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电子技术电子技术数字电路部分数字电路部分第八章第八章 半导体存储器半导体存储器1第八章第八章 半导体存储器半导体存储器8.1 概述概述8.2 只读存储器只读存储器(ROM)8.3 读写存储器读写存储器(RAM)2 存储器是用来存储二值数字信息的大存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码间有一个号码（地址码（地址码），每个房间内），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一有一定内容（一个二进制数码，又称为一个个“字字”）。）。8.1 概述概述3大规模集成电路n在在一块硅半导体的基片上集成了一块硅半导体的基片上集成了1000个以上的个以上的元件元件(等效等效100门门)的集成电路的集成电路.n分类分类:从应用的角度分从应用的角度分:n通用型通用型:存贮器存贮器MEMORY微处理器微处理器CPU单片计单片计算机算机MCU。n专用型：针对特殊用途而专门设计的专用型：针对特殊用途而专门设计的ASIC。n从电路结构分从电路结构分：nTTL：双极双极型，型，I2L；nMOS：单极型，单极型，NMOS，CMOS4存贮器n在计算机中用来存放数据指令中间结果及各种资料的存贮装置。n存贮器容量：把存贮的二进制位数的总数称为其容量。n 容量字数字长n分类：工作方式：n(1)只读存储器只读存储器(ROM)n(2)读写存储器读写存储器(RAM)n存贮方式：存贮方式：n内存贮器内存贮器n外存贮器外存贮器5存贮器：对存贮器的要求n容量大n速度快n功耗小n可靠性高n集成度高6n特点：信息只能读出，不能写入n分类：从电路结构：二极管ROM，双极型ROM，单极型ROMn从编程方式：固定ROM，可编程ROM（PROM），可擦可编ROM，EPROM,PAROM8.2 只读存储器只读存储器(ROM)Read Only Memory 只读存储器，工作时其存储的内容固定不只读存储器，工作时其存储的内容固定不变。因此，只能读出，不能随时写入，所以变。因此，只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。称为只读存储器。78.2.1 ROM的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理 ROM主要由主要由地址译码器地址译码器、存储矩阵存储矩阵和和输出电路输出电路三部分组成。三部分组成。下图是由二极管构成的下图是由二极管构成的ROM电路：电路：地址译码器存贮矩阵MN输出电路A1A2W0W1W2W38ROM功能及结构功能及结构n地址译码器：选择所需要的单元：寻址n存贮阵列：由很多重复排列的结构完全相同的存贮单元构成，每一个存贮单元存贮一位二进制数据，存贮单元的数目决定了存贮器的容量。9输出输出电路电路存储存储矩阵矩阵字线字线位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端W3W0W2W110ROM的基本结构的基本结构n它由二极管构成（NMOS）n它是一个4（字）4（位）的存贮器。A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端 W3字线字线位线位线W2W0W111ROM的基本结构的基本结构存贮信息：1字线与地址码的关系是“与“的关系。W0=A1A0 W1 A1A0 W2 A1A0 W3 A1A0 字线与位线之间的关系（或关系）。D3=W3D2W2W1D1W3W0D0W0W1W2A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输输出控制出控制端端字线字线位线位线W2W0W1W312000101111100110011001001地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端 给出任意一个给出任意一个地址码，译码器地址码，译码器与之对应的字线与之对应的字线变为高电平，进变为高电平，进而从位线上便可而从位线上便可输出四位数字量。输出四位数字量。字线字线位线位线图中存储器的内容图中存储器的内容如右表如右表W2W0W1W313+VCCW3W0W1W2D0D1D2D3 左图是左图是使用使用 MOS 管的管的ROM 矩阵：字线矩阵：字线和位线间有和位线间有 MOS 管的管的单元存储单元存储“0”，无，无 MOS 管的管的单元存储单元存储“1”。14 在前面介绍的两种存储器中，其存储在前面介绍的两种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为使用时不能变动，称为固定固定 ROM。有一种可编程序的有一种可编程序的 ROM，在出厂时在出厂时全部存储全部存储“1”，用户可根据需要将某，用户可根据需要将某些单元改写为些单元改写为“0”,然而只能改写一次，然而只能改写一次，称其为称其为 PROM。字线字线位位线线熔熔断断丝丝 若将熔丝烧断，若将熔丝烧断，该单元则变成该单元则变成“0”。显然，一。显然，一旦烧断后不能再恢旦烧断后不能再恢复。复。15 PROM 中的内容只能写一次，有时中的内容只能写一次，有时仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多次的写多次的 ROM，简称简称 EPROM。它所存它所存储的信息可以用紫外线或储的信息可以用紫外线或 X 射线照射擦射线照射擦去，然后又可以重新编制信息。去，然后又可以重新编制信息。ROM 的的主要技术指标主要技术指标是是存储容量存储容量。它它一般用一般用 存储字数：存储字数：2N 输出位数：输出位数：M 来表示来表示(其中其中N为存储器的地址线数为存储器的地址线数)。例如：例如：128字字 8位、位、1024字字 8位等。位等。168.2.2 ROM的应用举例的应用举例1.用于存储固定的专用程序用于存储固定的专用程序2.利用利用ROM可实现查表或码制变换等功能可实现查表或码制变换等功能 查表查表功能功能 查某个角度的三角函数查某个角度的三角函数 把变量值（角度）作为地址码，其把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为据，这称为“造表造表”。使用时，根据输。使用时，根据输入的地址入的地址(角度角度)，就可在输出端得到所，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为需的函数值，这就称为“查表查表”。码制变换码制变换 把欲变换的编码作为地把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。元中的内容即可。173.ROM 在波形发生器中的应用在波形发生器中的应用ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A0100000000000111111111110000000000000000000000111111111112481296318ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963tuo019ROM阵列结构n在存贮矩阵中，字线W与位线D的交叉处，若有二极管，则存贮的内容为1，无二极管则存贮的信号为0。nROM的阵列结构由两部分构成：n与阵列与阵列：表示字线W和地址码AiAj之间的逻辑关系，水平表示地址码，垂直线表示字线，在图中用圆点来表示与逻辑关系。n或阵列：或阵列：表示位线和字线之间的或逻辑关系，在图中用圆点来表示。水平线表示位线D，垂直线表示字线W20可编程逻辑阵列（PLA）n对译码矩阵和存贮矩阵都能进行编程的逻辑电路n特点：能提高器件的利用率，节省硅片面积。n能实现各种组合逻辑函数和时序逻辑函数21可编程逻辑阵列（PLA）“与“ROM阵列“或“ROM阵列输入输出实现组合逻辑电路的电路结构22应用：用PLA来实现组合逻辑函数：F1m（3，4，6，7）F2=m(0,2,3,4,7)n设计步骤：n对F1F2进行化简（图形法）。n得到F1ACBCn F2BCBCABn根据化简后的F1和F2的与项和或项进行编程23应用：用PLA来实现组合逻辑函数：F1m（3，4，6，7）F2=m(0,2,3,4,7)ABCY1Y2Y3Y4F1F2ABC24 读写存储器又称读写存储器又称随机存储器随机存储器。读写存储器的特点是：在工作过程中，既读写存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器，简称存储器，简称 RAM。Random Access Memory.RAM 按功能可分为按功能可分为 静态、动态两类；静态、动态两类；RAM 按所用器件又可分为双极型和按所用器件又可分为双极型和 MOS型两种。型两种。8.3 读写存储器读写存储器(RAM)25 RAM结构结构地址译码器存贮阵列读写控制电路IO电路读写（RW）片选（CS）传输通道用来控制选中单元的读出或写入选择所需要的单元：寻址由重复排列的结构完全相同的存贮单元构成，每一个存贮单元存贮一位数据268.3.1 基本存储单元基本存储单元WiDD符号符号VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线27介绍基本存储单元的工作原理介绍基本存储单元的工作原理:VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线位位线线数数据据线线位位线线VCCT2T1T3T4 由增强型由增强型 NMOS管管T1、T2、T3和和T4 构构成一个基本成一个基本 R-S触发器，它是触发器，它是存储信息的基存储信息的基本单元。而本单元。而T5和和T6是门控管，是门控管，由字线由字线Wi控制控制其导通或截止：其导通或截止：Wi1则导通，则导通，否则截止。否则截止。28 门控管门控管T5和和T6导通时，导通时，“读读”、“写写”操作操作由读写控制端由读写控制端R/W控制：控制：R/W=0时，时，1、3门打开，数据门打开，数据由由I/O端送入存端送入存储器，完成写操储器，完成写操作；反之，作；反之，R/W=1时，时，1、3门门关闭，关闭，2门打开，门打开，数据由数据由I/O线读线读出。出。VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1VCCT2T1T3T4数数据据线线数数据据线线字字线线12329D1W3W2W1W0地地址址译译码码器器读写读写 及及 输入输入/输出控输出控制制I/O1I/O0CSR/WA0A1D1D0D0存存储储矩矩阵阵8.3.2 存储器的整体结构存储器的整体结构308.3.3 RAM组件及其连接组件及其连接 常用常用RAM组件的类型很多，以下介绍组件的类型很多，以下介绍两种：两种：RAM2114和和RAM6116。RAM2114共有共有10根地址线，根地址线，4根数据线。根数据线。故其容量为：故其容量为：1024字字4位（又称为位（又称为1K 4）RAM6116的容量为：的容量为：2048字字8位位 （又称为（又称为2K 8）31 RAM2114、2116的管脚图的管脚图123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R/WRAM 2114 管脚图管脚图2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管脚图管脚图A2A711112141324A8D5D6D7RDWR32D7A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2D0.D6D5D4D1D3D2D0.CSR/WA0A92114(1)2114(2)用两片用两片2114 将位数由将位数由 4位扩展到位扩展到 8位位 RAM容量的扩展容量的扩展 1.位数的扩展位数的扩展：把各片对应的地址线连接在一：把各片对应的地址线连接在一起，起，数据线并列使用即可。接线如下图：数据线并列使用即可。接线如下图：332.字数的扩展：字数的扩展：各片各片RAM对应的数据线联接在一起；对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址低位地址线也并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的选片控制端。按高低位接至各片的选片控制端。如用如用2114接成接成4096字字4位的存储器时，位的存储器时，需要需要4个个2114组件，共组件，共12根地址线。连接根地址线。连接时，将各片中的低位地址时，将各片中的低位地址A0-A9对应相对应相连；而高位地址连；而高位地址A10、A11经经2-4译码，按译码，按高低位控制高低位控制4片片2114的的CS端。见下图：端。见下图：34CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4译译码码器器A11A10A0A9D3D2D1D02114(1)2114(2)2114(3)2114(4)R/WY0Y335A11A10选中片序号选中片序号 对应的存储单元对应的存储单元 0 0 1 1 1 0 0 12114(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000 10231024 20472048 30713072 4095 用用2114接成接成4096字字4位型存储器时，高位位型存储器时，高位地址和存储单元的关系如下表：地址和存储单元的关系如下表：36
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