數(shù)字電子技術(shù)劉漢華第7章半導(dǎo)體存儲器

1、1第七章第七章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器本章的重點：本章的重點： 1 1存儲器的基本工作原理、分類、指標參數(shù)和每種類型存儲器的基本工作原理、分類、指標參數(shù)和每種類型存儲器的特點；存儲器的特點； 2 2擴展存儲器容量的方法；擴展存儲器容量的方法； 3 3用存儲器設(shè)計組合邏輯電路的原理和方法。用存儲器設(shè)計組合邏輯電路的原理和方法。 因為存儲器幾乎都作成因為存儲器幾乎都作成lsilsi器件，所以這一章的重點內(nèi)容器件，所以這一章的重點內(nèi)容是如何正確使用這些器件。存儲器內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)不是課程是如何正確使用這些器件。存儲器內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)不是課程的重點。的重點。本章的難點：本章的難點： 在本章的重點內(nèi)容中基

2、本沒有難點。在本章的重點內(nèi)容中基本沒有難點。2預(yù)備知識預(yù)備知識 字：字：數(shù)字系統(tǒng)中，作為一個整體單元進行存取和處理的一組二數(shù)字系統(tǒng)中，作為一個整體單元進行存取和處理的一組二進制數(shù)，每個數(shù)字系統(tǒng)字的二進制數(shù)的位數(shù)是固定的。進制數(shù)，每個數(shù)字系統(tǒng)字的二進制數(shù)的位數(shù)是固定的。 字節(jié)：字節(jié)：把一個把一個8位的二進制數(shù)據(jù)單元稱為一個字節(jié)，通常用字位的二進制數(shù)據(jù)單元稱為一個字節(jié)，通常用字母母b表示。表示。 字長：字長：一個字中包含二進制數(shù)位數(shù)的多少稱為字長，字長是標一個字中包含二進制數(shù)位數(shù)的多少稱為字長，字長是標志數(shù)字系統(tǒng)精度的一項技術(shù)指標。志數(shù)字系統(tǒng)精度的一項技術(shù)指標。kb即為即為k字節(jié)字節(jié) 1k=210

3、 =1024 bmb即為即為m字節(jié)字節(jié) 1m=220 =1024 k gb即為即為g字節(jié)字節(jié) 1g=230 =1024 m 位：位：數(shù)字系統(tǒng)只認識由數(shù)字系統(tǒng)只認識由0或或1組成的二進制數(shù)，二進制數(shù)中的組成的二進制數(shù)，二進制數(shù)中的每個每個0或或1就是信息的最小單位，稱為就是信息的最小單位，稱為“位位”（bit），也稱為二進），也稱為二進制的位或稱字位，通常用字母制的位或稱字位，通常用字母b表示。表示。3第七章第七章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述存儲器：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)存儲器：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。體器件。用途：在計算機或數(shù)字系統(tǒng)

4、中存儲數(shù)據(jù)。用途：在計算機或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)。 與寄存器的區(qū)別：以與寄存器的區(qū)別：以字字為單位存取，每字包含若干為單位存取，每字包含若干位位。各個字。各個字的相同位通過的相同位通過同一引腳同一引腳與外界聯(lián)系。每個字分配一個與外界聯(lián)系。每個字分配一個地址地址，因此內(nèi)，因此內(nèi)部有地址譯碼器。部有地址譯碼器。4分類：分類：1. 掩模掩模rom2. 可編程可編程rom（prom）3. 可擦除可編程可擦除可編程rom（eprom）2. 隨機存儲器隨機存儲器ram1. 靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器sram2. 動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器dram按按功功能能(read- only memory)(random acce

5、ss memory)(programmable rom)(erasable prom)1. uveprom2. eeprom1. 只讀存儲器只讀存儲器rom3. flash memory(ultra-violet)(electrically)電可擦除電可擦除紫外線擦除紫外線擦除(static ram)快閃存儲器快閃存儲器(dynamic ram)只能讀出不能只能讀出不能寫入寫入,斷電不失斷電不失1. 雙極型雙極型按按制造制造工藝工藝2. mos型型5 主要指標：存儲容量、存取速度。主要指標：存儲容量、存取速度。 存儲容量存儲容量:用字數(shù)用字數(shù)位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某位數(shù)表示，也可只用

6、位數(shù)表示。如，某動態(tài)存儲器的容量為動態(tài)存儲器的容量為109位位/片。片。 存取速度：用完成一次存取所需的時間表示。高速存儲器存取速度：用完成一次存取所需的時間表示。高速存儲器的存取時間僅有的存取時間僅有10ns左右。左右。6第二節(jié)第二節(jié) 只讀存儲器只讀存儲器rom一、掩模只讀存儲器一、掩模只讀存儲器又稱為固定又稱為固定rom。工廠。工廠按用戶要求生產(chǎn)出來后，按用戶要求生產(chǎn)出來后，用戶不能改動。用戶不能改動。1.rom的構(gòu)成的構(gòu)成 由若干存儲單元排列成矩陣形式。由若干存儲單元排列成矩陣形式。儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或mos管構(gòu)成。管構(gòu)成。根據(jù)地址輸入

7、，在存儲矩陣中選出指定的字對應(yīng)根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。增加帶負載能力；同時提供三態(tài)控制，以便和系增加帶負載能力；同時提供三態(tài)控制，以便和系統(tǒng)的總線相連。統(tǒng)的總線相連。存儲矩陣存儲矩陣：地址譯碼器地址譯碼器：輸出緩沖器：輸出緩沖器：72.工作原理工作原理按組合電路進行分析。按組合電路進行分析。二四線二四線譯碼器譯碼器a1,a0的的四個最小四個最小項項字線字線地址譯碼是四個二極管與門；地址譯碼是四個二極管與門；當當en=0時時d1= d3 = a0d0 = w1+ w0 = a1真值表：真值表：真值表與存真值表與存儲單元

8、有一儲單元有一一對應(yīng)關(guān)系一對應(yīng)關(guān)系位線位線0011d01010d11101d21010d31010a01100a1d3 = w1+w3 = a1a0+a1a0=a0d2= w1= a1+a0存儲矩陣是四個二極管或門；存儲矩陣是四個二極管或門；8用用mos工藝制造的工藝制造的rom的存儲矩陣的存儲矩陣（自學(xué)，不要求）（自學(xué)，不要求）9二、可編程只讀存二、可編程只讀存儲器儲器prom 產(chǎn)品出廠產(chǎn)品出廠時存的全是時存的全是1，用戶可一次性用戶可一次性寫入，即把某寫入，即把某些些1改為改為0。但。但不能多次擦除。不能多次擦除。 存儲單元多采用熔絲低熔存儲單元多采用熔絲低熔點金屬或多晶硅。寫入時設(shè)法在點

9、金屬或多晶硅。寫入時設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。斷。編程編程時時vcc和字和字線電線電壓提壓提高高be結(jié)結(jié)相當相當于二于二極管極管1016字字8位的位的prom十十六六條條字字線線八八條條位位線線20v十幾微秒十幾微秒編程脈沖編程脈沖缺點：不能重復(fù)擦除。缺點：不能重復(fù)擦除。241611三、可擦除的可編程只讀存儲器三、可擦除的可編程只讀存儲器（eprom）（一）紫外線擦除的只讀存儲器（一）紫外線擦除的只讀存儲器（uveprom） 是最早出現(xiàn)的是最早出現(xiàn)的eprom。通常說的。通常說的eprom就是就是指這種。指這種。 寫入：利用雪崩擊穿或電荷注入，使存儲單寫

10、入：利用雪崩擊穿或電荷注入，使存儲單元存入數(shù)據(jù)。電荷可長期保存在元存入數(shù)據(jù)。電荷可長期保存在125環(huán)環(huán)境溫度下，境溫度下，70%的電荷能保存的電荷能保存10年以上。年以上。擦除：用紫外線或擦除：用紫外線或x射線擦除。需射線擦除。需2030分鐘。分鐘。 缺點：需要兩個缺點：需要兩個mos管；編程電壓偏高；管；編程電壓偏高；p溝道管的開關(guān)速度低。溝道管的開關(guān)速度低。12這是一種雙譯碼方式，這是一種雙譯碼方式，行地址譯碼器和列地行地址譯碼器和列地址譯碼器共同選中一址譯碼器共同選中一個單元。每個字只有個單元。每個字只有一位。一位。256字字x1位的位的prom結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理圖。圖。2825613gc

11、gf漏極漏極（二）電可擦除（二）電可擦除eprom(eeprom或或e2rom) 用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必須尋用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必須尋找新的存儲器件，使得可以用電信號進行擦除。找新的存儲器件，使得可以用電信號進行擦除。快閃存儲器就是針對此缺點研制的?？扉W存儲器就是針對此缺點研制的。 eeprom的缺點：擦寫需要高電壓脈沖；擦寫時間長；存儲單的缺點：擦寫需要高電壓脈沖；擦寫時間長；存儲單元需兩只元需兩只mos管。管。14存儲單元的工作原理：存儲單元的工作原理：1.寫入利用雪崩注入法。寫入利用雪崩注入法。2.擦除用隧道效應(yīng)。擦除用隧道效應(yīng)。3.讀出：源極接地，字線為讀出：源

12、極接地，字線為5v邏輯高邏輯高電平。電平。6v0v12v10 s0v12v100ms快閃存儲器特點：集成度高，容量大，成本低，使用快閃存儲器特點：集成度高，容量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位產(chǎn)品問世。很有發(fā)展前途。兆位產(chǎn)品問世。很有發(fā)展前途。5v（三）快閃存儲器（三）快閃存儲器(flash memory）151. rom的通用結(jié)構(gòu)（的通用結(jié)構(gòu)（ram也通用）也通用）2.掩模掩模rom中用戶不能改動數(shù)據(jù)，不方便中用戶不能改動數(shù)據(jù)，不方便可重復(fù)擦寫的可重復(fù)擦寫的uveprom（eprom），擦除超慢），擦除超慢7.2 rom的小結(jié)：的小結(jié)：一次性寫入的一次性寫入的prom，不能重復(fù)擦

13、寫。，不能重復(fù)擦寫。存儲容量的計算存儲容量的計算若地址線有若地址線有n條（位），則條（位），則存儲單元數(shù)（即字數(shù)）存儲單元數(shù)（即字數(shù)）2n若數(shù)據(jù)線有若數(shù)據(jù)線有m條（位），則位數(shù)條（位），則位數(shù)m快閃存儲器特點快閃存儲器特點慢速慢速擦除擦除可重復(fù)擦寫的可重復(fù)擦寫的eeprom，擦寫需要高電壓脈沖擦寫需要高電壓脈沖16第三節(jié)第三節(jié) 隨機存儲器（隨機存儲器（ram）一、靜態(tài)隨機存儲器一、靜態(tài)隨機存儲器sram 特點：特點：ram在工作時在工作時可隨時對任意指定單元進行讀或?qū)懖僮??？呻S時對任意指定單元進行讀或?qū)懖僮?。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會丟失。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息

14、就會丟失。動態(tài)隨機存儲器動態(tài)隨機存儲器dram（一）（一）ram的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.存儲矩陣存儲矩陣2.地址譯碼：雙譯碼。地址譯碼：雙譯碼。3.讀寫控制電路：讀寫控制電路：六管單元六管單元片選信號片選信號cs：控制控制i/o端是否處在高阻狀態(tài)。端是否處在高阻狀態(tài)。讀寫控制信號讀寫控制信號r/ w：控制電路處于控制電路處于讀出讀出還是還是寫入寫入狀態(tài)。狀態(tài)。靜態(tài)隨機存儲器靜態(tài)隨機存儲器sram(也可稱為讀寫存儲器也可稱為讀寫存儲器)171024字字4位（位（2114）sram結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)18（二）靜態(tài)（二）靜態(tài)ram的存儲單元的存儲單元1.六管六管nmos靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元2.六管六管cmos靜態(tài)

15、存儲單元靜態(tài)存儲單元3.雙極型靜態(tài)存儲單元雙極型靜態(tài)存儲單元 利用利用mos管管柵極電容柵極電容可以暫存電荷的原理制成。因此，可以暫存電荷的原理制成。因此，存儲單元簡單，存儲容量大。但柵極存儲單元簡單，存儲容量大。但柵極電容電容很小，由于漏電的很小，由于漏電的影響，電容電荷保存時間很短。必須定時給電容充電影響，電容電荷保存時間很短。必須定時給電容充電刷刷新新、再生再生。這就需要外圍電路配合。這就需要外圍電路配合。*二、動態(tài)隨機存儲器二、動態(tài)隨機存儲器dram19第四節(jié)第四節(jié) 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展一、位擴展方式一、位擴展方式 方法：所有輸入信號都并聯(lián)（地址信號、片選信號和方法：所有輸

16、入信號都并聯(lián)（地址信號、片選信號和讀寫信號）。輸出并列。讀寫信號）。輸出并列。n=目標存儲器容量目標存儲器容量已有存儲器容量已有存儲器容量需要片數(shù)需要片數(shù)n=8例：用例：用1024字字1位位ram構(gòu)成構(gòu)成1024字字8位位ram.20二、字擴展方式二、字擴展方式例：用例：用256字字8位位ram組成組成1024字字8位存儲器。位存儲器。需要片數(shù)需要片數(shù)n4n=目標存儲器容量目標存儲器容量已有存儲器容量已有存儲器容量特點：必須使用譯碼器。特點：必須使用譯碼器。各片地址分配情況：各片地址分配情況：000h0ffh100h1ffh2ffh3ffh200h300h字擴展圖字擴展圖當要求字和位都擴展時，

17、重復(fù)使用字擴展的電路，但譯碼器只用一個。當要求字和位都擴展時，重復(fù)使用字擴展的電路，但譯碼器只用一個。21字擴展字擴展方法：片內(nèi)地址信號并聯(lián)；多余地址端方法：片內(nèi)地址信號并聯(lián)；多余地址端通過譯碼器接至各片的片選端；通過譯碼器接至各片的片選端；i/o同同名端并聯(lián)。名端并聯(lián)。并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)譯譯碼碼器器cscscscs22 三三 位與字同時擴展位與字同時擴展： 例：例： 用用2114芯片（芯片（10244位）擴展成位）擴展成20488位的存儲系統(tǒng)位的存儲系統(tǒng) 解：需要解：需要4片，先進行位擴展，然后進行字擴展，如下圖。片，先進行位擴展，然后進行字擴展，如下圖。cscscscs23例：某系統(tǒng)的內(nèi)存儲

18、器容量為例：某系統(tǒng)的內(nèi)存儲器容量為64k16位，存儲器芯位，存儲器芯片采用片采用62256（32k8位的位的sram），畫出存儲器的），畫出存儲器的擴展接線草圖擴展接線草圖 解：需要解：需要4片，可先進行字擴展，然后進行位字擴展，如下圖。片，可先進行字擴展，然后進行位字擴展，如下圖。24第五節(jié)第五節(jié) 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù) rom的每個輸出都是由地址輸入的最小項之和的形式給出的每個輸出都是由地址輸入的最小項之和的形式給出的，因此可以用來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。的，因此可以用來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。25第五節(jié)第五節(jié) 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)2627不可編程不可編程打點處有二極管打點處有二極管rom的簡化表示方法。的簡化表示方法。28 也可以簡畫為下圖29第五節(jié)第五節(jié) 用存儲器實