七章半导体存储器

第七章第七章 半导体存储器半导体存储器存储器存储器用以存储二进制信息的器件用以存储二进制信息的器件。半导体存储器的分类：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两大类：根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：（1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM）也叫做读）也叫做读/写存储器。既能写存储器。既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM的的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。（2）只读存储器（）只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。）。其内容只能读出不能写入。存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。存储器的容量：存储器的容量存储器的容量：存储器的容量=字长（字长（n）字数（字数（m）一一 RAM的基本结构的基本结构 由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、输出控制、片选控制等几部分组成。片选控制等几部分组成。7.1 随机存取存储器随机存取存储器（RAM）存储矩阵读/写控制器控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入入 1.存储矩阵存储矩阵图中，图中，1024个字排个字排列成列成3232的矩的矩阵。阵。为了存取方便，给为了存取方便，给它们编上号。它们编上号。3 2 行 编 号 为行 编 号 为 X0、X1、X31，3 2 列 编 号 为列 编 号 为 Y0、Y1、Y31。这样每一个存储单这样每一个存储单元都有了一个固元都有了一个固定的编号，称为定的编号，称为地址。地址。2地址译码器地址译码器将寄存器将寄存器地址所对应的二进制数译地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单信号，从而选中该存储单元。元。采用双译码结构。采用双译码结构。行地址译码器：行地址译码器：5输入输入32输出，输出，输入为输入为A0、A1、A4，输出为输出为X0、X1、X31；列地址译码器：列地址译码器：5输入输入32输出，输出，输入为输入为A5、A6、A9，输出为输出为Y0、Y1、Y31，这样共有这样共有10条地址线。条地址线。例如，输入地址码例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线，则行选线 X11、列选线、列选线Y01，选中第，选中第X1行第行第Y0列的那个存储单元。列的那个存储单元。3 RAM的存储单元的存储单元例例.六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元 4.片选及输入片选及输入/输出控制电路输出控制电路当选片信号当选片信号CS1时，时，G5、G4输出为输出为0，三态门，三态门G1、G2、G3均处于高阻状均处于高阻状态，输入态，输入/输出（输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，写操作，即不工作；即不工作；&GGGCSR/W3451GDDI/OG2当当CS0时，时，芯片被选通：当芯片被选通：当 1时，时，G5输出高电平，输出高电平，G3被打开，于被打开，于是被选中的单元所存储的数据出现在是被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；端，存储器执行读操作；当当 0时，时，G4输出高电平，输出高电平，G1、G2被打开，此时加在被打开，此时加在I/O端的数据以端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。二二.RAM的工作时序（以写入过程为例）的工作时序（以写入过程为例）读出操作过程如下：读出操作过程如下：（1）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；（2）加入有效的选片信号）加入有效的选片信号CS；（3）将待写入的数据加到数据输入端。）将待写入的数据加到数据输入端。（3）在）在 线上加低电平，进入写工作状态；线上加低电平，进入写工作状态；（4）让选片信号）让选片信号CS无效，无效，I/O端呈高阻态。端呈高阻态。tWC写入单元的地址ADDtWPCSR/WI/O写入数据AStWRtDWtDHt三三 RAM的容量扩展的容量扩展1位扩展位扩展用用8片片1024（1K）1位位RAM构成的构成的10248位位RAM系统。系统。10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O.10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O10241RAMA AA R/WCS019.I/OI/O.AA01R/WCS017999A2字扩展字扩展用用8片片1K8位位RAM构成的构成的8K8位位RAM。01.G2A1274LS138AY+5V.GC7Y.G2BAYA.11A110.B.A.AI/O10248RAM1000R/W7R/W1R/W.9A10248RAM90.A0I/OR/WA10248RAMCS9AACSI/O91AA.A1CS1AA0I/O0I/OI/O0I/O1I/O1I/O17I/O7I/O7I/O.4RAM的芯片简介的芯片简介(6116)(6116)61166116为为2K2K8 8位静态位静态CMOSRAMCMOSRAM芯片引脚排列图：芯片引脚排列图：A0A10是地址码输入端，是地址码输入端，D0D7是是数据输出端，数据输出端，是选片端，是选片端，是输出使能端，是输出使能端，是写入控制端。是写入控制端。1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GND（2）一次性可编程）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为）。出厂时，存储内容全为1（或全（或全为为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。7.2 只读存储器只读存储器(ROM)一一 ROM的分类的分类按照数据写入方式特点不同，按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：可分为以下几种：（1）固定）固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。（3）光可擦除可编程）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术生产的可编程）。采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。（5）快闪存储器（）快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型）。也是采用浮栅型MOS管，存储器管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，相同，一般一只芯片可以擦除一般一只芯片可以擦除/写入写入100次以上。次以上。（4）电可擦除可编程）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术生产的可）。也是采用浮栅技术生产的可编程编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除的电擦除过程就是改写过程，它具有过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似的非易失性，又具备类似RAM的功的功能，可以随时改写（可重复擦写能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。万次以上）。二二ROM的结构及工作原理的结构及工作原理1.ROM的内部结构的内部结构由地址译码器和存储矩阵组成。由地址译码器和存储矩阵组成。0单元1单元i单元单元2 1nWWWWD DD01in2 101b1位线存储单元存储单元.字线输出数据输1AA器.地入址译0n1地码址A.2.ROM的基本的基本工作原理：工作原理：由地址译码器由地址译码器和或门存储矩阵组成。和或门存储矩阵组成。例：存储容量为例：存储容量为44的的ROM0AA1111W03WW21WD3D21DD01地址译码器二极管固定二极管固定ROM举例举例（1）电路组成：）电路组成：由二极管与门和由二极管与门和或门构成。或门构成。与门阵列组成与门阵列组成译码器，或门译码器，或门阵列构成存储阵列构成存储阵列。阵列。A1011A11.ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线WWWW0123字线.与门阵列（译码器）（编码器）门阵列或ENVCC（2）输出信号表达式）输出信号表达式与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD3211WWWD3202WWWD313WWD1.作函数运算表电路作函数运算表电路【例【例7.21】试用试用ROM构成能实现函数构成能实现函数y=x2的运算表电路，的运算表电路，x的取值范的取值范围为围为015的正整数。的正整数。三三 ROM的应用的应用【解【解】（1）分析要求、设定变量）分析要求、设定变量自变量自变量x的取值范围为的取值范围为015的正整数，对应的的正整数，对应的4位二进制正整数，用位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据表示。根据y=x2的运算关系，可求出的运算关系，可求出y的最大值是的最大值是152225，可以用，可以用8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表）列真值表函数运算表函数运算表Y7=m12+m13+m14+m15（3）写标准与或表达式）写标准与或表达式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)画画ROM存储矩阵结点连接图存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示。矩阵中的二极管用节点表示。Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15【解【解】（1）写出各函数的标准与或表达式：）写出各函数的标准与或表达式：按按A、B、C、D顺序排列变量，将顺序排列变量，将Y1、Y2、Y4扩展成为四变量逻辑函数。扩展成为四变量逻辑函数。2.实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数【例【例7.22】试用试用ROM实现下列函数：实现下列函数：ABCCBACBACBAY1CABCY2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY3BCDACDABDABCY4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY（2）选用）选用164位位ROM，画存储矩阵连线图：，画存储矩阵连线图：四四EPROM举例举例2764VVppccCSPGMAADD12007地2764AA120DD7CS0PGMVppccV引脚功能地址输入芯片使能编程脉冲电压输入数 据AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410127PGM(PGM)VIH20CSOECSOE221112131516171819地址输入数据据输出VCCVPP28GND14五五.ROM容量的扩展容量的扩展（1）字长的扩展（位扩展）字长的扩展（位扩展）现有型号的现有型号的EPROM，输出多为，输出多为8位。位。下图是将两片下图是将两片2764扩展成扩展成8k16位位EPROM的连线图。的连线图。.AAOO OCSOE00127.AAOO OCSOE00127CSOEA0A1270DD815DD13131388地址总线数据总线8kB88kB827642764UU12用用8片片2764扩展成扩展成64k8位的位的EPROM：（2）字数扩展（地址码扩展）字数扩展（地址码扩展）.AAOO OCSOE00127OE0AA12DD70O.0.120A7OOEACSOO.0.120A7OOEACSO.AAYYGG00A12G17.Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址总线数据总线本章小节本章小节2 2RAMRAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAMSRAM和和DRAMDRAM两两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOSMOS管栅极电容存储数据。管栅极电容存储数据。因此，在不停电的情况下，因此，在不停电的情况下，SRAMSRAM的数据可以长久保持，而的数据可以长久保持，而DRAMDRAM则必则必需定期刷新。需定期刷新。1 1半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，它可分为它可分为RAMRAM和和ROMROM两大类。两大类。3 3ROMROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读出。根据数据写入方式的不同，出。根据数据写入方式的不同，ROMROM又可分成固定又可分成固定ROMROM和可编程和可编程ROMROM。后者又可细分为后者又可细分为PROMPROM、EPROMEPROM、E E2 2PROMPROM和快闪存储器等，特别是和快闪存储器等，特别是E E2 2ROMROM和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了RAMRAM的特性。的特性。4 4从逻辑电路构成的角度看，从逻辑电路构成的角度看，ROMROM是由与门阵列（地址译码器）和或门是由与门阵列（地址译码器）和或门阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路。阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路。ROMROM的输出是输入最小项的的输出是输入最小项的组合。因此采用组合。因此采用ROMROM构成各种逻辑函数不需化简，这给逻辑设计带来构成各种逻辑函数不需化简，这给逻辑设计带来很大方便。随着大规模集成电路成本的不断下降，利用很大方便。随着大规模集成电路成本的不断下降，利用ROMROM构成各种构成各种组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。