单片机半导体存储器的分类讲解

半导体存储器分类介绍

§ 1. 1 微纳电子技术的发展与现状

§1.1.1 微电子技术的发展与现状

上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。此后为了提高电子元器件的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高。1962年，由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组装成的集成电路（IC）成为微电子技术发展的核心。

自从集成电路被发明以来[1,2]，集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模（VLSI），再到现在的甚大规模集成电路（ULSI）的发展阶段。

随着集成电路制造业的快速发展，新的工艺技术不断涌现，例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等，这些新的技术被迅速推广和应用，使器件的特征尺寸不断的减小。其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米，甚至是亚30纳米。器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度，同时又使运算速度和可靠性大大提高，价格大幅下降。随着微电子技术的高速发展，人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候，新的挑战已经悄然到来。微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久？摩尔定律还能支配集成电路制造业多久？进入亚微米领域后，器件性能又会有哪些变化？这一系列的问题使人们不得不去认真思考。20

单片机的内存结构及其原理

单片机（Microcontroller）是由中央处理器（CPU）、内存、I/O 接口和定时/计数器等功能模块组成的一种集成电路芯片。内存是单片机的重要组成部分，它承载着程序代码、数据和临时变量等信息。本文将详细介绍单片机的内存结构及其原理，让我们深入了解单片机的工作原理。

单片机的内存结构包括程序存储器（Program Memory）和数据存储器（Data Memory）两部分。程序存储器用于存储单片机的指令，也称为代码内存或程序存

储器。数据存储器用于存储单片机中的数据，包括变量、常量以及运行时生成的临时数据。

首先，我们来了解程序存储器。程序存储器的主要作用是存储并提供单片机执

行的指令。它通常被分为两种类型：只读存储器（ROM）和可擦写存储器（EPROM、EEPROM、Flash Memory）。只读存储器一旦编程，其中的数据无法

修改。可擦写存储器则允许程序的修改和更新。

只读存储器（ROM）是单片机最常见的程序存储器之一。它可分为各种类型，例如只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、电可擦编程只读存储

器（EPROM）和电子可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。其中，ROM 只允

许在制造过程中一次性程序编程，无法修改；PROM 可以在用户端进行一次性编程；EPROM 和 EEPROM 则可进行多次编程和擦除操作。这些只读存储器的共同

特点是，它们在断电或复位后，存储的数据依然保持。

可擦写存储器（EPROM、EEPROM、Flash Memory）允许在单片机运行时对

有关各种存储器速度性能的资料大收集，RAM、SRAM、SDRAM、

ROM、EPROM、FRAM

最后面重点搜集了NOR FLASH 存储器的资料。

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常见存储器概念辨析：RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EPROM、

常见存储器概念辨析：RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EPROM、EEPROM、Flash存储器可以分为很多种类，其中根据掉电数据是否丢失可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器），其中RAM的访问速度比较快，但掉电后数据会丢失，而ROM掉电后数据不会丢失。

ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM是Read Only Memory的缩写，RAM是Random Access Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM

就是计算机的内存。

RAM 又可分为SRAM（Static RAM/静态存储器）和DRAM（Dynamic RAM/动态存储器）。SRAM 是利用双稳态触发器来保存信息的，只要不掉电，信息是不会丢失的。DRAM是利用MOS（金属氧化物半导体）电容存储电荷来储存信息，因此必须通过不停的给电容充电来维持信息，所以DRAM 的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。 SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。

第七章 半导体存储器

数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。

存储器——用以存储一系列二进制数码的器件。 半导体存储器的分类

根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM —Random Access Memory ）和只读存储器（ROM —Read-Only memory ）。

按照存储机理的不同，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。 存储器的容量

存储器的容量=字长（n ）×字数（m ）

7.1随机存取存储器（RAM ）

随机存取存储器简称RAM ，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。

一． RAM 的基本结构

由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。

存储矩阵

读/写控制器

地址译码器

地

址码输片选读/写控制输入/输出

入

图7.1—1 RAM 的结构示意框图

1. 存储矩阵

RAM 的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。

图7.1—5所示是1024×1位的存储矩阵和地址译码器。属多字1位结构，1024个字排列成32×32的矩阵，中间的每一个小方块代表一个存储单元。为了存取方便，给它们编上号，32行编号为X 0、X 1、…、X 31，32列编号为Y 0、Y 1、…、Y 31。这样每一个存储单元都有了一个固定的编号（X i 行、Y j 列），称为地址。

RAM/ROM存储器

ROM和RAM指的都是半导体存储器，RAM是Random Access Memory的缩写，ROM是Read Only Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。

一、 RAM有两大类：

1、静态RAM（Static RAM，SRAM），静态的随机存取存储器，加电情况下，不需要刷新，数据不会丢失；而且，一般不是行列地

址复用的。SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，而SRAM却需要很大的体积，所以在主板上SRAM存储器要占用一部分面积。优点：速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。缺点：集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率。

2、动态RAM（Dynamic RAM，DRAM），动态随机存取存储器，需要不断的刷新，才能保存数据。而且是行列地址复用的，许多

都有页模式。DRAM利用MOS管的栅电容上的电荷来存储信息，一旦掉电信息会全部的丢失，由于栅极会漏电，所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷，并且每读出一次数据之后也需要补充电荷，这个就叫动态刷新，所以称其为动态随机存储器。由于它只使用一个MOS管来存信息，所以集成度可以很高，容量能够做的很大。DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快；DRAM存储单元的结构非常简单，所以从价格上来说它比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/ FastPage、EDORAM、SDRAM、DDRRAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等 I.

半导体存储器

一．存储器简介

存储器（Memory）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

存储器件是计算机系统的重要组成部分，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。存储器（Memory）计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

半导体存储器研究进展

【摘要】目的：讨论半导体存储器研究进展。方法：查阅文献资料并结合个人经验进行归纳总结。结论：pc的内存储器通常由半导体存储器构成，可分为随机存取存储器（ram）和只读存储器（rom）两大类。ram可用来存放各种输入输出数据，中间计算结果以及程序与指令等，其内容既可读出，也可写入。而rom的信息在使用时是不能改变的，它只能读出，故一般用于存放固定的程序、常数等。【关键词】半导体存储器研究

【中图分类号】g305 【文献标识码】a 【文章编号】2095-3089（2013）03-0252-02

1.半导体存储器的分类

pc的内存储器通常由半导体存储器构成，可分为随机存取存储器（ram）和只读存储器（rom）两大类。ram可用来存放各种输入输出数据，中间计算结果以及程序与指令等，其内容既可读出，也可写入。而rom的信息在使用时是不能改变的，它只能读出，故一般用于存放固定的程序、常数等。

（1）随机存取存储器

ram可以随时写入或读出信息，但它是一种易失性存储器，一旦断电，它所存储的信息会立即丢失。

按制造工艺的不同，ram可分为双极型ram和mos型ram两大类。双极型ram的特点是：存取速度快、集成度低、功耗大、成本高。mos型ram的特点是：集成度较高、功耗较低、价格便宜，但存取

时间较长。现在pc使用的都是mos型ram。按信息存储方法的不同，ram又可分为静态ram（sram）和动态ram（dram）两种。sram是靠双稳态电路来存储信息的。在加电后的使用期间，存储的信息不随时间的变化而改变（除非进行改写），所以称为”静态”。而dram 是靠mos管栅极电容上的电荷来保存信息的。任何电容都会漏电，所以超过一定时间（一般为1～2ms）后信息就会丢失，因此称为”动态”。为了使存储的信息不致丢失，每隔一定时间要按原来存储的内容重新写入，称为”再生”或”刷新”。与sram相比，dram 具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点。但dram需要定期刷新，因而它与cpu的连接比sram复杂。当系统所需内存容量较小时，常采用sram，如单板机，带微处理器或单片机的仪器、仪表及家用电器等。dram则广泛应用于内存容量较大的微机系统，例如个人计算机系统中的内存条。

一、单片机：就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元、存储器、并行接口I/O、串行I/O口、定时器/计数器、终端系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。

二、单片机的硬件结构：8位微处理器、数据存储器（128B）、程序存储器、4个8位可编程并行I/O口、1个串行口、2个16位定时/计数器、1个看门狗、5个中断源和中断向量、特殊功能寄存器26个、低功耗节电模式、3个程序加密锁定位。

其图如下：

三、单片机引脚：单片机共有40个引脚；按其功能可分为3类：

●电源及时钟引脚

●控制引脚

●I/O口引脚

四、单片机存储器结构

●程序存储器16位

●数据存储器8位

●特殊功能寄存器

●位地址空间

五、四组并行I/O端口

1、P0口

1)P0口是一个双功能的8位并行口，字节地址在80H，位地址为80H—87H。

2)P0口特点：地址/数据复用口和通用I/O口

●当P0口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双向口，用作与外部存储器的连

接，片外必须要接上拉电阻。

●当P0口作为通用I/O口时，由于有高阻抗，所以在端口外要接上上拉电阻，它

是一个准双向口。

2、P1口

1)P1口是单功能的I/O口，字节地址为90H,位地址为90H---97H.

2)P1口特点：

●由于P1口内部有上拉电阻，没有高阻抗输入状态，所以不需要在片外接上

拉电阻。

●P1口“读引脚”输入时，必须先向锁存器写入。

3、P2口

1)P2口是一个双功能口，字节地址为A0H,位地址为A0H---A7H.

2)P2口特点：与P1口的一样。

4、P3口略

六、时钟电路与时序

1、时钟电路设计图在书上35页图2-13.

半导体存储器是计算机和电子设备中常用的内部存储器类型，根据不同的特性和用途，可以分为多种分类。以下是常见的半导体存储器分类：

1.RAM（随机存取存储器）：

SRAM（静态随机存取存储器）：使用触发器构建，读写速度快，但需要较多的芯片面积和功耗。

DRAM（动态随机存取存储器）：基于电容的存储单元，需要定期刷新，但相对较高的存储密度使其成为主流内存选项。

2.ROM（只读存储器）：

PROM（可编程只读存储器）：用户一次性编程，无法擦除或重新编程。

EPROM（可擦除可编程只读存储器）：需要特殊设备进行擦除，然后重新编程。EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可通过电子擦除和编程，较为灵活，但擦写次数有限。

Flash 存储器：类似于EEPROM，但支持块擦除，用于各种应用，包括闪存驱动器、存储卡和固态硬盘。

3.Cache 存储器：

L1、L2、L3 Cache：位于处理器内部的高速缓存，用于加速数据访问。

缓存存储器层次结构：不同级别的缓存通过层次结构来平衡速度和容量。

4.寄存器文件：

寄存器组：在CPU 内部的小型存储器单元，用于存储指令、数据和控制信号。

5.存储卡和存储棒：

SD 卡、MicroSD 卡、USB 存储棒等：用于移动设备和计算机的便携式存储。

6.堆栈存储器：

堆栈内存：用于存储函数调用、局部变量和返回地址等，通常遵循先进后出（LIFO）原则。

7.内存芯片：

内存芯片：集成了多个存储单元，通常作为外部存储器使用。

这些存储器类型在不同的应用场景中具有不同的特点和用途。随着技术的发展，各类存储器不断优化和演进，以满足日益复杂的计算和数据存储需求。

第三课单片机内部结构（一）

单片机的内部究竟有哪些部分组成的，它们都有些什么作用呢？让我们先来了解其中的ROM存储器：

一．半导体存储器ROM

1．几个基本概念

上一课我们讲到了把编译后的指令下载到单片机后这条指令一定在单片机内的某个地方，那么它究竟在哪里呢？原来它就放在一个叫程序存储器的地方，英文名称ROM（全称为Read Only Memory），叫只读存储器。它是一个什么东西呢？在讨论这个问题之前，让我们先来看几个物理现象：（1）数和物理现象的关系不知大家是否还记得，在学习数字电路时我们曾用一盏灯的亮和灭来表示电平的高和低，即用“1”来表示高电平，用“0”来表示低电平，如果现在有两盏灯那它会有几种状态呢？

0 0 0 1 1 0 1 1 两盏灯的组合就是四种状态：00，01，10，11。如此看来灯的亮和灭这种物理现象同数字确实有着某种联系，如果我们把它们按一定的规律排列好，那么电平的高或低就可以用数字来表了，换句话说：不同的数字可以代表不同数量灯的电平高或低。比如：

0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111这十六种组合就可以代表四盏灯的状态，能理解吗？

（2）位及字节的含义

在单片机中，一盏灯（实际上是一根线）我们称它为一位，它有两种状态（“0”或“1”），分别应电平的高或低，它是单片机最基本的数量单位，用BIT来表示。8盏灯（八根线）有256种状态，这8盏灯（也就是8位）我们把它称为一个字节，用BYTE表示。至于为什么要怎么规定，这就不需要你我操心了，我们只要记住就可以了。那么单片机是如何来储存这些数字所代表的字节的状态的呢？接着往下看：