第七章半導(dǎo)體存儲器

1、第七章半導(dǎo)體存儲器存儲器存儲器用以存儲二進制信息的器件。用以存儲二進制信息的器件。半導(dǎo)體存儲器的分類：半導(dǎo)體存儲器的分類：根據(jù)使用功能的不同，半導(dǎo)體存儲器可分為兩大類：根據(jù)使用功能的不同，半導(dǎo)體存儲器可分為兩大類：（1）隨機存取存儲器（）隨機存取存儲器（RAM）也叫做讀）也叫做讀/寫存儲器。既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時寫存儲器。既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。寫入新的數(shù)據(jù)。RAM的缺點是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。的缺點是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。（2）只讀存儲器（）只讀存儲器（ROM）。其內(nèi)容只能讀出不能寫入。）。其內(nèi)容只能讀出不能寫入。 存儲

2、的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，存儲的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，即具有非易失性。即具有非易失性。存儲器的容量：存儲器的容量存儲器的容量：存儲器的容量=字長（字長（n）字數(shù)（字數(shù)（m）存儲器的基本概念存儲器的基本概念一一 RAM的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制器、輸入由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制器、輸入/輸出控制、輸出控制、片選控制等幾部分組成。片選控制等幾部分組成。7.1 隨機存取存儲器隨機存取存儲器（RAM）存存儲儲矩矩陣陣讀讀 / /寫寫控控 制制 器器地地址址譯譯碼碼器器地地址址碼碼輸輸片片 選選讀讀 / /寫寫 控控 制制輸輸 入入 / /輸輸 出出 1. 存儲矩陣存儲矩

3、陣圖中，圖中，1024個字排個字排列成列成3232的矩的矩陣。陣。為了存取方便，給為了存取方便，給它們編上號。它們編上號。3 2 行 編 號 為行 編 號 為 X0、X1、X31，3 2 列 編 號 為列 編 號 為 Y0、Y1、Y31。這樣每一個存儲單這樣每一個存儲單元都有了一個固元都有了一個固定的編號，稱為定的編號，稱為地址。地址。 000001111313113131310131列 譯 碼 器行譯碼器. .位線位線位線位線位線位線.X XX XX XY YY YY Y01310131AAAAA地 址 輸 入地址輸入56789DD數(shù)據(jù)線.2AA3A01A4A2地址譯碼器地址譯碼器將寄將寄存

4、器地址對應(yīng)的二進制存器地址對應(yīng)的二進制數(shù)譯成有效的行選信號數(shù)譯成有效的行選信號和列選信號，從而選中和列選信號，從而選中該存儲單元。該存儲單元。 例如，輸入地址碼例如，輸入地址碼A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，則行選線，則行選線 X11、列選線、列選線Y01，選中第，選中第X1行第行第Y0列的那個存儲單元。列的那個存儲單元。000001111313113131310131列 譯 碼 器行譯碼器. .位線位線位線位線位線位線.X XX XX XY YY YY Y01310131AAAAA地 址 輸 入地址輸入56789DD數(shù)據(jù)線.2AA3A01A4A采用雙譯碼結(jié)構(gòu)。

5、采用雙譯碼結(jié)構(gòu)。 行地址譯碼器：行地址譯碼器：5輸入輸入32輸出，輸入為輸出，輸入為A0、A1 、A4， 輸出為輸出為X0、X1、X31； 列地址譯碼器：列地址譯碼器：5輸入輸入32輸出，輸入為輸出，輸入為A5、A6 、A9，輸出為，輸出為Y0、Y1、Y31， 這樣共有這樣共有10條地址線。條地址線。VV8T7T6T5TT線4位據(jù)（列選擇線）D3線1TiY（行選擇線）jB數(shù)TXTD DG2D線位B數(shù)線據(jù)3 RAM的存儲單元的存儲單元例：例： 六管六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元存儲存儲單元單元（1）寫入過程：）寫入過程： 例如寫入例如寫入“1 1”（2）讀出過程：）讀出過程： 例如例如 讀

6、出讀出“1 1”T1、T2為為NMOS非門，非門，T3、T4也為也為NMOS非門，非門，兩個非門交叉連接組成兩個非門交叉連接組成基本觸發(fā)器存儲數(shù)據(jù)?；居|發(fā)器存儲數(shù)據(jù)。T5、T6為門控管。為門控管。T7、T8是每一列共用的門控管。是每一列共用的門控管。1100010110&GGGCSR/W3451GDDI/OG2 4. 片選及輸入片選及輸入/輸出控制電路輸出控制電路 當選片信號當選片信號CS1時，時，G5、G4輸出為輸出為0，三態(tài)門，三態(tài)門G1、G2、G3均處于高阻均處于高阻狀態(tài)，狀態(tài)，I/O端與存儲器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止讀端與存儲器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止讀/寫操作，即不工作。寫

7、操作，即不工作。當當CS0時，芯片被選通：當時，芯片被選通：當R/W1時，時，G5輸出高電平，輸出高電平，G3被打開，被選中的單元所存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在被打開，被選中的單元所存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在I/O端，端，存儲器執(zhí)行讀操作；存儲器執(zhí)行讀操作；當當R/W 0時，時，G4輸出高電平，輸出高電平，G1、G2被打開，此時加在被打開，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，存端的數(shù)據(jù)以互補的形式出現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)線上，存儲器執(zhí)行寫操作。儲器執(zhí)行寫操作。 二二. RAM的工作時序（以寫入過程為例）的工作時序（以寫入過程為例）tW C寫入單元的地址ADDtW PCSR/WI/O寫入數(shù)據(jù)A StW RtD

8、 WtD Ht寫入操作過程如下：寫入操作過程如下：（1）欲寫入單元的地址加到存儲器的地址輸入端；）欲寫入單元的地址加到存儲器的地址輸入端；（2）加入有效的選片信號）加入有效的選片信號CS；（3）將待寫入的數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)輸入端。）將待寫入的數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)輸入端。（3）在）在R/W 線上加低電平，進入寫工作狀態(tài)；線上加低電平，進入寫工作狀態(tài)；（4）讓選片信號）讓選片信號CS無效，無效，I/O端呈高阻態(tài)。端呈高阻態(tài)。三三 RAM的容量擴展的容量擴展1位擴展位擴展用用8片片1024（1K）1位位RAM構(gòu)成的構(gòu)成的10248位位RAM系統(tǒng)。系統(tǒng)。10241RA MA AAR/W CS01.I/OI/O.10

9、241RA MA AAR/W CS01.I/OI/O10241RA MA AAR/W CS019.I/OI/O.AA01017999ACSR/W2字擴展字擴展.ACYYGG0BG17.Y174LS138+5VA122A2B10248R A MA AAR/W CS01.I/O.10248R A MA AAR/W CS01.I/O10248R A MA AAR/W CS019.I/OAA01R/W017999A0I/O0I/O0I/OI/O1I/O1I/O17I/O7I/O7I/O.A11A10例：用例：用8片片1K8位位RAM構(gòu)成的構(gòu)成的8K8位位RAM。四、四、RAM芯片簡介芯片簡介(6116

10、)(6116)1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GND61166116為為2K2K8 8位的靜態(tài)位的靜態(tài)CMOSRAMCMOSRAM100CS片選片選0OE輸出使能輸出使能10WE讀讀/寫控制寫控制穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定A0 A10地址碼輸入地址碼輸入高高 阻阻 態(tài)態(tài)輸輸 出出輸輸 入入D0 D7輸輸 出出工作模式工作模式低功耗維持低功耗維持讀讀寫寫61166116的功能表的功能表A0A10是地址碼輸入端，是地址碼輸入端，D0D7是數(shù)據(jù)輸出端，是數(shù)據(jù)輸出

11、端， CS是選片端，是選片端，OE是輸出使能端，是輸出使能端， WE是讀寫控制端。是讀寫控制端。（2）一次性可編程）一次性可編程ROM（PROM）。出廠時，存儲內(nèi)容全為）。出廠時，存儲內(nèi)容全為1（或全（或全為為0），用戶可根據(jù)自己的需要編程，但只能編程一次。），用戶可根據(jù)自己的需要編程，但只能編程一次。7.2 只讀存儲器只讀存儲器(ROM) 一一 ROM的分類的分類按照數(shù)據(jù)寫入方式特點不同，按照數(shù)據(jù)寫入方式特點不同，ROM可分為以下幾種：可分為以下幾種：（1）固定）固定ROM。廠家把數(shù)據(jù)寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。廠家把數(shù)據(jù)寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。（3）光可擦除可編程）光可

12、擦除可編程ROM（EPROM）。采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器。其內(nèi)容可通過紫外線照射而被）。采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器。其內(nèi)容可通過紫外線照射而被擦除，可多次編程。擦除，可多次編程。（5）快閃存儲器（）快閃存儲器（Flash Memory）。也是采用浮柵型）。也是采用浮柵型MOS管，存儲器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)管，存儲器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)據(jù)寫入方式與據(jù)寫入方式與EPROM相同，一般一只芯片可以擦除相同，一般一只芯片可以擦除/寫入寫入100萬次以上。萬次以上。（4）電可擦除可編程）電可擦除可編程ROM（E2PROM）。也是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程）。也是采用浮柵

13、技術(shù)生產(chǎn)的可編程ROM，但是構(gòu)成其存儲單元的是，但是構(gòu)成其存儲單元的是隧道隧道MOS管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量級）。管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量級）。E2PROM的電擦除過程就的電擦除過程就是改寫過程，它具有是改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似的非易失性，又具備類似RAM的功能，可以隨時改寫（可重復(fù)擦寫的功能，可以隨時改寫（可重復(fù)擦寫1萬次以萬次以上）。上）。二二ROM的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理輸1AA器.地入址譯0n 1地碼址A.i單元n2 1b 1.1D.WWi0單元Dn.1位位線線.2 1輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)DW.001單

14、元單元W存存儲儲單單元元字字線線1.ROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由地址譯碼器和存儲矩陣組成。由地址譯碼器和存儲矩陣組成。2. ROM的基本的基本工作原理：工作原理：由地址譯碼器由地址譯碼器和或門存儲矩陣組成。和或門存儲矩陣組成。例 ： 存 儲 容 量 為例 ： 存 儲 容 量 為 4 4 的的ROMROM真值表真值表A0AW0W3W2W11地地址址譯譯碼碼器器D32DD1110D11地地 址址存存 儲儲 內(nèi)內(nèi) 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0二極管固定二極管固定ROM舉例舉例（1）電路組成：）電路組成：. .

15、ENDENENDDDEN.DDDD00112233輸出緩沖器位線WWW0123字線與門陣列（譯碼器）EN.1A（編碼器）.或0.1.A1.陣1CC門.1WV列.由二極管與門和由二極管與門和或門構(gòu)成?；蜷T構(gòu)成。與門陣列組成與門陣列組成譯碼器，或門譯碼器，或門陣列構(gòu)成存儲陣列構(gòu)成存儲陣列。陣列。（2）輸出信號表達式）輸出信號表達式與門陣列輸出表達式：與門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD 3211WWWD 3202WWWD 313WWD . .ENDENENDDDEN.DDDD00112233輸出緩沖器位線W

16、WW0123字線與門陣列（譯碼器）EN.1A（編碼器）.或0.1.A1.陣1CC門.1WV列.（3）ROM存儲內(nèi)容的真值表存儲內(nèi)容的真值表與門陣列輸出表達式：與門陣列輸出表達式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 或門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：200WWD 3211WWWD 3202WWWD 313WWD 地地 址址存存 儲儲 內(nèi)內(nèi) 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 01.作函數(shù)運算表電路作函數(shù)運算表電路【例例7.21】試用試用ROM構(gòu)成能實現(xiàn)函數(shù)構(gòu)成能實現(xiàn)函數(shù)y=x2的運算表電路

17、，的運算表電路，x的取值范圍為的取值范圍為015的正整數(shù)。的正整數(shù)。三三 ROM的應(yīng)用的應(yīng)用 【解解】 （1）分析要求、設(shè)定變量）分析要求、設(shè)定變量 自變量自變量x的取值范圍為的取值范圍為015的正整數(shù)，對應(yīng)的的正整數(shù)，對應(yīng)的4位二進制正整數(shù)，用位二進制正整數(shù)，用B=B3B2B1B0表示。表示。根 據(jù)根 據(jù) y=x2的 運 算 關(guān) 系 ， 可 求 出的 運 算 關(guān) 系 ， 可 求 出 y的 最 大 值 是的 最 大 值 是 152 225， 可 以 用， 可 以 用 8位 二 進 制 數(shù)位 二 進 制 數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表）列真值表0 0 0 0 0

18、 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 0 1 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 輸輸 出出0149162536496481100121144169196225對應(yīng)對應(yīng)十進

19、制數(shù)十進制數(shù)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0 輸輸 入入例例7.21真值表真值表Y7=m12+m13+m14+m15（3）寫標準與或表達式）寫標準與或表達式Y(jié)4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)畫畫ROM存

20、儲矩陣結(jié)點連接圖存儲矩陣結(jié)點連接圖為做圖方便，我們將為做圖方便，我們將ROM矩陣中的二極管用節(jié)點表示。矩陣中的二極管用節(jié)點表示。Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15B13B12B11B10m0W0)()(11mWW23WW4W56WW78W9WW10W11W12W1314WW15或或門門陣陣列列陣陣矩矩取取存存（）址址 門門（碼碼）地地陣陣器器列列與與譯譯Y76YY5Y4Y3Y2Y10Y【解解】 （1）寫出各函數(shù)的標準與或表達式：）寫出各函數(shù)的標準與或表達式：按按A、B、C、D順序排列變量，將順序排列變量，將Y1、Y2、Y4擴展成為四變量邏輯函數(shù)。擴展成為四變量邏輯函數(shù)

21、。2.實現(xiàn)任意組合邏輯函數(shù)實現(xiàn)任意組合邏輯函數(shù)【例例7.22】試用試用ROM實現(xiàn)下列函數(shù)：實現(xiàn)下列函數(shù)：ABCCBACBACBAY 1CABCY 2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY 3BCDACDABDABCY 4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY（2）選用）選用164位位ROM，畫存儲矩陣連線圖：，畫存儲矩陣連線圖：與與）取取列列WWWm)1存存門門107(碼碼門門91WWW1)0m41（(01123WYYY14WYW11址址或或WW13W643W1512WW陣陣521譯譯器器）陣陣地地

22、矩矩列列（陣陣W8C CD DA AB B四四EPROM舉例舉例2764VVppccCEPGMAADD12007地2764AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410VPP127PGM(PGM)VCCVIH20CSOECSOE221112131415161718地址輸入數(shù)據(jù)據(jù)輸出AA120DD7CE0PGMVppccV引腳功能地址輸入芯片使能編程脈沖電壓輸入數(shù) 據(jù)例：用例：用8片片2764擴展成擴展成64k8位的位的EPROM：（2）字數(shù)擴展（地址碼擴展）字數(shù)擴展（地址碼擴展）. .AAOO OCSOE00127OE0AA12DD70O.0.120A7OOEACSOO.0.120A7OOEACSO.AAYYGG00A12G17.Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址總線數(shù)據(jù)總線本章小節(jié)本章小節(jié)2 2RAMRAM是一種時序邏輯電路，具有記憶功能。其存儲的數(shù)據(jù)隨電源斷電而消失，因此是一種易失性的讀寫存儲是一種時序邏輯電路，具有記憶功能。其存儲的數(shù)據(jù)隨電源斷電而消失，因此是一種易失性的讀寫存儲器。它包含有器。它包含有SRAMSRAM和和DRAMDRAM兩種類型，前者用觸發(fā)器記憶數(shù)據(jù)，后者靠兩