第7章半导体存储器v教学案例.ppt

第7章 半导体存储器 半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件主要用于计算机的内存储器 本章对其特点、分类、技术指标予以简单介绍，并介绍基本存储单元的组成原理，集成半导体存储器的工作原理及功能 本章重点要求掌握各类存储器的特点、存储器容量扩展和用存储器实现组合电路7.1 概 述 半导体存储器的特点及分类 按制造工艺的不同可把存储器分成TTL型和MOS型存储器两大类 TTL型速度快，常用作计算机的高速缓冲存储器 MOS型具有工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点，常用作计算机的大容量内存储器7.1 概 述 半导体存储器的特点及分类 按存储二值信号的原理不同存储器分为静态存储器和动态存储器两种 静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和1的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变； 动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电 按工作特点不同半导体存储器分成只读存储器、随机存取存储器和顺序存取存储器7.1 概 述 半导体存储器的技术指标 存取周期：存储器的性能取决于存储器的存取速率存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征。

把连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期7.2 只读存储器 半导体只读存储器(Read-only Memory，ROM)是只能读不能写的存储器 只读存储器是一种组合电路，当信息被加工时或被编程时，认为信息是存储在ROM中 其特点是电路结构简单，电路形式和规格比较统一，在操作过程中只能读出信息不能写入 通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符等 只读存储器为非易失性存储器(nonvolatile memory)，去掉电源，所存信息不会丢失7.2 只读存储器 ROM可分为: 掩膜只读存储器（Mask Read Only Memory，简称MROM） 可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称PROM) 紫外线可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，简称EPROM) 电擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，简称EEPROM） Flash存储器(也称快闪存储器)7.2 只读存储器 半导体只读存储器是具有n个输入b个输出的组合逻辑电路。

地址输入Address input数据输出Data outputCS片选控制线7.2 只读存储器 只读存储器存储了一个n输入b输出的组合逻辑功能的真值表2输入4输出组合逻辑功能表 地 址 内 容A1 A0D3D2D1D00 00 11 01 10101101101011100可以将其存储在224的只读存储器中7.2.1掩模只读存储器 掩模只读存储器是采用掩模工艺制作的，其中的存储内容是已经由制造商按照用户的要求进行了专门设计因此，掩模ROM在出厂时内部存储的数据就已经固化好了 掩模ROM的存储数据可永久保存，在批量生产时成本最低适用于存放固定不变的程序或数据7.2.1掩模只读存储器 掩模ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图7-1所示地 址 译 码 器地 址 输 入W0WN-1存储矩阵 NM输出及控制电路D0DM-1数据输出图7-1 ROM结构图7.2.1掩模只读存储器 掩模ROM图7-2 NMOS固定ROMD2存储矩阵输出电路字线位线A0A1W0W1W2W3+VDDD3D1D0D3D2D1D0地址译码D3D2D1D0W3W2W1W07.2.1掩模只读存储器 图7-3是ROM的点阵图。

D3D2D1D0W3W2W1W0表6-1 ROM中的信息表 地 址 内 容A1 A0D3D2D1D00 00 11 01 10101101101011100 存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩阵是或矩阵 地址译码器的输出和输入是与的关系，因此ROM是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）的与或逻辑阵列位线与字线之间逻辑关系为： D0=W0+W1 D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W37.2.2 可编程只读存储器(PROM) PROM的存储内容可以由使用者编制写入，但只能写入一次，一经写入就不能再更改 PROM和ROM的区别在于ROM由厂家编程，而PROM由用户编程出厂时PROM的内容全是1或全是0，使用时，用户可以根据需要编好代码，写入PROM中7.2.2 可编程只读存储器(PROM) 图7-4为一种PROM的结构图，存储矩阵的存储单元由双极型三极管和熔断丝组成7.2.2 可编程只读存储器(PROM)这种电路存储内容全部为0如果想使某单元改写为1，需要使熔断丝通过大电流，使它烧断一经烧断，再不能恢复7.2.3 可擦可编程只读存储器 PROM只能写一次的原因是熔丝断了，不能再接通。

EPROM的存储内容可以改变，但EPROM所存内容的擦除或改写，需要专门的擦抹器和编程器实现在工作时，也只能读出7.2.3 可擦可编程只读存储器 可擦除可编程存储器又可以分为： 光可擦除可编程存储器UVEPROM (Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory)7.2.3 可擦可编程只读存储器 可擦除可编程存储器又可以分为： 电可擦除可编程存储器E2PROM (Electrical Erasable Programmable Read - Only Memory) 快闪存储器(Flash Memory)等 快闪存储器以其高集成度、大容量、低成本和使用方便等优点得到广泛应用例如在一些较新的计算机主板上采用Flash ROM BIOS，会使得BIOS 升级变得非常方便7.3 随机存取存储器 随机存取存储器RAM (Random Access Memory)可随时从任一指定地址存入(写入)或取出(读出)信息 在计算机中，RAM用作内存储器和高速缓冲存储器 RAM分为静态SRAM和动态DRAM；静态RAM又分为双极型和MOS型7.3 随机存取存储器 静态RAM (Static RAM，SRAM)一旦将1个字写入某个存储位置中，只要不断电，其存储内容保持不变，除非该存储位置被重新写入信息。

动态RAM (Dynamic RAM，DRAM)，必须对存储的数据进行读出和重写操作来周期地刷新，否则存储器中的数据将会消失7.3 随机存取存储器 大多数RAM在断电后，所存储的数据会消失，是易失性存储器(volatile memory) 一些RAM在断电后仍能保持存储的数据不变，如老式的磁芯存储器和现代的CMOS静态RAMCMOS静态RAM含有一个寿命为10年的锂电池 近年来，出现了非易失性铁电RAM (ferroelectric RAM)，这些器件将磁元件和电元件组合在单个IC芯片上，断电后，保持状态不变7.3.1 静态RAM RAM具有地址输入、控制输入、数据输出和数据输入地址输入数据输入控制输入数据输出Chip-select (CS)inputOutput-enable (OE) inputWrite-enable (WE)7.3.1 静态RAM 静态RAM中存储单元的工作原理与D锁存器类似，不同于边沿式D触发器 即无论什么时候选中WE输入，所选存储单元的锁存器总是打开的或是透明的，输入数据流入或通过锁存器所存储的实际值是在锁存器关闭时存在的值7.3.1 静态RAM 静态RAM通常只具有两种已定义存储操作： 读 当CS和OE有效时，地址呈现在地址输入端上，所选存储位置上的锁存器输出被传递到DOUT。

写 地址呈现在地址输入端，数据字呈现在DIN上，接着CS和WE有效；所选存储位置上的锁存器被打开，输入字被存储7.3.1 静态RAM 静态RAM的内部结构 静态RAM中的每一位存储单元具有图示电路相同功能SRAM单元被组合成带有附加控制逻辑的阵列中，形成完整的静态RAM7.3.1 静态RAM 静态RAM的内部结构7.3.1 静态RAM SRAM的常见应用 在小的微处理机系统中做数据存储，通常是在“嵌入式”应用中，如、烤炉、电子减振器等通用计算机中常用DRAM 超快速SRAM通常在高性能计算机的“高速缓冲”存储器中存储常用指令和数据7.3.2 动态RAM SRAM中最基本的存储器单元是D锁存器，在分立设计中需要4个门电路，在定制设计的SRAM LSI 芯片中，需要4-6个晶体管实现 为了构建具有较高密度的RAM，芯片设计者发明了每位只用一个晶体管的存储器单元7.3.2 动态RAM DRAM存储单元 仅用一个晶体管构建一个双稳元件是不可能的动态RAM (dynamic RAM，DRAM)中的存储器单元是在微小的电容器上存储信息，并通过一个MOS管来存取这些信息写入信息时，字线为高电平，T导通，对电容CS充电，相当于写入1信息。

读出信息时，字线仍为高，T导通，对CB充电，读出电压VR为7.3.2 动态RAM DRAM存储单元 因为CBCS，所以读出电压比VS小很多，而每读一次，CS上电荷要少很多，造成破坏性读出，因而数据在读之后必须重新写入原来的单元 通过读出放大器(sense amplifier)能检测到这一微小变化，并将其恢复成相应的0或1注意，读一个单元会破坏存储在电容器上的原始电压，因而数据在读之后必须重新写入原来的单元7.3.2 集成RAM简介 图7-14是Intel公司1k4的CMOS型静态RAM 2114的结构图行地址译码器 6464 存储矩阵 I/O电路列地址译码器读写控制A6A7A8A9A0A1A2A3A4A5X0X63B0B63Y0Y15CSR/WD0D1D2D37.3.2 集成RAM简介 如图为CMOS型2k8的静态RAM 6116外引脚排列图7.3.2 集成RAM简介 如图为CMOS型8k8的静态RAM 6264外引脚排列图7.3.2 集成RAM简介 图7-21是单管DRAM 2116（16KX1）芯片的结构图它共有16个引脚，其中A0A6为地址输入线；而2116的容量为16K，需要14条地址线，为此2116采用了地址线分时复用技术，14位地址码分行、列两部分，分两次由7条地址线与芯片相连。

7.4 存储器容量的扩展 RAM的种类很多，存储容量有大有小当一片RAM不能满足存储容量需要时，就需要将若干片RAM组合起来，构成满足存储容量要求的存储器RAM的扩展分为位扩展和字扩展两种7.4 存储器容量的扩展 位扩展 字数满足要求，而位数不够时，应采用位扩展 实现位扩展的原则是： 多个单片RAM的I/O端并行输出 多个RAM的CS接到一起，作为RAM的片选端（同时被选中）； 地址端对应接到一起，作为RAM的地址输入端 多个单片RAM的R/W端接到一起，作为RAM的读/写控制端（读/写控制端只能有一个）； 7.4 存储器容量的扩展 位扩展 图6-15 RAM位扩展接线图CSR/WA0A1A7I/O1I/O2I/O3I/O4CS2561位RAM (1)A0 A1A7R/WCS2561位RAM (2)A0 A1A7R/WCS2561位RAM (3)A0 A1A7R/W2561位RAM (4)A0 A1A7R/WCS7.4 存储器容量的扩展 字扩展 在RAM的数据位的位数足够，而字数达不到要求时，需要进行字扩展字数增加，地址线数相应增加如2568位RAM的地址线数为8条，而10248位RAM的地址线数为10条。

7.4 存储器容量的扩展 实现字扩展的原则是： 多个单片RAM的I/O端并接，作为RAM的I/O端 多片构成字扩展之后，每次访问只能选中一片，选中哪一片，由字扩展后多出的地址线决定多出的地址线经输出低有效的译码器译码，接至各片RAM的CS端； 地址端。