szdl7半導(dǎo)體存儲(chǔ)器課件

1、第7章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述只讀存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展ROM的分析與設(shè)計(jì)小結(jié)第1頁，共42頁。一. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 概述 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的主要指標(biāo) 存儲(chǔ)器的分類 能夠存儲(chǔ)大量(二值)信息(或稱為數(shù)據(jù))的器件第2頁，共42頁。存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)存儲(chǔ)容量 指一個(gè)存儲(chǔ)器所能存放的最大信息量。通常用B（Byte字節(jié)）、KB（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)）表示。存取時(shí)間 指完成一次存儲(chǔ)器讀/取操作所需的時(shí)間（又稱讀寫時(shí)間）?？煽啃?指存儲(chǔ)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無故障工作的情況。一般采用平均無故障時(shí)間間隔（MTBF）衡量。MTBF長，存儲(chǔ)器可靠性好。價(jià)格 由存儲(chǔ)器容量、性能決定。 存儲(chǔ)器的主

2、要指標(biāo)第3頁，共42頁。存儲(chǔ)器的分類按存儲(chǔ)介質(zhì): 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光盤按存取方式： * 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 可隨機(jī)讀出其內(nèi)容。 * 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM） 存儲(chǔ)單元可被隨機(jī)讀/寫。存取 時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。 * 順序存儲(chǔ)器（SAM） 按指定順序存取。即存取時(shí)間 與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。 * 直接存儲(chǔ)器（DAM） 存取數(shù)據(jù)做定位搜索 （如：由磁道 - 扇區(qū)）按制造工藝：雙極性、MOS 按所處位置及邏輯功能：內(nèi)存、外存 按信息的保護(hù)性：掉電后信息保存（非易失性ROM） /消失（易失性RAM）存儲(chǔ)器。 存儲(chǔ)器的分類第4頁，共42頁。二. 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 (Read On

3、ly Memory_ROM) 特點(diǎn): 功能: 二. 只讀存儲(chǔ)器一般用于存放固定的數(shù)據(jù)或程序* 正常使用時(shí)主要對其進(jìn)行讀取操作* 掉電后存儲(chǔ)的信息(數(shù)據(jù))可保留 只讀存儲(chǔ)器的分類只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及工作原理只讀存儲(chǔ)器的簡化形式及數(shù)據(jù)表只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量第5頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的分類*掩膜式ROM _ 數(shù)據(jù)已確定,無法更改。*快閃存儲(chǔ)器 _電可擦除類ROM, 具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特點(diǎn) *可編程ROM(PROM) _ 數(shù)據(jù)可以由用戶根據(jù)自己的需要寫入,但一經(jīng)寫入就不能更改。*紫外線可擦除ROM(EPROM) _ 數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。*電可擦

4、除ROM(E2PROM) _數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。2.1 只讀存儲(chǔ)器的分類第6頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及組成結(jié)構(gòu)圖：組成： * 存儲(chǔ)矩陣 * 地址譯碼器 * 輸出緩沖器2.2 只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及組成由存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則排列。每一存儲(chǔ)單元可存放1位二值代碼。存儲(chǔ)單元可由二極管、三極管和場效應(yīng)管構(gòu)成。將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號，可訪問存儲(chǔ)矩陣的單元提高存儲(chǔ)器的負(fù)載能力，并實(shí)現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制。只讀存儲(chǔ)器的工作原理第7頁，共42頁。*ROM 的結(jié)構(gòu)框圖及原理 二、ROM 結(jié)構(gòu)及原理 地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣2nm輸出緩沖器2n m ROM 的結(jié)構(gòu)圖 A0A1An-1D0D1Dm-1

5、W0W1W2 -1nn位地址信號m位輸出信號字線位線字線數(shù)位線數(shù)組成：存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和輸出緩沖器組成第8頁，共42頁。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(1)* 電路圖地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣輸出緩沖器第9頁，共42頁。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(1)* 電路圖 * 分析 Wi 稱為字線 地址譯碼器_由二極管與門構(gòu)成。 對地址線A1 A0 有: 地址譯碼器第10頁，共42頁。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(2)* 電路圖 * 分析 當(dāng)EN =0, Di=di Di 稱為位線(數(shù)據(jù)線/輸出線)(2) 存儲(chǔ)矩陣_由二極管或門構(gòu)成 (3) 輸出緩沖器_對輸出三態(tài)控制,提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。輸出緩沖器存儲(chǔ)矩陣第11頁，共42頁。存儲(chǔ)器

6、結(jié)構(gòu)及工作原理(3)* 分析：(1) 地址譯碼器_由二極管與門構(gòu)成。 對n位地址信號，輸出2n位字線（Wi）(2) 存儲(chǔ)矩陣_由二極管或門構(gòu)成。 輸出m 位位線（D i） (3) 輸出緩沖器_由三態(tài)門構(gòu)成 D i = d i (當(dāng)三態(tài)控制端EN 有效時(shí))* ROM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 與陣列 + 或陣列 輸出為:與或式 固定結(jié)構(gòu)可編程第12頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_AROM 的三極管結(jié)構(gòu)圖：*只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_A存儲(chǔ)單元 由三極管構(gòu)成:當(dāng)Wi選通時(shí),對應(yīng)輸出D為1。 (字線和位線交叉處存“1”)第13頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_BROM 的MOS管結(jié)構(gòu)圖：存儲(chǔ)單元由M

7、OS管構(gòu)成 (字線和位線交叉處存 “0”,經(jīng)反相器輸出為“1”)第14頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_PROMPROM 的結(jié)構(gòu)原理圖和工作原理:特點(diǎn):在存儲(chǔ)矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)上全部制作存儲(chǔ)元件(存入“1”),存儲(chǔ)元件與位線之間加入熔絲,若某存儲(chǔ)單元存人“0”,只須將該熔絲通過大電流燒斷即可.第15頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_PROM原理PROM 的結(jié)構(gòu)原理圖:原理: （1）選中要寫入0的單元； （2）在數(shù)據(jù)端（D7）加入編程脈沖，經(jīng)寫入放大器后，在較大的脈沖電流作用下，將熔絲熔斷。第16頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的簡化形式及數(shù)據(jù)表ROM圖的簡化結(jié)構(gòu)圖: 地 址數(shù) 據(jù)A1A0D3

8、D2D1D0000101011011100100111110對應(yīng)的數(shù)據(jù)表:第17頁，共42頁。存儲(chǔ)容量：用“字?jǐn)?shù) 位數(shù) (即字長)”表示存儲(chǔ)器中 存儲(chǔ)單元的數(shù)量。 2. 存儲(chǔ)容量及其表示用“M”表示“1024 K”，即 1 M = 1024 K = 210 K = 220 例如，一個(gè) 32 8 的 ROM，表示它有 32 個(gè)字,地址線為5位，字長為 8 位，存儲(chǔ)容量是 32 8 = 256。 對于大容量的 ROM常用“K”表示“1024”，即 1 K = 1024 = 210 例如，一個(gè) 64 K 8 的 ROM，表示它有 64 K 個(gè)字， 字長為 8 位，存儲(chǔ)容量是 64 K 8 = 512

9、 K。 一、ROM 存儲(chǔ)容量 例如，一個(gè)存儲(chǔ)容量為 1024 12的ROM 。表示它有1024個(gè)字，10位地址線，字長為12位 。 第18頁，共42頁。只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量: 字?jǐn)?shù) 位數(shù)例1:如圖所示ROM的存儲(chǔ)容量為:例2: 已知某個(gè)ROM的存儲(chǔ)容量為:16 2 則其地址線為: 字線為: 數(shù)據(jù)線為:例3: ROM的存儲(chǔ)容量為: 1024 8 則其地址線為: 字線為: 數(shù)據(jù)線為:4 16 210 1024 84 4第19頁，共42頁。三. 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM (Random Access Memory) 特點(diǎn): 隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器三. 隨機(jī)存儲(chǔ)器可

10、從存儲(chǔ)單元中讀出數(shù)據(jù),也可將數(shù)據(jù)寫入指 定的單元中(可讀/寫存儲(chǔ)器)(2) 掉電后,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)消失(丟失) 第20頁，共42頁。隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)RAM結(jié)構(gòu)圖：RAM(2114)的結(jié)構(gòu)框圖*地址譯碼器(與陣列) *存儲(chǔ)矩陣(或陣列) *讀/寫控制電路其中:*讀/寫控制端（R/W ）:控制數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作。 當(dāng)R/W =1, 為讀操作 當(dāng)R/W =0, 為寫操作*片選控制信號CS ：當(dāng)CS =0, RAM正常工作組成:3.1 隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)雙譯碼編址方式第21頁，共42頁。RAM(2114)的結(jié)構(gòu)框圖特點(diǎn): 地址譯碼器 ( 行地址譯碼(A3-A8), 列地址譯碼(A0-A2,A9)

11、) 存儲(chǔ)單元 （SR鎖存器） 讀寫控制電路及I /O 輸出存儲(chǔ)單元矩陣讀寫控制電路行、列地址譯碼器第22頁，共42頁。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）組成：地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路 其中：地址譯碼器可分為：行地址譯碼器、 列地址譯碼器 SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元邏輯符號 特點(diǎn)： 由雙極性器件或CMOS器件構(gòu)成。用觸發(fā)器作為記憶元件。沒有讀/寫操作時(shí)，能保留原有信息。（不需刷新）I /O : 輸入/輸出端(m) An-1A0 : 地址輸入端(n)R/S : 讀/寫控制端 CS : 片選端第23頁，共42頁。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM的存儲(chǔ)單元SRAM電路結(jié)構(gòu)單元： 分析:* 六管增強(qiáng)型NMOS管

12、存儲(chǔ)單元T1,T2,T3,T4 (SR鎖存器) * 字線：Xi_ T5、T6 控制觸發(fā)器Q與位線Bj連接 Xi=1 所在行被選中。T5,T6 導(dǎo)通 字線：Yj_ T7, T8 控制Bj(Q)與讀/寫控制電路連接 Yi=1 所在列被選中。T7,T8 導(dǎo)通 第i行,第j列單元與緩沖器相連* CS 片選控制端 當(dāng)CS=1: A1,A2,A3 均高阻 當(dāng)CS=0: R/W=1 A1導(dǎo)通,讀出數(shù)據(jù) R/W=0 A2,A3導(dǎo)通,寫入數(shù)據(jù).* R/W讀寫控制端 第24頁，共42頁。2.動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）組成（與SRAM相同） 地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路 （1）采用電容作為記憶元件。 對C充

13、電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1” ；C放電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0” （2）由于電荷泄漏，需進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，以保存數(shù)據(jù)邏輯符號（與SRAM相同）和結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）第25頁，共42頁。*動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）-單管存儲(chǔ)單元單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元.寫操作-字線X給高電平,位線Y上的數(shù)據(jù)經(jīng)T被存入CS中.讀操作-字線X給高電平, CS經(jīng)T向位線上的CB提供電荷,使位線獲得讀出的信號電平.電路結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容可以存儲(chǔ)電荷的原理。其它結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 由于柵極電容的容量很小,電荷保存的時(shí)間有限.為了及時(shí)補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲(chǔ)的信號丟失,必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷-稱為刷新(或再生)

14、*DRAM-單管存儲(chǔ)單元第26頁，共42頁。*動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）結(jié)構(gòu)圖電路結(jié)構(gòu)單元T1、T2為NMOS管.數(shù)據(jù)以電荷形式存儲(chǔ)在其柵極電容C1、C2上。若C1充電，同時(shí)C2未被充電，則T1導(dǎo)通，T2截止-稱存儲(chǔ)0；反之存儲(chǔ)1預(yù)充電電路*DRAM結(jié)構(gòu)圖第27頁，共42頁。四. 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展: (將若干片ROM/RAM組合,形成容量更大的存儲(chǔ)器) 擴(kuò)展方式: (1) 位擴(kuò)展; (2) 字?jǐn)U展; (3) 位、字同時(shí)擴(kuò)展 位擴(kuò)展方式字?jǐn)U展方式位、字?jǐn)U展方式四.存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展第28頁，共42頁。4.1 位擴(kuò)展方式位擴(kuò)展: 擴(kuò)展位線(數(shù)據(jù)輸出線_I/0) 例1: 將10242的

15、RAM擴(kuò)展成10244的RAM 位擴(kuò)展方式: 地址線并接,讀/寫線、片選線等并接 數(shù)據(jù)線獨(dú)立 4.1 位擴(kuò)展方式第29頁，共42頁。字?jǐn)U展: 擴(kuò)展地址線(A)例1: 將10242的RAM擴(kuò)展成20482的RAM 字?jǐn)U展方式: 地址線并接,讀/寫線并接、數(shù)據(jù)線并接 增加的地址線：片選線擴(kuò)展例2: 將10242的RAM擴(kuò)展成20484的RAM4.2 字?jǐn)U展方式4.1 字?jǐn)U展方式第30頁，共42頁。4.3 位、字?jǐn)U展方式位、字?jǐn)U展: 擴(kuò)展地址線和數(shù)據(jù)線 例1:將10242的RAM擴(kuò)展成20484的RAM 4.3 位、字?jǐn)U展方式第31頁，共42頁。五. ROM的分析與應(yīng)用ROM的應(yīng)用分析用ROM設(shè)計(jì)邏

16、輯函數(shù)五. ROM的分析與應(yīng)用第32頁，共42頁。ROM的應(yīng)用分析例題1:分析如圖所示電路的邏輯功能。 例題2：分析如圖所示電路的邏輯功能。ROM的應(yīng)用分析第33頁，共42頁。ROM的分析例題1例題1: 分析如圖所示電路的邏輯功能。 解： D C B AF3 F2 F1 F0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 0 1 0 11 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 11 0 1 0 1 0 0 01 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 1 0 1 0 0

17、 0 0 0 1 0 1 10 0 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 10 0 0 0 1 1 1 00 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0*由圖寫表達(dá)式：* 由表達(dá)式列真值表:* 邏輯功能： 實(shí)現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。第34頁，共42頁。ROM的分析例題2例題2：分析如圖所示電路的邏輯功能。解:*由圖寫表達(dá)式: * 由圖列真值表: (見P193表4.3.9)* 邏輯功能:一位全加器第35頁，共42頁。用ROM的設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)例題1: 用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù):例題2: 用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.例題3：用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函數(shù)用ROM的設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)第36頁，共42頁。ROM的設(shè)計(jì)例題1例題1: 用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù):解：* 將函數(shù)整理成最小項(xiàng)表達(dá)式： * 畫ROM的連接圖第37頁，共42頁。ROM的設(shè)計(jì)例題2例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.解：* 列真值表ABCICOSABCICOS0000010001001111010001011110000111011111（減法 A B CI = COS） * 由真值表寫表達(dá)式 * 由表達(dá)式畫ROM的連接圖第38頁，共42頁。ROM的設(shè)計(jì)例題2（續(xù)）例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.解：* 由真值表寫表達(dá)式 * 由表達(dá)式畫ROM的連接圖第39頁，共42頁。ROM的設(shè)計(jì)例題3例題3:用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函數(shù)*