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aliases: [存储器, RAM, ROM, Flash, DRAM, SRAM]

半导体存储器

[!note] 对象层学完这篇，你能判断：

SRAM / DRAM / Flash / EEPROM 谁掉电丢数据、谁不丢；

单片机外扩存储时"字扩展"和"位扩展"怎么接线；

手册上 512K × 16 的容量到底多少字节；

为什么 Flash 有"擦除寿命"而 SRAM 没有。

用生活理解：存储器像"仓库"。SRAM 是"每个格子有人看着"（6 个晶体管守 1 位，快但贵）；DRAM 是"每格一个水桶会漏水"（电容漏电要不断刷新，便宜容量大）；Flash 是"可反复写字的黑板"（擦写次数有限）；ROM 是"印上去的证书"（出厂固定）。断电后：RAM 全忘（易失），ROM/Flash 不忘（非易失）。

一、一句话本质

半导体存储器分易失（RAM：SRAM/DRAM，靠电源维持）与非易失（ROM 家族：PROM/EPROM/EEPROM/Flash，靠电荷存储）两大阵营；容量扩展用位扩展（加宽数据）与字扩展（加深地址）两种接线。

二、速查表（公式与结论）

2.1 存储器分类

类型	掉电保持	写入方式	特点/用途
SRAM	❌ 丢失	随时读/写	快、贵、无刷新；CPU 缓存、MCU 内部 RAM
DRAM	❌ 丢失（需刷新）	随时读/写	慢、便宜、容量大；电脑内存条
ROM（掩膜）	✅	出厂固定	量产固件
PROM	✅	一次性烧写	已淘汰
EPROM	✅	UV 紫外线擦除重写	已淘汰（带透明窗）
EEPROM	✅	电擦写、按字节	掉电存参数，如 AT24C02（I2C）
Flash（NOR/NAND）	✅	电擦写、按块	代码存储主流：MCU 内部 Flash、U 盘、SD 卡

2.2 容量表示

512K × 16 = 512K 个地址 × 每个 16 位 = 1 MB 字节（512×2=1024KB）；
换算：字长 × 字数 / 8 = 字节数；
地址线数 = log₂(字数)：512K = 2¹⁹ → 19 根地址线。

2.3 扩展接线法

扩展类型	目的	接线	例子
位扩展	加宽数据（增加片数同地址）	各片地址线并联，数据线各取不同位	8 片 `1K×1` → `1K×8`
字扩展	加深地址（增加片数同数据）	各片数据线并联，高位地址经译码选片（CS）	4 片 `1K×8` → `4K×8`

核心：位扩展看数据线、字扩展看片选（地址译码）。

2.4 关键参数

参数	含义	影响
存取时间 tACC	给出地址到数据稳定的时间	与 CPU 时序匹配，不够就插等待（WS）
刷新周期（DRAM）	7.8μs~64ms 内必须刷新	刷新逻辑复杂化
擦写寿命（Flash/EEPROM）	典型 10⁴~10⁶ 次	频繁写参数要磨损均衡
功耗/待机	待机电流	电池设备的关键指标

三、判别规则

选型：要掉电保存 → EEPROM/Flash；要高速缓存 → SRAM；要超大容量便宜 → DRAM。
看数据手册容量：字数 × 位数，先除 8 再乘 → 字节数。
扩展判方向：数据位不够 → 位扩展（并联地址）；容量不够 → 字扩展（译码片选）。
代码还是数据：MCU 里程序放 NOR Flash（可随机读，可 XIP），U 盘大容量数据放 NAND Flash（页读写，需控制器）。

四、易混对比

易混点 A	易混点 B	关键区别
SRAM	DRAM	SRAM 六管、不需刷新；DRAM 一管一电容、需周期刷新
EEPROM	Flash	EEPROM 按字节擦写、慢、寿命长；Flash 按块擦写、快、寿命短
NOR Flash	NAND Flash	NOR 可随机读（XIP）、容量小；NAND 页式读写、容量大
位扩展	字扩展	位扩展所有片同时工作（数据拼接）；字扩展一次只有一片工作（片选）

五、典型例题（先想再翻）

容量换算：某 SRAM 标 256K × 8，多少字节？地址线几根？ > 答：256K×8 = 256KB；256K = 2¹⁸ → 18 根地址线、8 根数据线。
扩展设计：用 64K×8 的芯片组成 256K×8 存储器。 > 答：字扩展 4 片。64K=2¹⁶，用 16 根低地址线接各片，高 2 位地址经 74LS138 译码产生 4 个片选，数据线并联。
陷阱题：同学说"EEPROM 擦写次数比 Flash 少，所以保存程序用 EEPROM"。 > 答：错。EEPROM 寿命更长但容量小、按字节慢；存程序用 NOR Flash（随机读+大容量）。EEPROM 适合存配置参数。

六、完整知识点

6.1 SRAM 单元（六管）

6 个 MOS 管构成一个交叉耦合锁存器 + 两个存取管。速度快、无刷新，但单元面积大 → 成本高。典型：Cache、MCU 片内 RAM。

6.2 DRAM 单元（一管一电容）

电容存电荷表示 1/0，电荷会漏 → 必须刷新（读-重写周期）。行地址/列地址分时复用（地址多路复用）降低引脚数。容量大、便宜 → 内存条。

6.3 Flash 的原理与寿命

浮栅晶体管（浮栅上电荷决定阈值）→ 通过隧穿写入/擦除。擦除必须按块（整块先变 1 再编程），所以"改写一个字节"实际要做读-改-写。寿命源于隧穿对氧化层的损伤 → 磨损均衡算法（FTL）用于 SSD/U 盘。

6.4 用 ROM 实现组合逻辑函数

ROM = 地址译码器 + 或阵列。地址是输入，数据是输出 → 本质就是真值表查表：任意组合逻辑函数都能用 ROM 实现（查表 LUT 思想，也是 FPGA 的底层原理）。

6.5 与 CPU 的时序配合

读周期：CPU 发地址 → tACC 后读数据。若存储器慢，CPU 插入等待周期（WSC）或降频。画原理图（外扩存储）时必须核对时序参数表。

6.6 用寄存器实现一块内存（Digital 动手，尚硅谷补充）

为理解内存的本质，尚硅谷先用 8 个 16bit 寄存器拼出一块 8×16 内存：

写：数据总线 Din 并联到 8 个寄存器，3bit 地址经 3-8 译码器生成 en 信号，只打开目标寄存器 → 写入；
读：8 选 1 复用器（选择端=地址）把对应寄存器的值送到 Dout；
控制信号：str（写允许）、ld（输出允许）。

这就是"寄存器堆式内存"的骨架：译码器选地址、复用器选输出（对应本课 2.3 字扩展的片选思想）。课件明确说"现实中的内存不可能用寄存器这种高成本电路"→ 用 SRAM/DRAM（见 2.1）。

从"数据存储"到"程序存储"再到"合并单内存"（[[11-从零搭建计算机（下）-控制与指令|数电 11]] 的铺垫）：

外部数据存储：EEPROM 预编辑数据 + PC 计数器（寄存器+加法器，每时钟 +1）逐条取数给 ALU；
指令存储：ALU 的 sel 控制信号就是"指令"——单独加一块 EEPROM 存 sel 序列（加法/减法），与数据 RAM 分开 → 双内存结构；
合并为一个 RAM（冯·诺依曼：只有一块内存，指令和数据同存）：执行分成取指/执行两个时钟周期（state 用 D 触发器在 0/1 间切换），指令寄存器暂存上一周期取到的指令；指令格式为 操作码(opcode) + 操作数(addr)。

与教材的关系：本课"字扩展/位扩展"讲的是如何把多片存储器接成大内存；尚硅谷补充的是用寄存器+译码器/复用器从零实现一块内存——两者互补，同一存储模型的两面。

七、与 PCB 画图的关联

STM32 外扩 SRAM（FSMC 总线）、EEPROM（AT24C02，I2C）、Flash（W25Qxx，SPI）是原理图常见外设（对应 [[PCB学习笔记/10-项目实战-USB拓展坞|PCB 笔记 10]] 与 STM32 学习笔记 SPI）。
片选译码（74LS138）的地址分配 → 存储映射表（哪段地址选哪个芯片）。
去耦电容在存储芯片电源脚密集布置（高速切换电流）。
上电时序与复位 → 存储初始化（ROM 代码搬移到 RAM 运行）。

来源：阎石《数字电子技术基础》第 7 章（半导体存储器）；尚硅谷《从零搭建计算机》第 3.3~3.7 节（内存与指令存储）

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