數字電路邏輯設計第七章

第７章半導體存儲器7.1概述7.2順序存取存儲器(SAM)7.3隨機存取存儲器(RAM)7.4只讀存儲器(ROM)√√√7-27.1概述在數字系統(tǒng)工作過程中，有大量數據需要存儲，半導體存儲器是一種能夠存儲大量的二值信息的存儲器；它在數字系統(tǒng)中能存儲數據、程序、資料等信息，半導體存儲器因此而成為數字系統(tǒng)不可缺少的組成部分.7.1.1半導體存儲器的特點與應用半導體存儲器具有集成度高、體積小、價格低、外圍電路簡單、接口方便和易于大批量生產等特點7-3按制造工藝分

雙極型

雙極型存儲器工作速度快、功耗大、價格高、集成度不高

MOS型

MOS型存儲器功耗低、工藝簡單、集成度高、價格低7.1.2半導體存儲器的分類按存取方式分

順序存取存儲器(SequentialAccess

Memory,簡稱SAM)

隨機存取存儲器(RandomAccessMemory,簡稱RAM)

只讀存儲器(OnlyReadMemory,簡稱ROM)按存取功能分順序存取存儲器(SAM)

FIFO型SAM(動態(tài)移存單元)

FILO型SAM(動態(tài)移存單元)隨機存取存儲器(RAM)

靜態(tài)存取存儲器(SRAM)：速度快

動態(tài)存取存儲器(DRAM)：結構簡單只讀存儲器(ROM)

固定(掩膜)ROM

可編程ROM7.1.2半導體存儲器的分類一次性可編程ROM(PROM)光可擦可編程ROM(EPROM)電可擦可編程ROM(E2PROM)快閃存儲器7-5存儲容量位(bit)

存儲器最基本的存儲單元，可存儲一個0或一個1字(byte)

若干個基本存儲單元排列在一起組成一個字存儲器的存儲容量通常用(字數)×(位數)表示；例如存儲容量為1024(字)×8(位)的存儲器內包含有8192個基本存儲單元，常表示成1k×8位(1k=1024)，或1k字（字長8位）7.1.3半導體存儲器的主要技術指標存取時間（讀/寫周期）連續(xù)兩次讀取(或寫入)操作的間隔時間稱為讀(寫)周期，表征存儲器工作速度的高低7.3隨機存取存儲器（RAM）

隨機存儲器也叫隨機讀／寫存儲器，簡稱RAM(RandomAccessMemory)。

特點：可隨時從任何一個指定地址的存儲單元中讀出數據，也可隨時將數據寫入任何一個指定的存儲單元中去。

優(yōu)點：讀、寫方便，使用靈活。

缺點：一旦停電，所有的數據將隨之丟失，如計算機內存。

RAM又分為靜態(tài)隨機存儲器SRAM和動態(tài)隨機存儲器DRAM兩大類。

RAM主要由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路（I/O電路）三部分組成。7.3.1RAM的結構7.3.1RAM的結構1、存儲矩陣

⑴、每個小方塊都代表一個存儲單元，可存儲一位二值代碼０或１；⑵、存儲單元一般按列陣排列，形成矩陣；000001111151511515150115列譯碼器行譯碼器...........位線位線位線位線位線位線.......XXXYYY01150115AAAA地址輸入地址輸入4567DD數據線....2A3A01AA7.3.1RAM的結構1、存儲矩陣

⑶、矩陣的單元數即為存儲的字節(jié)數，也即存儲容量。如圖矩陣的存儲容量為：

162=256Bit稱256個字節(jié)。000001111151511515150115列譯碼器行譯碼器...........位線位線位線位線位線位線.......XXXYYY01310115AAAA地址輸入地址輸入4567DD數據線....2A3A01AA7.3.1RAM的結構1、存儲矩陣

⑷、為了存取方便，給矩陣編上號。16行編號為：X0、X1、…、X15；16列編號為：Y0、Y1、…、Y15。這樣，每一個存儲單元都有一個固定的編號，稱為地址。000001111151511515150115列譯碼器行譯碼器...........位線位線位線位線位線位線.......XXXYYY01310115AAAA地址輸入地址輸入4567DD數據線....2A3A01AA例如，輸入地址碼：A7A6A5A4A3A2A1A0

=00000001則選中Y0列X1行的那個存儲單元。7.3.1RAM的結構2、地址譯碼器⑴、功能將寄存器地址對應的二進制數譯成有效的行選信號和列選信號，從而選中該存儲單元。000001111151511515150115列譯碼器行譯碼器...........位線位線位線位線位線位線.......XXXYYY01150115AAAA地址輸入地址輸入4567DD數據線....2A3A01AA7.3.1RAM的結構

2、地址譯碼器⑵、地址碼位數與可尋址數的關系地址碼位數n可尋址數2n10111213141516171819201024（1K）2048（2K）4096（4K）8192（8K）16384（16K）32768（32K）65536（64K）131072（1128K）262144（256K）524288（512K）1048576（1024K=1M）7.3.1RAM的結構3、片選與讀/寫控制電路（I/O電路）數字系統(tǒng)中的RAM一般要由多片組成，而系統(tǒng)每次讀寫時，只針對其中的一片(或幾片)，為此，在每片RAM上均加有片選端。

G1、G2、G3均為高阻態(tài)，因此，I/O端與存儲器內部完全隔離，存儲器禁止讀/寫操作，即不工作。

G5輸出高電平，G2被打開，被選中的單元所存儲的數據內部位線、G2出現在I/O端。存儲器執(zhí)行讀操作；

G4輸出低電平，G1、G3呈高阻態(tài)，禁止寫操作。該片被選中7.3.1RAM的結構

G4輸出高電平，G1、G3被打開，此時加在I/O端的數據經G1、G3及內部位線寫入指定單元。存儲器執(zhí)行寫操作。

G5輸出低電平，G2、呈高阻態(tài)，禁止讀操作。該片被選中7.3.1RAM的結構例7-1：指出，7.3.1RAM的結構對A7~A0=00000001的操作。解：將I/O端口數據寫入第2行第1列存儲單元。時，六管NMOS靜態(tài)存儲單元7.3.2RAM存儲單元T3T4T6T2T1TjTjDYjXiT5VDDD位線位線′存儲單元7-187.3.2RAM存儲單元MOS動態(tài)存儲單元T3T4T6T2T1TjDYjXiT5VDDR讀位線寫位線T4′存儲單元CO′&&COW寫行線讀行線預充脈沖C7.3.3RAM集成片HM6264簡介HM6264為8K×8位的CMO靜態(tài)RAM存取時間：100ns電源電壓：+5V工作電流：40mA維持電流：2μA7.3.3RAM集成片HM6264簡介HM6264為8K×8位的CMO靜態(tài)RAMI/O線：8條，I/O0～I/O7

即每字8位。地址線：13條，A12～A0

即每個地址尋找

1個字（8位）。控制線：4條：片選控制端：讀/寫控制端：輸出控制端7.3.3RAM集成片HM6264簡介HM6264為8K×8位的CMO靜態(tài)RAM工作狀態(tài)I/O讀（選中）０１０１輸出數據寫（選中）０１×０輸入數據維持（未選中）１×

×

×高阻浮置維持（未選中）×０×

×高阻浮置禁止輸出０１１１高阻浮置1、位擴展

根據需要字數夠而位數不夠時，采用位擴展方法。⑴、連接方法①、將字數相同各片的地址線、R/W、CS分別并聯(lián)連接；②、每片的I/O端作為整個RAM輸入/輸出數據端的一位。⑵、擴展后的存儲容量

總存儲容量＝每片的字數×n位

7.3.４RAM存儲容量的擴展例7-2：每片為1K，共8片，擴展成8位輸出，故總容量為：

1K×8位

或為：8K將1024×1位的RAM擴展為1024×8位。7.3.４RAM存儲容量的擴展解：各片連接后如圖。

2、字擴展

根據需要位數夠而字數不夠時，采用字擴展方法。⑴、連接方法①、將位數相同各片的I/O端、R/W分別并聯(lián)連接，作為擴展后的位輸出端；②、將位數相同各片的地址輸入端也分別并聯(lián)連接，作為擴展后低地址輸入端；③、高地址信號由各片CS端接成的譯碼電路的輸出端提供。⑵、擴展后的存儲容量

總存儲容量＝每片的容量之和

7.3.４RAM存儲容量的擴展例7-3：要求用6264型RAM構成存儲容量為32K×8位的存儲器。解：

6264型RAM的存儲容量為8K×8位，地址線13條，即A12～A0。故1>、所需片數為：32K÷8K＝4片；

2>、每片的I/O０～

I/O7并聯(lián)，作為輸出；

3>、因2n=32K，即2n=25·210=215故所需地址線為：n=15條；每片的A12～A0并聯(lián)作為低地址線；A14A13利用CS端，通過譯碼器獲得。7.3.４RAM存儲容量的擴展接法如下：A14A13=00，選第一片，CS1=0；

A14A13=01，選第二片，CS2=0；

A14A13=10，選第三片，CS3=0；

A14A13=11，選第四片，CS4=0；4>、連接電路7.3.４RAM存儲容量的擴展斷電時的數據保護用5>、各片地址分配7.3.４RAM存儲容量的擴展尋址的片子A14A13地址范圍…A13A12A11

等效十進制等效十六進制Ⅰ000111000000000000000～0011111111111110～81910～1FFFⅡ011011010000000000000～0111111111111118192～163832000～3FFFⅢ101101100000000000000～10111111111111116384～245754000～5FFFⅣ111110110000000000000～11111111111111124576～327686000～7FFF如果字和位都不夠，則可同時進行字擴展和位擴展。7.4只讀存儲器（ROM）

只讀存儲器，簡稱ROM(ReadOnlyMemory)。

特點：正常工作時只能讀出，不能寫入。

優(yōu)點：所存放的程序、表格、函數以及常數、符號等數據在斷電時不會丟失。

缺點：不能隨時修改數據。

ROM又分為固定ROM（又叫掩膜ROM）和可編程ROM兩大類。１、二極管固定ROM⑴、電路圖①、地址譯碼器由與門組成。A1、

A0：地址線；W0~

W3：存儲矩陣的字線。兩者關系：“與”的關系。7.4.1固定ROM

固定ROM與RAM一樣，也由三部分組成：地址譯碼器、存儲矩陣和輸出電路。１、二極管固定ROM②、存儲矩陣由或門組成。存儲數據：有二極管處存“1”，無二極管處存“0”。

W0~W3：字線。Y0~

Y3

：位線。兩者關系：“或”的關系。7.4.1固定ROM③、輸出電路---由三態(tài)門組成。１、二極管固定ROM例7-4：如圖電路，字線數與地址變量數的關系如何？存儲容量是多少？地址變量與輸出數據的關系如何？解：設地址變量數為：n字線數為：l位線數為：m存儲容量為：M7.4.1固定ROM則：l=2n=22=4M=l×m=4×4=16Bit也稱4×4位１、二極管固定ROM⑵、地址譯碼器和存儲距陣的點陣圖①、譯碼器點陣圖中，地址線與字線交點處根據“與”的關系畫點；7.4.1固定ROM②、存儲距陣點陣圖中，字線與位線交點處有二極管的畫點。

2、MOS管固定ROM⑴、電路7.4.1固定ROM①、將二極管ROM中的二極管用NMOS管代替；②、輸出緩沖器為三態(tài)控制的“非門”，故D與W是“或非”關系。該電路的字線與位線的關系為：其它與二極管故定ROM一樣，有MOS管處存1，無MOS管處存“０”。7.4.2可編程ROM1、一次性可編程ROM（PROM：ProgrammableRead-OnlyMemory）1、一次性可編程ROM（PROM：ProgrammableRead-OnlyMemory）

產品出廠時，已經在存儲距陣的所有交叉點上全部制作了存儲元件，相當于在所有存儲單元中都已存入了１。用戶編程時，只做“0”的寫入，即把要存入“0”的那些存儲單元的熔絲熔斷。（見P307）問題：PROM只能寫入一次，一經寫入，就不能被再修改。7.4.2可編程ROM2．光可擦除可編程存儲器EPROM光可擦除可編程存儲器EPROM(通常簡稱EPROM)是采用浮柵技術生產的可編程存儲器，它的存儲單元多采用N溝道疊柵M0S管，簡稱SIM0S管，其結構及符號如圖所示。利用浮柵是否積累負電荷來存取二值數據。圖SIMOS管的結構和符號38

為和固定ROM區(qū)別，可編程ROM的的存儲單元在陣列圖中用×表示，而不是點。3、電可擦可編程ROM（EEPROM或E2PROM）7.4.2可編程ROM

EEPROM中的存儲單元是一個Flotox（FloatinggateTurnnelOxideMOS)管。進行“0”的寫入時，Flotox管是利用隧道效應使浮柵俘獲電子，與SIMOS管的雪崩效應不同，速度更快。門控管Flotox管3、電可擦可編程ROM（EEPROM或E2PROM）7.4.2可編程ROM

EEPROM中的存儲單元是一個Flotox（FloatinggateTurnnelOxideMOS)管。

EEPROM只需用高壓脈沖就可擦除，不用紫外線照射。它也是利用隧道效應，擦除的速度很快，而且可只擦一個字或一些字，比EPROM靈活方便。４、快閃存儲器（FlashMemory）7.4.2可編程ROM

快閃存儲器中的存儲單元是一個類似于SIMOS的管子，區(qū)別是浮柵與襯底間的氧化層的厚度比SIMOS管小，SIMOS管有30～40nm，它僅為10～15nm，相當于Flotox管的隧道效應。

快閃存儲器既吸收了EPROM結構簡單、變成可靠的優(yōu)點，又具有EEPROM用隧道效應擦除的快捷特性，集成度可以做得很高。缺點是只能全部存儲單元同時擦除。電源電壓：+5V

編程高電壓：+25V工作最大電流：25mA最大存取時間：450ns7.4.4EPROM集成片簡介2716為2K×8位的EPROM

2716~27512系列EPROM集成片，除了存儲容量、編程高電壓等參數不同外，其它都基本相同，故只介紹2716型。7.4.4EPROM集成片簡介2716為2K×8位的EPROM數據線：8條，D0～D7

即每字8位。地址線：11條，A0～A10

即每個地址尋找

1個字（8位）?？刂凭€：3條：片選/編程控制端：編程電壓控制端：輸出允許控制端7.4.4EPROM集成片簡介2716為2K×8位的EPROM工作方式輸出D讀出００+5數據輸出維持１×+5高阻浮置編程１+25數據寫入編程禁止０１+25高阻浮置編程檢驗００+25數據輸出寬50nm詳見P314由ROM圖知(RAM也類似)，字線就是組合邏輯函數中的最小項：而位線是相應最小項之和：故可將邏輯函數化成最小項之和形式，用ROM(或RAM)來實現。7.4.3利用ROM實現組合邏輯函數7.4.3利用ROM實現組合邏輯函數例7-5：用PROM構成一個碼型轉換器，將4位二進制碼B3B2B1B0轉換成循環(huán)碼G3G2G1G0

。解：循環(huán)碼（格雷碼）又稱循環(huán)二進制碼或反射二進制碼。二進制碼轉換成循環(huán)碼真值表二進制碼B3B2B1B0數據字Wi循環(huán)碼G3G2G1G000000001001000110100010101100111W0W1W2W3W4W5W6W700000001001100100110011101010100二進制碼B3B2B1B0數據字Wi循環(huán)碼G