第40講第二十四章：半導(dǎo)體存儲器一2010年新版

1、第24章半導(dǎo)體存儲器24.1只讀存儲器ROM的一般結(jié)構(gòu)和工作原理(1) ROM勺內(nèi)部結(jié)構(gòu)由地址譯碼器和存儲矩陣組成，下圖所示是ROM勺內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖地 址 輸 入AoA1地址譯碼器An 1存儲單元W0字線W1WiW?111t位線Do D1Db1輸出數(shù)據(jù)Vcc地址譯碼器TMUA1圖ROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖W3D3ii=b存儲矩陣輸出緩沖器DoD1D2>gI|卜 彳W0 W1 W2 W3D3D2D1Do(a)(b)圖二極管ROM電路地址譯碼器將輸入的地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，并以此從存儲矩陣指定單元中選出數(shù)據(jù)送至輸出緩沖器。由于存儲單元數(shù)量眾多，無法直接將每個存儲單元輸入/輸出直接引出。所以給

2、每個存儲單元確定一個地址，只有被輸入地址代碼選中存儲單元的數(shù)據(jù)才能與公共的輸入輸出端口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。輸出緩沖器在提高存儲器帶負(fù)載能力的同時，實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制。圖（a）為二極管組成的ROMfe路，具有兩位地址輸入、四位數(shù)據(jù)輸出。地址譯碼器由二極管與門構(gòu)成, 存儲矩陣由二極管組成的編碼器構(gòu)成。輸出一個代碼稱為一個“字”。A、A稱為地址線；W W稱為字線；D3 D0稱為位線。（2）輸出信號表達(dá)式與門陣列輸出表達(dá)式：Wo 二 Ai AoW1 二 A1A0W2 Ai AoW3 A A°或門陣列輸出表達(dá)式：Do =W0 W2D1 =W1 W2 W3D2 二Wo W2 W3D3 W1

3、 W3（3）ROM輸出信號的真值表表RON輸岀信號真值表4A：AAB；000101011010100111111110（4）功能說明從存儲器角度看，AiAo是地址碼，D3D2DD是數(shù)據(jù)。上表說明：在 oo地址中存放的數(shù)據(jù)是 oioi ； oi地址 中存放的數(shù)據(jù)是ioio，io地址中存放的是oiii, ii地址中存放的是iiio。從函數(shù)發(fā)生器角度看，A、Ao是兩個輸入變量，D、D、D、口是4個輸出函數(shù)。表中說明：當(dāng)變量 A、Ao取值為oo時，函數(shù) D = o、D2 = i、D= o、D= i ;當(dāng)變量 A、Ao取值為o i時，函數(shù) D= i、D2= o、D = i、D0= 0;從譯碼編碼角度看，

4、與門陣列先對輸入的二進(jìn)制代碼 AA進(jìn)行譯碼，得到4個輸出信號 W、W W W, 再由或門陣列對 WW4個信號進(jìn)行編碼。表說明： W的編碼是0101; W的編碼是1010; W的編碼是0111 ； W的編碼是1110。的種類(1) 不可編程ROM存儲信息不能改寫)MRO的內(nèi)容是由生產(chǎn)廠家按用戶要求在芯片的生產(chǎn)過程中寫入 的，寫入后不能修改。 MRO采用二次光刻掩膜工藝制成，首先要制作一個掩膜板，然后通過掩膜板曝光，在硅片上刻出圖形。由存儲體的電路結(jié)構(gòu)和讀出信息可知，當(dāng)字母和位線的交叉處有二極管，相當(dāng)于信息為1,否則信息為0(2) 可編程只讀存儲器EPROM1采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器，它的存

5、儲單元多采用N溝道疊柵MOS管，信息的存儲是通過MOS管浮柵上的電荷分布來決定的，編程過程就是一個電荷注入過程。編程結(jié)束后，盡管撤除了電源，但 是，由于絕緣層的包圍，注入到浮柵上的電荷無法泄漏，因此電荷分布維持不變，EPROM也就成為非易失性存儲器件了。當(dāng)外部能源(如紫外線光源)加到EPROI上時，EPROM內(nèi)部的電荷分布才會被破壞，此時聚集在MOS管浮柵上的電荷在紫外線照射下形成光電流被泄漏掉，使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而擦除了所有寫入的信息。這樣EPROI又可以寫入新的信息24.2隨機存取存儲器RAM2421 RAM的基本工作原理隨機存取存儲器簡稱 RAM也叫做讀/寫存儲器，既能方便地讀出所

6、存數(shù)據(jù)， 又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。RAM 的缺點是數(shù)據(jù)的 易失性，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。RAM的基本結(jié)構(gòu)由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制器、輸入/輸出控制、片選控制等幾部分組成。圖RAM的結(jié)構(gòu)示意框圖存儲矩陣RAM的核心部分是一個寄存器矩陣，用來存儲信息，稱為存儲矩陣。下圖所示是1024X 1位的存儲矩陣和地址譯碼器。屬多字1位結(jié)構(gòu)，1024個字排列成32X 32的矩陣，中間的每一個小方塊代表一個存儲單元。為了存取方便，給它們編上號，32行編號為Xo、X、X?1, 32列編號為Yo、Y、丫31。這樣每一個存儲單元都有了一個固定的編號（X行、Yj列），稱為地址。地址輸入地址輸入圖1024

7、 X 1位RAM的存儲矩陣讀/寫控制訪問RAM時，對被選中的寄存器，究竟是讀還是寫，通過讀/寫控制線進(jìn)行控制。如果是讀，則被選中單元存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線、輸入/輸出線傳送給 CPU如果是寫，則 CPU將數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入/輸出線、數(shù)據(jù)線存入 被選中單元。一般RAM的讀/寫控制線高電平為讀，低電平為寫；也有的RAM®/寫控制線是分開的，一根為讀，另一根為寫。輸入/輸出RAM通過輸入/輸出端與計算機的中央處理單元（ CPU交換數(shù)據(jù)，讀出時它是輸出端，寫入時它是輸入端，即一線二用，由讀/寫控制線控制。輸入/輸出端數(shù)據(jù)線的條數(shù)，與一個地址中所對應(yīng)的寄存器位數(shù)相同， 例如在1024X 1位的RAM中，

8、每個地址中只有1個存儲單元（1位寄存器），因此只有1條輸入/輸出線；而 在256X 4位的RAM中,每個地址中有4個存儲單元（4位寄存器），所以有4條輸入/輸出線。也有的RAM俞 入線和輸出線是分開的。RAM勺輸出端一般都具有集電極開路或三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)。RAM的輸入/輸出控制電路下圖給出了一個簡單的輸入/輸出控制電路。當(dāng)選片信號CS= 1時，G、器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止讀D-D圖輸入/輸出控制電路G4輸出為0,三態(tài)門G、G、G3均處于高阻狀態(tài)，輸入/輸出(I/O端與存儲/寫操作，即不工作。當(dāng)CS= 0時，芯片被選通:當(dāng)R/W = 1時，G輸出高電平，G被打開，于是被選中的單元所存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在

9、I/O端，存儲器執(zhí)行讀操作；當(dāng)R/W = 0時，G輸出高電平，G、G被打開，此時加在I/O端的數(shù)據(jù)以互補的形式出現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)線上，并被存入到所選中的存儲單元，存儲器執(zhí)行寫操作。靜態(tài)RAM中的存儲單元存儲單元是存儲器的核心部分。按工作方式不同可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，按所用元件類型又可分為雙極型和MOS型兩種，因此存儲單元電路形式多種多樣。(1)靜態(tài)RAM的基本存儲電路靜態(tài)RAM的基本存儲電路通常由 6個MOS管組成，如圖所示。電路中 VI、V2為工作管，V V為負(fù)載管，V V6為控制管。其中，由 Vi、V2、V3及V4管組成了雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，Vi和V2的工作狀態(tài)始終為一個導(dǎo)通，另一個截止。Vi截

10、止、V2導(dǎo)通時，A點為高電平，B點為低電平；V導(dǎo)通、V2截止時，A點為低電平，B點為高 電平。所以，可用 A點電平的高低來表示“ 0”和“ 1”兩種信息。行選擇線X圖六管靜態(tài)RAM存儲電路V V8管為列選通管，配合 V “兩個行選通管，可使該基本存儲電路用于雙譯碼電路。當(dāng)行線 X和列線 Y都為高電平時，該基本存儲電路被選中，V5、6、V V管都導(dǎo)通，于是 A B兩點與I/O、I/O分別連通，從而可以進(jìn)行讀/寫操作。寫操作時，如果要寫入“ 1”，則在I/O線上加上高電平，在I/O線上加上低電平，并通過導(dǎo)通的 V5、 V V 4個晶體管，把高、低電平分別加在A、B點，即A=“ 1”，B= “0”，

11、使V管截止，V管導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號和地址選擇信號(即行、列選通信號)消失以后，V5、V V7、乂管都截止，Vi和V2管就保持被強迫寫入的 狀態(tài)不變，從而將“ 1”寫入存儲電路。此時，各種干擾信號不能進(jìn)入Vi和V2管。所以，只要不掉電，寫入的信息不會丟失。寫入“ 0”的操作與其類似，只是在I/O線上加上低電平，在I/O線上加上高電平。讀操作時，若該基本存儲電路被選中，則V5、V6、Vz、V8管均導(dǎo)通，于是 A B兩點與位線D和D相連,存儲的信息被送到I/O與I/O線上。讀出信息后，原存儲信息不會被改變。由于靜態(tài)RAM勺基本存儲電路中管子數(shù)目較多，故集成度較低。此外， T1和T2管始終有一個處于導(dǎo)通

12、 狀態(tài)，使得靜態(tài)RAM的功耗比較大。但是靜態(tài)RAM不需要刷新電路，所以簡化了外圍電路。(2) 動態(tài)RAM的基本存儲電路動態(tài)存儲器和靜態(tài)存儲器不同，動態(tài)RAM的基本存儲電路利用電容存儲電荷的原理來保存信息，由于電容上的電荷會逐漸泄漏，因而對動態(tài)RAM必須定時進(jìn)行刷新，使泄漏的電荷得到補充。(3) RAM勺容量擴展在實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要大容量的RAM在單片RAM芯片容量不能滿足要求時，就需要進(jìn)行擴展，將多片RAM組合起來，構(gòu)成存儲器系統(tǒng)(也稱存儲體)1 位擴展用8片1024 (1K)X 1位RAM構(gòu)成的1024X 8位RAM系統(tǒng)。-I/Oo- 1/011/07圖 1KX1 位 RAM擴展成1KX 8位RAM2.字?jǐn)U展用8片1KX 8位RAM勾成的8KX 8位RAM圖中輸入/輸出線，讀/寫線和地址線 AoA是并聯(lián)起來的，高位地址碼Ao、A1和A12經(jīng)74138譯碼器8個輸出端分別控制8片1KX 8位RAM勺片選端，以實現(xiàn)字?jǐn)U展。I/O。1/01 I/O 71024 X8RAMAOA1 A9 R/WCSI/O o 1/01 |/071024X8RAM0I/07 OI/O