3-7所示。
 

        图3-6 HM6ll6的引脚排列                                                                图3-7 HM6ll6的内部功能框图

    HM6116芯片的存储容量为2K*8位，片内有16384（即16K）个存储单元．排列成128*128的矩阵，构成2K个字，字长8位，可构成2KB（B——字节）的内存。该芯片有11条地址线，分成7条行地址线A4～AO，4条列地址线A0～A3，一个11位地址码选中一个8位存储字，需有8条数据线I/O1～I/O8与同一地址的8位存储单元相连，由这8条数据线进行数据的读出与写入。

    从图3-7可见，6116的24个引脚中除11条地址线、8条数据线、l条电源线Vcc和1条接地线GND外，还有3条控制线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE。这3个控制信号的组合控制6116芯片的工作方式，如表3-1所示

      表3-1  6116的工作方式

    2.DRAM芯片2164

    DRAM2164是64K*1位的芯片．其基本特征是：

    （1）存取时间为150ns/200ns（分别以2164A-15，2164A-20为标志）；

    （2）低功耗．工作时最大为275mw．维持时最大为27.5mw；

    （3）每2ms需刷新一遍，每次刷新512个存储单元，2ms内需有128个刷新周期。

    Intel 2164A的引脚排列见图3-8。

    Intel 2164A的内部功能框图如图3-9所示。

图3-8 Intel 2164A的引脚脚排列

            由图3-9可见，2164A的片内有64K（65536）个内存单元，有64K个存储地址，每个存储单元存储一位数据，片内要寻址64K个单元，需要16条地址线，为了减少封装引脚，地址线分为两部分——行地址和列地址，芯片的地址引脚只有8条，片内有地址锁存器，可利用外接多路开关，由行地址选通信号RAS将先送入的8位行地址送到片内行地址锁存器，然后由列地址选通信号CAS将后送入的8位列地址送到片内列地址锁存器。16位地址信号选中64个存储单元中的一个单元。

    2164A芯片中的64K存储体由4个128 * 128的存储矩阵组成，每个128 * 128的存储矩阵，由7条行地址和7条列地址进行选择。7位行地址经过译码产生128条选择线，分别选择128行中的一行；7位列地址经过译码产生128条选择线，分别选择128列中的一列。7位行地址RA0～RA6（即地址总线的AO～A6）和7位列地址CA0～CA6（即地址总线的A8～A14）可同时选中4个存储矩阵中各一个存储单元，然后由RA7与CA7（即地址总线中的A7和A15）经1：4 I/O门电路选中1个单元进行读写。而刷新时，只送入7位行地址同时选中4个存储矩阵的同一行，即对4*128=512个存储单元进行刷新。

    Intel 2164A的数据线是输入和输出分开的，由WE信号控制读写。当WE=高电平时，为读出，所选中单元的内容经过输出三态缓冲器，从Dout引脚读出；当WE=低电平时，为写入，Din引脚上的内容经过输入三态缓冲器，对选中单元进行写入。

    Intel 2164A芯片无专门的片选信号，一般行选通信号和列地址选通信号也起到了片选的作用。与2164A有相同引脚的芯片有MN4164等。

    3.2.3  ROM芯片的结构，工作原理及典型产品

    1．ROM芯片的组成和基本存储单元

    只读存储器（ROM）的组成框图如图3-10所示，由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和输出电路等4部分组成。

    不可改写的ROM存储单元见图3-11，一个存储单元由3个MOS管组成，其中T0是负载管、T1是列选开关管、T2是存储信息的MOS管，其栅极的接通表示“0”状态、断开表示“1”状态。T2管栅极的通断是由芯片生产厂在制造过程中写入程序是根据代码的“0”和“1”予以熔断或不予熔断，MOS管T2栅极一旦熔断后就不能再予以接通，这是不可改写的ROM结构。
                     
                         
                         图3-10 ROM芯片的组成框图                             图3-11 不可改写的ROM存储单元

   2．EPROM芯片Intel 2732A

    Intel 2732A是一种4K * 8位的EPROM，其存取时间为250ns和200ns，在同8086-2（8MHz）CPU接口时，无需插入等待周期即可正常工作。Intel2732A的引脚排列和功能框图如图3-12所示。
             

 图3-12   Intel 2732A的引脚排列和功能框图

    （1）引脚功能。2732A的存储容量为4K * 8位，有12条地址线A11～A0，8条数据线O7～O0。2条控制线中CE为芯片允许线，用来选择芯片；OE为输出允许线，用来把输出数据送上数据线，只有当这两条控制线同时有效时，才能从输出端得到读出的数据。

    （2）工作方式。 2732A有6种工作方式：

    ①读方式。2732A有两条控制信号——CE和OE，在地址信号稳定后，只有在CE和OE同时为低电平时，2732A处于读方式。

    ②待用方式。当CE信号为TTL的高电平时，2732A处于待用状态（又称为静止等待方式），这时输出端呈现高阻抗，且不受OE的影响，在待用方式下，工作电流从125mA降到35mA。

    ③编程方式。当OE／Vpp引脚加上21V电压时，2732A为编程方式，为防止瞬时的高电压，应在OE/Vpp端与地址间接入一个0.1μF的电容器。欲写入的数据以8位并行方式加到数据输出引脚上，地址和数据电平与TTL相同。

    当地址和数据稳定后，一个50ms的、低电平有效的TTL的编程脉冲必须加到CE端上，每一个这样的脉冲控制向一个地址中写入一个8位数据。于是编程可在任何时刻，以单地址、顺序多地址或随机地址的方式、在任意的位置上进行，编程脉冲最宽可以到55ms。注意，用直流信号不能替代编程脉冲对2732A进行编程。

    由于编程操作简单，对多个并联的2732A用同样的数据进行编程是很方便的，可把各个2732A的相同引脚连接起来，用低电平的TTL脉冲加到并联的CE上即可。

    编程之后应检查编程的正确性，当OE/Vpp和CE都为低电平时，可对编程进行检查。

    ④编程禁止方式。当OE／Vpp加上21V电压，CE加上高电平时，处于不能进行编程方式，输出为高阻态。    ⑤Intel标识符方式。当地引脚加上高电平，CE、OE为低电平时，处于Intel标识符方式、可从数据线上读出制造厂和器件类型的编码。

    各种工作方式示于表3-2中。

         表3-2 2732A的方式选择

      3．EPROM 芯片使用时要注意的问题

    为防止EPROM的永久性损坏，必须注意：

    （1）Vpp端加有+25V或+21V电压时．不能插或拔EPROM芯片，只有在关掉+25V或+21V电压时才能插或拔。

    （2）加电时．必须先加Vcc（+5V）后，再加Vpp（+25V或+21V）：关掉时，则必须先关 Vpp，再关Vcc。

    （3）当CE为低电平时、Vpp不能在低电平和+25V（或+21V）之间转换。

    内存条是一个以小型板卡形式出现的存储器产品。它的特点是安装容易，便于用户进行更换．也便于增加或扩充内存容量。内存条的容量有多种不同的选择，如16MB、32MB。64MB等，用户可以根据容量要求进行选择。在选择内存条的时候，还要注意存储器芯片的类型、芯片的工作速度以及引脚线的类型。

以前PC机中使用的内存条是单边连线的存储模块，简称SIMM（Single-Inline Memory Module）。例如在386中使用的内存条。这种内存条尺寸比较小，是一块小型印刷板，上面有存储器芯片。小印刷板的一边有30条引脚。便于插入主板的插座上。这种内存条的一个缺点是只有8位数据线，在32位的PC机中需要用4条内存条或者8条内存条才能构成32位的内存。为了提高内存条使用的灵活性，在486的PC机中出现了一种新的内存条标准。它的长度更长，采用72条引脚。这样，内存条中就可以安排32位数据的引脚。这72条引脚安排在内存条的一面，尽管在内存条另一面看上去也有引脚，但两面的引脚是一样的。采用这种内存条后，在32位的PC机中就只需一条内存条就可以使PC机工作了。用户还可以根据需要增加内存条的数量，486PC机的主板中一般设置4个内存条的插座。这种内存条的标准在许多奔腾级PC机中也广泛采用。但是奔腾处理机的数据总线是64位的，所以需要采用两条这种SIMM内存才能使机器工作，而且这两条内存条必须是相同容量的。

    为了适应奔腾系列PC机的需要，人们设计了一种64位的内存条。这种内存条采用168条引脚，由于引脚数量众多，为了不使内存条太长，所以采用双面连线的方法。这样就形成了双边连线存储模块，简称DIMM（Dual-Inline Memory Module），见图3-13。在带有奇偶校验时DIMM内存条的数据线为72位。在64位总线的PC机中，只用一条这种内存条就可以使PC机工作。而且不同容量的内存条可以混合使用。所以，它比SIMM更具有灵活性。DIMM内存条与SIMM内存条的另一个区别是它支持3.3伏电源，因为奔腾系列的CPU广泛采用3.3伏的工作电压，而SIMM内存条的工作电压为5伏。

    此外，内存条有2片式和3片式的，也有8片式和9片式的（图3-14）。一般而言，9片式的和3片式的内存条是带有奇偶校验的，而8片式的和2片式的内存条是否带奇偶校验要看使用的存储器芯片本身是否带校验位。不过要注意的是，在某些看来是带校验的伪劣内存条中，增加的一个芯片有可能是假芯片或者坏芯片，这要通过专门的设备检测才能确定。