ROM存储器内涵EPROM2716存储器的介绍

课堂教学实施方案授课时间：课题：只读存储器ROM、主存储器的设计5.3只读存储器ROM指在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器，在不断发展变化的过程中，ROM器件也产生了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM等各种不同类型。一、掩模ROM如图4-11所示，是一个简单的4×4位的MOSROM存储阵列，采用单译码方式。这时，有两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。此时，若有管子与其相连（如位线1和位线4），则相应的MOS管就导通，这些位线的输出就是低电表平，表示逻辑“0”；而没有管子与其相连的位线（如位线2和位线3），则输出就是高电平，表示逻辑“1”。二、可编程的ROM掩模ROM的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已经固定下来了，这给使用者带来了不便。为了解决这个矛盾，设计制造了一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件，即可编程的ROM，又称为PROM。PROM的类型有多种，我们以二极管破坏型PROM为例来说明其存储原理。这种PROM存储器在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存储内容均为“1”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位就意味着写入了“1”。读出的操作同掩模ROM。除此之外，还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入电路产生脉冲电流，来烧断P+P+AlSiO2SD浮空多晶硅栅N基体字线EPROM(a)(b)位线指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。对PROM来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种ROM器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。三、可擦除可编程的ROM1．基本存储电路可擦除可编程的ROM又称为EPROM。它的基本存储单元的结构和工作原理如图4-12所示。与普通的P沟道增强型MOS电路相似，这种EPROM电路在N型的基片上扩展了两个高浓度的P型区，分别引出源极（S）和漏极(D)，在源极与漏极之间有一个由多晶硅做成的栅极，但它是浮空图图4-12P沟道EPROM结构示意图的，被绝缘物SiO2所包围。在芯片制作完成时，每个单元的浮动栅极上都没有电荷，所以管子内没有导电沟道，源极与漏极之间不导电，其相应的等效电路如图4-12(b)所示，此时表示该存储单元保存的信息为“1”。向该单元写入信息“0”：在漏极和源极（即S）之间加上十25v的电压，同时加上编程脉冲信号(宽度约为50ns)，所选中的单元在这个电压的作用下，漏极与源极之间被瞬时击穿，就会有电子通过SiO2绝缘层注入到浮动栅。在高压电源去除之后，因为浮动栅被SiO2绝缘层包围，所以注入的电子无泄漏通道，浮动栅为负，就形成了导电沟道，从而使相应单元导通，此时说明将0写入该单元。清除存储单元中所保存的信息：必须用一定波长的紫外光照射浮动栅，使负电荷获取足够的能量，摆脱SiO2的包围，以光电流的形式释放掉，这时，原来存储的信息也就不存在了。由这种存储单元所构成的ROM存储器芯片，在其上方有一个石英玻璃的窗口，紫外线正是通过这个窗口来照射其内部电路而擦除信息的，一般擦除信息需用紫外线照射l5~20分钟。2．EPROM芯片Intel2716Intel2716是一种2K×8的EPROM存储器芯片，双列直插式封装，24个引脚，其最基本的存储单元，就是采用如上所述的带有浮动栅的MOS管，其它的典型芯片有Ietel2732/27128/27512等。(1)．芯片的内部结构Intel2716存储器芯片的内部结构框图如图4-13(b)所示，其主要组成部分包括：A1A2A3A4A5A6A7O1O2O0A0地VCCA8A9VPPOEA10CEO7O6O5O4O3VCC地VPPOEOE输出允许片选和编程逻辑译码yx译码输出缓冲.........门y16KBit存储矩阵地址输入~数据输出O0O7~A0A10123456789101112131415161718192021222324(a)引脚分配图(b)内部结构框图图4-13Intel2716的内部结构及引脚分配•存储阵列；Intel2716存储器芯片的存储阵列由2K×8个带有浮动栅的MOS管构成，共可保存2K×8位二进制信息；•X译码器：又称为行译码器，可对7位行地址进行译码；•Y译码器：又称为列译码器，可对4位列地址进行译码；•输出允许、片选和编程逻辑：实现片选及控制信息的读/写；•数据输出缓冲器：实现对输出数据的缓冲。(2)．芯片的外部结构：Intel2716具有24个引脚，其引脚分配如图4-13(a)所示，各引脚的功能如下：•Al0~A0：地址信号输入引脚，可寻址芯片的2K个存储单元；•O7~O0：双向数据信号输入输出引脚；•CE：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚转入低电平时，才能对相应的芯片进行操作；•OE：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输出；•Vcc：+5v电源，用于在线的读操作；•VPP：+25v电源，用于在专用装置上进行写操作；•GND：地。(3)．Intel2716的工作方式与操作时序①读方式这是Intel2716连接在微机系统中的主要工作方式。在读操作时，片选信号CE应为低电平，输出允许控制信号OE也为低电平其时序波形如图4-14所示。读周期由地址有效开始，经时间tACC后，所选中单元的内容就可由存储阵列中读出，但能否送至外部的数据总线，还取决于片选信号CE和输出允许信号OE。时序中规定，必须从CE有效经过tcs时间以及从OE有效经过时间tOE，芯片的输出三态门才能完全打开，数据才能送到数据总线。上述时序图中参数的具体值，请参考有关的技术手册。除了读方式外，2716还有如下工作方式：②禁止方式；③备用方式；④写入方式；⑤校核方式；图4-14Intel2716读时序波形⑥编程。四、电可擦除可编程序的ROM(ElectronicErasibleProgrammableROM)电可擦除可编程序的ROM也称为EEPROM即E2PROM。E2PROM管子的结构示意图如图4-15所示。它的工作原理与EPROM类似，当浮动栅上没有电荷时，管子的漏极和源极之间不导电，若设法使浮动栅带上电荷，则管子就导通。在E2PROM中，使浮动栅带上电荷和消去电荷的方法与EPROM中是不同的。在E2PROM中，漏极上面增加了一个隧道二极管，它在第二栅与漏极之间的电压VG的作用下（在电场的作用下），可以使电荷通过它流向浮动栅（即起编程作用）；若VG的极性相反也可以使电荷从浮动栅流向漏极（起擦除作用），而编程与擦除所用的电流是极小的，可用极普通的电源就可供给VG。E2PROM的另一个优点是：擦除可以按字节分别进行（不像EPROM，擦除时把整个芯片的内容全变成“1”）。由于字节的编程和擦除都只需要10ms，并且不需特殊装置，因此可以进行在线的编程写入。常用的典型芯片有2816/2817/2864等。五、快擦型存储器(F1ashMemory)快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机(膝上型、笔记本型等)存储器市场，但价格较贵。...............地址有效地址输出高阻高阻有效输出CEOEtACCtCEtOEn+n+场氧化物门氧化物基体P第一级多晶硅（浮空栅）第二级多晶硅隧道氧化硅+VG+VD快擦型存储器具有EEPROM的特点，又可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。快擦型存储器可替代EEPROM，在某些应用场合还可取代SRAM，尤其是对于需要配备电池后援的SRAM系统，使用快擦型存储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点，能满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的ROM，以便随时写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打印机、条形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。典型的芯片有27F256/28F016/28F020等。5．4．2存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接微机系统的规模、应用场合不同，对存储器系统的容量、类型的要求也必不相同，一般情况下，需要用不同类型，不同规格的存储器芯片，通过适当的硬件连接，来构成所需要的存储器系统，这就是本节所需要讨论的内容。一、存储器芯片与CPU的连接1．引言在微型系统中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括：•地址线的连接；•数据线的连接；•控制线的连接；在连接中要考虑的问题有以下几个方面：2．CPU总线的负载能力在设计CPU芯片时，一般考虑其输出线的直流负载能力，为带一个TTL负载。现在的存储器一般都为MOS电路，直流负载很小，主要的负载是电容负载，故在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相连的，而较大的系统中，若CPU的负载能力不能满足要求，可以（就要考虑CPU能否带得动，需要时就要加上缓冲器，）由缓冲器的输出再带负载。3．CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题CPU在取指和存储器读或写操作时，是有固定时序的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求，或在存储器已经确定的情况下，考虑是否需要Tw周期，以及如何实现。4．存储器的地址分配和片选问题内存通常分为RAM和ROM两大部分，而RAM又分为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域)和用户区，用户区又要分成数据区和程序区，ROM的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，目前生产的存储器芯片，单片的容量仍然是有限的，通常总是要由许多片才能组成一个存储器，这里就有一个如何产生片选信号的问题。5．控制信号的连接CPU在与存储器交换信息时，通常有以下几个控制信号(对8088/8086来说)：IO/M（IO/M），RD,WR以及WAIT信号。这些信号如何与存储器要求的控制信号相连，以实现所需的控制功能。二、存储器芯片的扩展存储器芯片扩展的方法有以下两种：1．存储器芯片的位扩充适用场合：存储器芯片的容量满足存储器系统的要求，但其字长小于存储器系统的要求。例1用1K×4的2114芯片构成lK×8的存储器系统。分析：由于每个芯片的容量为1K，故满足存储器系统的容量要求。但由于每个芯片只能提供4位数据，故需用2片这样的芯片，它们分别提供4位数据至系统的数据总线，以满足存储器系统的字长要求。设计要点：将每个芯片的10位地址线按引脚名称一一并联，按次序逐根接至系统地址总线的低10位。数据线则按芯片编号连接，1号芯片的4位数据线依次接至系统数据总线的D0-D3，2号芯片的4位数据线依次接至系统数据总线的D4-D7。两个芯片的WE端并在一起后接至系统控制总线的存储器写信号（如CPU为8086/8088，也可由WR和IO／M或IO/M的组合来承担）。CS引脚也分别并联后接至地址译码器的输出，而地址译码器的输入则由系统地址总线的高位来承担。具体连线见图4-16。当存储器工作时，系统根据高位地址的译码同时选中两个芯片，而地址码的低位也同时到达每一个芯片，从而选中它们的同一个单元。在读/写信号的作用下，两个芯片的数据同时读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者同时将来自数据总线上的字节数据写入存储器。A11A10译码器A9A9A0A0WRWEI/OI/OCS211