第12章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第第 12章章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器12.1 概概 述述12.1.1 存儲(chǔ)器功能描述存儲(chǔ)器功能描述存放二值數(shù)據(jù)存放二值數(shù)據(jù)12.1.2 存儲(chǔ)器的分類(lèi)存儲(chǔ)器的分類(lèi)從存、取功能上分從存、取功能上分 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 (ROM) 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM) SRAMDRAM 從制造工藝上分從制造工藝上分 雙極型雙極型MOS型型UVEPROME2PROM快閃存儲(chǔ)器快閃存儲(chǔ)器 （FLASH）掩模掩模ROMPROM EPROM12.2 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM定義：定義：只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnly memory）是存是存儲(chǔ)固定信息的存儲(chǔ)器件，即先把信息和數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)儲(chǔ)固

2、定信息的存儲(chǔ)器件，即先把信息和數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中，在器中，在正常工作時(shí)它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能正常工作時(shí)它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，不能迅速寫(xiě)入讀出，不能迅速寫(xiě)入，故稱(chēng)為只讀存儲(chǔ)器。，故稱(chēng)為只讀存儲(chǔ)器。特點(diǎn)特點(diǎn)：掉電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。掉電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。1、按使用的器件的類(lèi)型、按使用的器件的類(lèi)型12.2.1 ROM的分類(lèi)的分類(lèi)二極管二極管ROM 雙極型三極管雙極型三極管ROM MOS管管ROM2、按數(shù)據(jù)的寫(xiě)入方式分、按數(shù)據(jù)的寫(xiě)入方式分掩模掩模ROM： 出廠時(shí)已完全固定下來(lái)，使用時(shí)無(wú)出廠時(shí)已完全固定下來(lái)，使用時(shí)無(wú) 法再更改，也稱(chēng)法再更改，也稱(chēng)固定固定ROM。 PROM：可

3、編程可編程 ROM( (Programmable ROM） 許用戶根據(jù)需要寫(xiě)入，但只能寫(xiě)一次。許用戶根據(jù)需要寫(xiě)入，但只能寫(xiě)一次。EPROM：可擦除可擦除 PROM( (Erasable PROM）寫(xiě)入）寫(xiě)入 的數(shù)據(jù)可用紫外線擦除，用戶可以多次的數(shù)據(jù)可用紫外線擦除，用戶可以多次 改寫(xiě)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。改寫(xiě)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。E2PROM：電可擦除：電可擦除 EPROM( (Electrically EPROM) )寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可電擦除，可以寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可電擦除，可以 多次改寫(xiě)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。多次改寫(xiě)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。 閃速存儲(chǔ)器：閃速存儲(chǔ)器：仍是仍是ROM，兼有，兼有E2PROM、RAM的的 特點(diǎn)，既有存儲(chǔ)內(nèi)容非失性，又有

4、特點(diǎn)，既有存儲(chǔ)內(nèi)容非失性，又有 快速擦和快速擦和 讀取的特性。讀取的特性。(Flash Memory) 1、ROM的電路結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu) ROM的電路結(jié)構(gòu)包含的電路結(jié)構(gòu)包含存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器地址譯碼器和和輸輸出緩沖器出緩沖器三個(gè)組成部分三個(gè)組成部分輸出緩沖器：輸出緩沖器：既有緩沖作用，又可以提供不同的既有緩沖作用，又可以提供不同的 輸出結(jié)輸出結(jié) 構(gòu)，如三態(tài)輸出、構(gòu)，如三態(tài)輸出、OC輸出等。輸出等。12.2.2 掩模只讀存儲(chǔ)器掩模只讀存儲(chǔ)器（1）存儲(chǔ)矩陣）存儲(chǔ)矩陣 每個(gè)存儲(chǔ)單元能存放一位二值信息。存儲(chǔ)器的容量是指每個(gè)存儲(chǔ)單元能存放一位二值信息。存儲(chǔ)器的容量是指 存儲(chǔ)單元的數(shù)目。存儲(chǔ)單元的

5、數(shù)目。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元的數(shù)目存儲(chǔ)單元的數(shù)目=行數(shù)行數(shù)*列數(shù)列數(shù) =字線數(shù)字線數(shù)*位線數(shù)位線數(shù)（2）地址譯碼）地址譯碼 一個(gè)一個(gè)存儲(chǔ)器由若干字和位存儲(chǔ)器由若干字和位組成。通常信息的讀出和寫(xiě)入是組成。通常信息的讀出和寫(xiě)入是以字為單位進(jìn)行的。為了區(qū)分不同的字，將存放同一個(gè)字的以字為單位進(jìn)行的。為了區(qū)分不同的字，將存放同一個(gè)字的各個(gè)存儲(chǔ)單元編為一組，并賦予一個(gè)號(hào)碼，稱(chēng)為地址。各個(gè)存儲(chǔ)單元編為一組，并賦予一個(gè)號(hào)碼，稱(chēng)為地址。 地址的選擇是借助于地址的選擇是借助于地址譯碼器地址譯碼器實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。 容量小：只用一個(gè)譯碼器；容量小：只用一個(gè)譯碼器； 容量大：采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，即將輸入地址分為兩部分

6、，分容量大：采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，即將輸入地址分為兩部分，分別由別由行譯碼器行譯碼器和和列譯碼器列譯碼器進(jìn)行譯碼。行列譯碼器的輸出即為進(jìn)行譯碼。行列譯碼器的輸出即為存儲(chǔ)矩陣的存儲(chǔ)矩陣的字線字線和和位線位線，由它們共同確定欲選擇的存儲(chǔ)單元。，由它們共同確定欲選擇的存儲(chǔ)單元。例例1：1024*1的存儲(chǔ)器，可以排列成的存儲(chǔ)器，可以排列成32*32的矩陣。的矩陣。（30，0）（30，1）（30，2）（30，30）（30，31 ）X1 A5 A6 A7 A8 A9A0A1A2A3A4行 譯 碼 器列 譯 碼 器（ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）（0，30）（ 0，31 ）（ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）

7、（1，30）（ 1，31）（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）（2，30）（ 2，31 ）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（3，2）（31，30）（31，31 ）Y0Y31Y1Y2Y302、ROM電路的工作原理電路的工作原理與邏輯陣列或邏輯陣列字線字線位線位線2.2.舉例舉例4 44 4存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器2 2位地址代碼位地址代碼A A1 1、A A0 0給出給出4 4個(gè)個(gè)不同地址，不同地址，4 4個(gè)地址代碼分別個(gè)地址代碼分別譯出譯出W W0 0W W3 3上的上的高電平高電平信號(hào)。信號(hào)。位輸出線位輸出線111111VccA1A0D3D2D1D0W W3 3W W2 2W W1 1W W

8、0 0地址譯碼器地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣END3VccVccA1A0W W3 3二極管與門(mén)作譯碼二極管與門(mén)作譯碼A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；存儲(chǔ)矩陣由存儲(chǔ)矩陣由4 4個(gè)二極管或門(mén)組成，個(gè)二極管或門(mén)組成，當(dāng)當(dāng)W W0 0W W3 3線上給出線上給出高電平高電平信號(hào)時(shí)，信號(hào)時(shí)，會(huì)在會(huì)在D D0 0D D3 3輸出一個(gè)二值代碼輸出一個(gè)二值代碼位輸出線位輸出線111111VccA1A0D3D2D1D0W W3 3W W2 2W W1 1W W0 0地址譯碼器地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣END3D3W W3 3W W1 1二極管或門(mén)作編碼器二極

9、管或門(mén)作編碼器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W W0 0W W3 3：字線：字線D D0 0D D3 3：位線（數(shù)據(jù)線）：位線（數(shù)據(jù)線）A A0 0、A A1 1：地址線：地址線位輸出線111111VccA1A0D3D2D1D0W3W2W1W0地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣END3字線和位線的字線和位線的每個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)存儲(chǔ)單元每個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)存儲(chǔ)單元，在，在交叉點(diǎn)上接交叉點(diǎn)上接二極管相當(dāng)于存二極管相當(dāng)于存1 1，沒(méi)接二極管相當(dāng)于存，沒(méi)接二極管相當(dāng)于存0 0，交叉點(diǎn)的數(shù)目就是，交叉點(diǎn)的數(shù)目就是存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量，寫(xiě)成，寫(xiě)成“字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)位數(shù)位數(shù)”的形式的形式D3W1W3D2W0W2

10、W3D1 W1W3 D0W0W1存儲(chǔ)內(nèi)容真值表地 址數(shù) 據(jù)A1 A0 D3 D2 D1 D00 00 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0m m1 1m m3 3m m0 0m m2 2m m3 3m m1 1m m3 3m m0 0m m1 1地 址數(shù) 據(jù)A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 01A1A0A0AD3D2D1D0與陣列或陣列W1W0W2W3簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化ROMROM點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1字輸出：字輸出：D D3 3D D2 2D D1 1

11、D D0 0隨著地址的不同有不同的數(shù)據(jù)。隨著地址的不同有不同的數(shù)據(jù)。位輸出：位輸出：D D3 3、D D2 2、D D1 1、D D0 0每根位線，由不同的最小項(xiàng)組成，每根位線，由不同的最小項(xiàng)組成， 可實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。可實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。輸出方式輸出方式12.2.3 PROM(可編程可編程ROM)1 1、PROMPROM只能寫(xiě)一次，一旦寫(xiě)入就不能修改。只能寫(xiě)一次，一旦寫(xiě)入就不能修改。2 2、基本結(jié)構(gòu)同掩模、基本結(jié)構(gòu)同掩模ROMROM，由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼和輸出電路組成。，由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼和輸出電路組成。3 3、出廠時(shí)在存儲(chǔ)矩陣地所有交叉點(diǎn)上都做有存儲(chǔ)單元，一般存、出廠時(shí)在存儲(chǔ)矩陣地所有交

12、叉點(diǎn)上都做有存儲(chǔ)單元，一般存1 1。4 4、存數(shù)方法：熔絲法。、存數(shù)方法：熔絲法。熔絲法圖示熔絲法圖示e e熔絲熔絲c cb bVccVcc字線字線位線位線加高電壓將熔絲化斷，加高電壓將熔絲化斷，即可將原有的即可將原有的1 1改寫(xiě)為改寫(xiě)為0 0。寫(xiě)入過(guò)程寫(xiě)入過(guò)程1）輸入地址，選中字線；）輸入地址，選中字線；2）寫(xiě)）寫(xiě)0的位線加高壓脈沖；的位線加高壓脈沖；3）DZ導(dǎo)通，導(dǎo)通，AW輸出為輸出為0；4）熔絲燒斷，寫(xiě)入）熔絲燒斷，寫(xiě)入0。AWARAW寫(xiě)入放大器寫(xiě)入放大器AR讀出放大器讀出放大器12.2.4 EPROM、E2PROM、FLASH ROM電擦除，一般芯片內(nèi)部帶有升壓電路，可以直接電擦除，一

13、般芯片內(nèi)部帶有升壓電路，可以直接 讀寫(xiě)讀寫(xiě)EEPROMEEPROM，擦除時(shí)間短擦除時(shí)間短(ms(ms級(jí)級(jí)) )，可對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元擦除。，可對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元擦除。讀出：讀出：5V5V；擦除：；擦除：20V20V；寫(xiě)入：；寫(xiě)入：20V20V。EPROMEPROM：光擦除可編程：光擦除可編程ROMROME E2 2PROMPROM：電擦除可編程：電擦除可編程ROMROMFLASH ROMFLASH ROM：電擦除可編程：電擦除可編程ROMROM紫外線照射擦除，時(shí)間長(zhǎng)紫外線照射擦除，時(shí)間長(zhǎng)10102020分鐘分鐘整片擦除整片擦除寫(xiě)入一般需要專(zhuān)門(mén)的工具寫(xiě)入一般需要專(zhuān)門(mén)的工具結(jié)合結(jié)合EPROMEPROM和和

14、EEPROMEEPROM的特點(diǎn)，構(gòu)成的電路形式簡(jiǎn)的特點(diǎn)，構(gòu)成的電路形式簡(jiǎn) 單，集成度高，可靠性好。單，集成度高，可靠性好。 擦除時(shí)間短擦除時(shí)間短(ms(ms級(jí)級(jí)) )，整片擦除、或分塊擦除。整片擦除、或分塊擦除。讀出：讀出：5V5V；寫(xiě)入：；寫(xiě)入：12V12V；擦除：；擦除：12V(12V(整塊擦除整塊擦除) )12.2.5 EPROM集成芯片及應(yīng)用舉例集成芯片及應(yīng)用舉例 27 系列系列 EPROM 是最常用的是最常用的 EPROM，型，型號(hào)從號(hào)從 2716、2732、2764 一直到一直到 27C040。存儲(chǔ)容。存儲(chǔ)容量分別為量分別為 2K 8、4K 8一直到一直到 512K 8。下面。下面

15、以以 Intel 2716 為例，介紹其功能及使用方法。為例，介紹其功能及使用方法。VCCIntel 2716A8A9VPPCSA10OED7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413 A10 A0 為地址碼輸入端。為地址碼輸入端。D7 D0 為數(shù)據(jù)線，工作時(shí)為為數(shù)據(jù)線，工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出端，編程時(shí)為寫(xiě)入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出端，編程時(shí)為寫(xiě)入數(shù)據(jù)輸入端。輸入端。VCC 和和 GND：+5 V 工作電源工作電源和地。和地。VPP 為編程高電平輸入端。編程時(shí)加為編程高電平輸入端。編程時(shí)加 +25 V 電壓，工

16、作時(shí)加電壓，工作時(shí)加 +5 V 電壓。電壓。 ( (一一) ) 引腳圖及其功能引腳圖及其功能 OE 為允許數(shù)據(jù)輸出端，低電為允許數(shù)據(jù)輸出端，低電平有效。平有效。OE = 0 時(shí)，允許讀出數(shù)時(shí)，允許讀出數(shù)據(jù)；據(jù)；OE = 1 時(shí)，不能讀出數(shù)據(jù)。時(shí)，不能讀出數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量2K8位位CS 有兩種功能：有兩種功能： (1)工作時(shí)為片選使能端，低電工作時(shí)為片選使能端，低電 平有效。平有效。CS = 0 時(shí)，芯片被時(shí)，芯片被 選中，處于工作狀態(tài)。選中，處于工作狀態(tài)。 (2)編程時(shí)為編程脈沖輸入端。編程時(shí)為編程脈沖輸入端。 (二二)由由 CS、OE 和和 VPP 的不同狀態(tài)，確定的不同狀態(tài)，確定27

17、16 的下列的下列 5 種工種工 作方式作方式 (1)讀方式：讀方式： 當(dāng)當(dāng) CS = 0、OE = 0，并有地址碼輸入時(shí)，并有地址碼輸入時(shí)， 從從 D7 D0 讀出讀出該地址單元的數(shù)據(jù)。該地址單元的數(shù)據(jù)。(2)維持方式：維持方式：當(dāng)當(dāng) CS = 1 時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端 D7 D0 呈高阻呈高阻 隔離態(tài)隔離態(tài)，此時(shí)芯片處于維持狀態(tài)，電源電，此時(shí)芯片處于維持狀態(tài)，電源電 流下降到維持電流流下降到維持電流 27 mA 以下。以下。 (3)編程方式：編程方式：OE = 1，在，在 VPP 加入加入 25 V 編程電壓，在地址編程電壓，在地址 線上輸入單元地址，數(shù)據(jù)線上輸入要寫(xiě)入的線上輸入單

18、元地址，數(shù)據(jù)線上輸入要寫(xiě)入的 數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)后，在 CS 端送入端送入 50 ms 寬的編程正脈寬的編程正脈 沖沖， 數(shù)據(jù)就被寫(xiě)入到由地址碼確定的存儲(chǔ)單數(shù)據(jù)就被寫(xiě)入到由地址碼確定的存儲(chǔ)單 元中。元中。(4) 編程禁止：編程禁止： 在編程方式下，如果在編程方式下，如果 CS 端不送入編程正脈端不送入編程正脈 沖，沖，而保持低電平，則芯片不能被編程，此時(shí)為編而保持低電平，則芯片不能被編程，此時(shí)為編程禁止方式，數(shù)據(jù)端為高阻隔離態(tài)。程禁止方式，數(shù)據(jù)端為高阻隔離態(tài)。(5) 編程檢驗(yàn)：編程檢驗(yàn)： 當(dāng)當(dāng) VPP = +25 V，CS 和和 OE 均為有效電平時(shí)，均為有效電平時(shí)， 送入地址碼，可以讀出相應(yīng)存儲(chǔ)

19、單元中的送入地址碼，可以讀出相應(yīng)存儲(chǔ)單元中的 數(shù)據(jù)，以便檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)，以便檢驗(yàn)。E2PROM2864PGM為編程脈沖輸入端；為編程脈沖輸入端；Vpp是編程電源是編程電源12.2.6 存儲(chǔ)器的應(yīng)用存儲(chǔ)器的應(yīng)用一、思路一、思路1、存儲(chǔ)器的譯碼器輸出包含了輸入地址變量全部的最小項(xiàng)、存儲(chǔ)器的譯碼器輸出包含了輸入地址變量全部的最小項(xiàng);2、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出又都是若干個(gè)最小項(xiàng)之和、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出又都是若干個(gè)最小項(xiàng)之和;3、而任何的組合邏輯函數(shù)可用輸入邏輯變量的最小項(xiàng)之和、而任何的組合邏輯函數(shù)可用輸入邏輯變量的最小項(xiàng)之和表示。表示。ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAYROM4

20、3211實(shí)現(xiàn)下例函數(shù)。：試用例 ),(mY),(mY),(mY),(mY15214414107676324321解：解：例出真值表例出真值表例例2 用用ROM實(shí)現(xiàn)一位全加器。實(shí)現(xiàn)一位全加器。結(jié)論：結(jié)論： n位輸入地址、位輸入地址、m位數(shù)據(jù)輸出的存儲(chǔ)器可以設(shè)計(jì)位數(shù)據(jù)輸出的存儲(chǔ)器可以設(shè)計(jì) 一組一組(最多為最多為m個(gè)個(gè))任何形式的任何形式的n輸入邏輯變量組輸入邏輯變量組 合邏輯函數(shù)合邏輯函數(shù)步驟：步驟：1、根據(jù)輸入變量數(shù)和輸出端個(gè)數(shù)確定存儲(chǔ)器的類(lèi)型；、根據(jù)輸入變量數(shù)和輸出端個(gè)數(shù)確定存儲(chǔ)器的類(lèi)型； 2、將函數(shù)化為最小項(xiàng)之和的形式（列出函數(shù)的真值表）；、將函數(shù)化為最小項(xiàng)之和的形式（列出函數(shù)的真值表）；3

21、、列出函數(shù)的數(shù)據(jù)表；、列出函數(shù)的數(shù)據(jù)表；4、畫(huà)出相應(yīng)的電路的結(jié)點(diǎn)圖（編程寫(xiě)入數(shù)據(jù)）。畫(huà)出相應(yīng)的電路的結(jié)點(diǎn)圖（編程寫(xiě)入數(shù)據(jù)）。 可讀可寫(xiě)可讀可寫(xiě) 讀寫(xiě)方便讀寫(xiě)方便 所存儲(chǔ)信息會(huì)因斷電而丟失所存儲(chǔ)信息會(huì)因斷電而丟失用途用途特點(diǎn)特點(diǎn)常用來(lái)放一些采樣值、運(yùn)算的中間常用來(lái)放一些采樣值、運(yùn)算的中間 結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖和標(biāo)志位等。結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖和標(biāo)志位等。12.3 隨機(jī)存取器隨機(jī)存取器一、一、 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)1、SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 SRAM電路通常由電路通常由存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器地址譯碼器和和讀寫(xiě)控制讀寫(xiě)控制電路電路三部分組成三部分組成。2、SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元的靜態(tài)存儲(chǔ)單元靜態(tài)存儲(chǔ)單元靜態(tài)存儲(chǔ)單元=觸發(fā)器觸發(fā)器+控制電路控制電路T5和和T6是門(mén)控管，由字線是門(mén)控管，由字線Wi控制其導(dǎo)控制其導(dǎo)通或截止：通或截止：Wi1則導(dǎo)通，否則截止。則導(dǎo)通，否則截止。門(mén)控管門(mén)控管T5和和T6導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，“讀讀”、“寫(xiě)寫(xiě)”操作由讀寫(xiě)控制端操作由讀寫(xiě)控制端R/W控制：控制： R/W=0時(shí)，時(shí)，1、3門(mén)打開(kāi)，數(shù)據(jù)由門(mén)打開(kāi)，數(shù)據(jù)由I/O端送入存儲(chǔ)器，完成端送入存儲(chǔ)器，完成寫(xiě)操作寫(xiě)操作； 反之，反之，R