Transcript 半导体存储器
第七章 半导体存储器 7.1随机存取存储器 7.2只读存储器 按功能，存储器分为： 只读存储器（READ－ONLY MEMORY，ROM） 随机存取存储器（RANDOM－ACCESS MEMORY， RAM） 顺序存取存储器（SEQUENTIAL ACCESS MEMORY， SAM） 7.1 随机存取存储器 在使用RAM时可以随时从任一指定地址取出（读出） 数据，也可以随时将数据存入（写入）任何指定地 址的存储单元中去。 •优点：读写方便，使用灵活。 •缺点：存在易失性，一旦断电所存储的数据便会 丢失，不利于数据长期保存。 按存储单元的特性分为： SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器 7.1.1 RAM的结构及工作原理 RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三 部分组成，见图1。 地 址 输 入 地 址 译 码 器 存储矩阵 读/ 写控 制电 路 R /W CS 随机存取存储器（RAM）结构框图 数据输入/输出 (I/O) SRAM的静态存储单元 行选线X 存储 单元 UDD 位 线 D V2 V4 V5 Q Q V1 V7 X V6 位 线 D UDD 位 线 D V5 V8 I/O V7 I/O (a) 六管NMOS存储单元 I/O 位 线 D V6 V1 V3 列选线Y V4 V2 V3 V8 Y I/O (b) 六管CMOS存储单元 > •存储矩阵：在译码器和读/写控制电路的控制下既可以写入1或 0，又可以将所存储的数据读出。存储矩阵中的单元个数即存 储容量 •地址译码器：将输入的地址代码译成某一条字线的输出信号， 使连接在这条字线上的存储单元或读/写控制电路接通，然后 才能对这些单元进行读或写。 •读/写控制电路：对电路的工作状态进行控制 片选输入端CS，读/写控制，输出缓冲电路 R / W 1，执行读操作，将存储单元里的内容送到输入/输出端上； R / W 0 ，执行写操作，输入/输出线上的数据被写入存储器； CS=1时RAM的输入/输出端与外部总线接通； CS=0时RAM的输入/输出端呈高阻态，不能与总线交换数据； A3 A4 A5 A6 A7 A8 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 行 地 址 译 码 器 G1 G2 G3 G4 X0 存储矩阵 6464 X63 输入/输出电路 Y0 Y15 列地址译码器 G5 G10 CS A0 A1 A2 A9 G9 R /W G6 G7 G8 图2 2114的结构框图 •共有1024×4=4096个存储单元，排成64×64矩阵。 •1024（=210），共有10个地址输入端A0～A9。 分成两组译码 •I/O1～I/O4既是数据输入端也是数据输出端 •R / W =1，CS =0时，门G9输出高电平，使缓冲器G5～G8 工作，门G10输出低电平，使G1～G4禁止，这时由地 址码指定的四个存储单元中的数据被送到I/O1～I/O4， 实现读操作。 • R / W =0，CS =0，G1～G4工作，G5～G8禁止，加到 I/O1～I/O4上的数据被写入指定的四个存储单元。 • CS=1时，门G1～G8禁止，将存储器内部电路与外部 连线隔离，可以直接把I/O1～I/O4与系统总线相连使用。 7.1.2 RAM的扩展 ⒈位数的扩展 I/O1 I/O2 I/O7 ¡- A0 A1 I/O 1024¡Á1 RAM A0 A1 ¡- A9 R/W CS ¡- I/O 1024¡Á1 RAM A0 A1 ¡- A9 R/W CS ¡- ¡- I/O 1024¡Á1 RAM A0 A1 ¡- A9 R/W CS ¡- ¡A9 R/W CS > •2 字扩展方式 如果每一片RAM中的位数已够用而字数不够用时，应 采用字扩展方式（也称地址扩展方式）。 例2用四片256×8位RAM接成一个1024×8位RAM 256（=28 ），1024（=210 ），每一片RAM只有八位地 址输入端，而1024为10位地址输入端，故需增加两位 地址码A9、A8。 由于每一片RAM的数据端I/O1 ～I/O8 都有三态缓冲器， 而它们又不会同时出现低电平，故可将它们的数据端 并联起来，作为整个RAM的八位数据输入/输出端。 I/O8 I/O1 R 256 × 8 256 × 8 RAM(1) RAM(2) R A0 A1 A7 W CS A0 A1 A7R W CS 256 × 8 256 × 8 RAM(3) RAM(4) R A0 A1 A7 W CS A0 A1 A7R W CS W A0 A1 A7 A8 A9 2-4 线译 码器 Y0 Y1 Y2 图4 RAM的字扩展接法 Y3 图4中各片RAM电路的地址分配 器件编号 A9A8 Y0 RAM （1） RAM （2） RAM （3） RAM （4） Y1 Y2 Y3 00 0 1 1 1 01 1 0 1 1 10 1 1 0 1 11 1 1 1 0 地址范围 （A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0） （等效十进制） 00 00000000~00 11111111 (0)~(255) 01 00000000~01 11111111 (256)~(511) 10 00000000~10 11111111 (512)~(767) 11 00000000~11 11111111 (768)~(1023) 7.1.3 RAM的时序问题 为保证存储器的正常工作，必须满足读、写周期的时序要 求，即各信号之间的时间关系。 表 1 2114 读周期参数 以2114（1024×4）RAM为例 符号 参数名称 最小值 最大值 •读周期 R W tRC tA tCO tCX tOTD tOHA 1 读周期时间 读取时间 片选到输出稳定 片选到输出有效 从断开片选到输出变为三态 地址改变后的输出保持时间 tRC tA 地址A0~A9 地址有效 tCO CS tCX 数据输出 tOTD tOHA 输出有效 200ns 200ns 70ns 20ns 60ns 50ns •写周期 表2 符号 tWC tW tWR tOTW tDW tDH tAW 2114 写周期参数 参数名称 最小值 最大值 写周期时间 200ns 写时间 120ns 写恢复时间 0 从写信号有效到输出三态的时间 60ns 数据有效覆盖时间 120ns 数据保持时间（写信号无效后） 0 地址到写信号的建立时间 0 tWC 地址A0~A9 地址有效 tWR tW CS R W 数据输出 数据输入 tAW tOTW tDW tDH 输入有效 7.2 只读存储器（READ－ONLY MEMORY，ROM） 各种存储器中结构最简单的一种。在正常工作时它存储的数据 是固定不变的，只能读出，不能随时写入，故称只读存储器。 分类： 使用的器件类型: 二极管ROM 双极型三极管ROM MOS管ROM 数据的写入方式: 固定ROM：无法更改，出厂时已定 可编程ROM（PROM）：用户只可写入一次 可擦可编程ROM（EPROM）：可写可擦，但费时长，操 作复杂 电抹可编程ROM（E2PROM） ROM电路都包含地址译码器、存储单元矩阵和输出缓冲器三 个部分 •PROM：所有的存储单元均为0或1，可根据需要改写一次 存入数据（编程）的方法：熔断法，PN结击穿法 •EPROM：可根据需要改写多次，将存储器原有的信息抹去， 再写入新的信息，允许改写几百次 方法：利用雪崩击穿，采用特殊的雪崩注入MOS管或叠栅注入MOS管 擦除方式：紫外线照射 特点：擦除操作复杂，速度慢，正常工作时不能随意改写 •E2PROM：允许改写100～10000次 方法：利用隧道效应，采用具有两个栅极的特制NMOS管和一个普通NMOS 管 擦除方式：加电 特点：擦除操作简单，速度快，正常工作时最好不要随意改写 Flash Memory:快闪存储器 方法：采用特殊的单管叠栅MOS管，写入用雪崩注入， 擦除利用隧道效应 擦除方式：加电 特点：擦除操作简单，集成度高，容量大 •ROM的应用 实现组合逻辑函数，代码转换，字符发生器，数学函 数表，实现时序电路中组合逻辑部分 ROM也可按RAM的级联方式扩展 只读存储器（ROM） ROM的结构 存储矩阵 W0 A0 A1 An£-1 信息单元 (字) 地 址 译 码 器 A1 A0 … … 地 址 译 码 器 W0 W1 存储矩阵 W2n£-1 … W1 W2 W3 存储单元 R R R R … 三态控制 输出缓冲器 三态控制 … Dm－1 D¡ä 3 D0 D¡ä 2 D¡ä 1 D¡ä 0 输出缓冲器 D3 D2 D1 D0 二极管ROM的结构图 ROM的基本结构 < > ROM的编程与分类 ⑴掩模ROM ⑵可编程ROM（PROM） ①熔丝型PROM存储单元 ②PN结击穿法PROM存储单元 UCC 字线 字线 Wi 字线 Wi 字线 Wi V1 位线 Di 熔丝 位线 Di 熔丝 (a) V2 位线 Di 位线 (a) (b) 目录 < (b) > 总目录 退出 ⑶可察除的可编程ROM（EPROM） ①叠栅注入MOS管（SIMOS）的结构和符号 Gf S Gc D SiO2 D N＋ N＋ Gc P Gf S ②E2PROM的存储单元、Flotox管的结构和符号 S Gf Wi(字线) D1 D N＋ （ V2 P （ S1 N＋ Gc 位 线 V1 Gc D Gc Gf S 隧道区 Di Flotox管的结构和符号 E 2PROM的存储单元 目录 < > 总目录 退出 ③快闪存储器（Flash Memory） S Gf Gc D 位 线 字线 D N＋ Wi D N＋ Gc Gc P S S USS 隧道区 Di (a) (b) 叠栅MOS管 存储单元 目录 < > 总目录 退出 •固定ROM VCC 与阵 地 址 译 码 器 A1 A0 或阵 W0 W1 W2 W3 D ’3 D ’2 D ’1 D ’0 存 储 矩 阵 EN 图5 二极管ROM D3 D2 D1 D0 两位地址输入A1，A0；四位数据输出D3D2D1D0； 存储单元为二极管；存储容量为4×4位。 工作原理： 地址译码器将地址A1A0译成W0～W3中的一个高电平输出信号。 存储矩阵实际上是一个编码器，当W0 ～W3 输出高电平信号，则 在D0～D3输出一个四位二值代码。 A1A0=10, W2=1, W0=W1=W3=0, 只有D2’一根位线与W2之间有 二极管，二极管导通，D2’=1,D0’=D1’=D3’=0 D3D2D1D0=0100 表 3 图 5ROM 中的数据表 地址 A1 0 0 1 1 A0 0 1 0 1 D3 0 1 0 1 数据 D2 D1 1 0 0 1 1 0 1 1 D0 1 1 0 0 A1 A0 W0 W0 A1 A0 W1 A1 A0 W2 A1 A0 W3 A1 A0 最小项 D0 W0 W1 W1 W2 W3 D’3 D ’2 D ’1 D ’0 EN 图6二极管ROM的结点图 （阵列图） D3 A1 A0 A1 A0 D2 D1 W3 W1 D1 A1 A0 A1 A0 D0 D2 W3 W2 W0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 D3 W3 W1 A1 A0 A1 A0 VDD W0 W1 W2 W3 D3 D2 D1 D0 图7NMOS管存储矩阵 交叉点处接有MOS管时相当于存1，没有MOS管时相 当于存0。交叉点的数目称为存储单元数，用4（字数） ×4（位数）表示。 •固定ROM电路结构简单，集成度高 •组合逻辑电路 例1用一个ROM实现如下函数，并画出其结点图 F1＝AB＋CD ＋AC＋A B C D F2＝A＋CD＋B C •将函数写成最小项之和的形式 F1＝ABCD＋ABCD ＋ABC D＋ABC D ＋AB CD ＋AB CD ＋A BCD ＋A B CD ＋A B C D ＝m1 m2 m6 m10 m11 m12 m13 m14 m15 F2＝ABCD ABCD ABC D ABC D AB CD AB CD AB C D AB C D ＋A BCD A B CD＋A B C D A B C D ＝m0 m1 m3 m7 m8 m9 m10 m11 m12 m13 m14 m15 •确定地址和输出 输入变量为A、B、C、D，地址为4位；函数F1、F2，输出为2个， 应选用24×2的ROM •画结点图 D C B A W0 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7W8 W9 W1 W11W12 W1 W1 W15 0 EN 3 4 F1 D’ 2 D’ 1 思考题 用ROM实现：当八个输入信号中仅有一个为1时，输出才为1 F2 二进制码转换为格雷码的真值表 字 二进制码 格雷码 B3 B2 B1 B0 G3 G2 G1 G0 W0 0 0 0 0 0 0 0 0 W1 0 0 0 1 0 0 0 1 W2 0 0 1 0 0 0 1 1 W3 0 0 1 1 0 0 1 0 W4 0 1 0 0 0 1 1 0 W5 0 1 0 1 0 1 1 1 W6 0 1 1 0 0 1 0 1 W7 0 1 1 1 0 1 0 0 W8 0 0 0 0 1 1 0 0 W9 1 0 0 1 1 1 0 1 W10 1 0 1 0 1 1 1 1 W11 1 0 1 1 1 1 1 0 W12 1 1 0 0 1 0 1 0 W13 1 1 0 1 1 0 1 1 W14 1 1 1 0 1 0 0 1 W15 1 1 1 1 1 0 0 0 G3=∑m（8，9，10，11， 12，13，14，15） G2=∑m（4，5，6，7，8， 9，10，11） G1=∑m（2，3，4，5， 10，11，12，13） G0=∑m（1，2，5，6，9， 10，13，14） > 二进制码转换为格雷码的阵列图及逻辑符号图 W1 W0 W3 W2 W5 W4 W7 W6 W9 W8 W11 W13 W15 W10 W12 W14 B3 1 （ 地 址 与 译 阵 码 列 器 B2 1 （ B1 1 B0 1 B3 B2 B1 B0 A3 D3 4 A2 2¡Á4 D2 A1 ROM D1 A0 D0 (b) （ G3 G2 G1 G0 （ 存 或 储 阵 矩 列 阵 (a) 二进制码转换为格雷码的阵列图 > 逻辑符号图 G3 G2 G1 G0 本章小结： 一、只读存储器ROM(Read Only Memory) 1．供电电源切断时，ROM中存储的信息不会丢失的特性。 2. ROM的基本结构是由一个固定连接的与门阵列和一个可编程连接 的或门阵列所组成。 3. 是一种在正常工作情况下只能读取而不能写入数据的存储器，在 计算机中主要用于存放执行程序、数据表格和字符等。 二、随机存取存储器（RAM） 1．按存储单元的特性分为： SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器 2．在使用时可以随时从任一指定地址取出（读出）数据，也可以随 时将数据存入（写入）任何指定地址的存储单元中去。 3．特点：优点是读写方便，使用灵活。缺点是存在易失性，一旦断 电所存储的数据便会丢失，不利于数据长期保存。