數(shù)電 第6章 半導(dǎo)體存儲器與可編程邏輯器件

第6章半導(dǎo)體存儲器與可編程邏輯器件習題與思考題練習題：1,3,4,5,6,76.1概述6.2隨機存儲器RAM6.3只讀存儲器ROM6.4可編程邏輯器件PLD6.5高密度可編程邏輯器件6.6*硬件描述語言簡介1半導(dǎo)體存儲器是固態(tài)存儲器SSD(SolidStateDrives)

，具有存儲密度高、體積小、容量大、讀寫速度快、功耗低和抗震等優(yōu)點!硬磁盤固態(tài)硬盤SSD光盤6.1概述2存儲器：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。用途：在計算機或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)。與寄存器的區(qū)別：以字為單位存取，每字包含若干位。各個字的相同位通過同一引腳與外界聯(lián)系。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地址譯碼器。作業(yè):【6.1】【6.2】【6.3】【6.4】【6.5】【6.6】【6.7】【6.8】【6.9】存儲器分類：存儲特點揮發(fā)性存儲器VM非揮發(fā)性存儲器NVM原理和介質(zhì)半導(dǎo)體存儲器磁存儲器光存儲器讀寫特性只讀存儲器ROM隨機存儲器RAM1.半導(dǎo)體存儲器34硬磁盤固態(tài)硬盤SSD容量TB量級TB量級價格(元/GB)0.5~110以上壽命(小時)無限100萬以上速度(延遲時間,ms)101量級10-2量級功耗(W)101量級1以下噪聲有無震動敏感性敏感不敏感硬磁盤與固態(tài)硬盤比較5隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)靜態(tài)存儲器SRAM(StaticRAM)

主要用于高速緩存等動態(tài)存儲器DRAM(DynamicRAM)按功能特點SDRAM,DDR-SDRAM等非揮發(fā)存儲器（Non-VolatileMemory--NVM）揮發(fā)存儲器（VolatileMemory--VM）或者稱易失存儲器半導(dǎo)體存儲器分類主要指標：存儲容量、存取速度。存儲容量：用字數(shù)×位數(shù)表示固定ROM(掩模ROM)可編程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可編程ROM(EPROM--ErasablePROM)特指UVEPROMEEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快閃存儲器，如U盤)ROM斷電后數(shù)據(jù)仍能保留，而RAM內(nèi)數(shù)據(jù)會丟失。676.2隨機存儲器RAM6.2.1RAM存儲單元(1)片選控制信號CS’:控制I/O端是否處在高阻狀態(tài)。(ChipSelect)(2)讀寫控制信號R/W’:控制電路處于讀出,還是寫入狀態(tài)。(Read/Write)觸發(fā)器是存儲核心電路這也是“靜態(tài)”名稱由來1．SRAM存儲單元—6管CMOS82．DRAM存儲單元--單管存儲單元動態(tài)存儲單元電路結(jié)構(gòu)簡單，可以提高存儲密度，降低成本。極間電容DRAM利用電容存儲電荷實現(xiàn)信息存儲，但電容漏電屬性限制了其本身只能維持毫秒量級的存儲時間，所以需要刷新控制電路配合使用，才能長期保存數(shù)據(jù)，這也是“動態(tài)”名稱的由來。96.2.2RAM的結(jié)構(gòu)m條地址線對應(yīng)2m個字(字線)，每個字包含的n位數(shù)據(jù)(字長,位線)，則:總存儲容量=字線數(shù)×位線數(shù)

=2m×n位

m－地址數(shù)

n－位線、數(shù)據(jù)線(I/O)數(shù)

計算練習10行地址選擇多字，列地址在從多字中選擇出1個字進行讀寫(本質(zhì)上行列地址是不分先后的)11因為單個存儲器芯片容量有限，所以在實際應(yīng)用場合，往往需要多顆RAM芯片組成更大容量的存儲模塊，這就是容量擴展問題容量=字線數(shù)量×位線數(shù)量位擴展方法和字擴展方法126.2.3RAM的擴展1．位擴展用256字×1位RAM芯片構(gòu)成256字×4位RAM存儲器N=(擴展后)芯片組容量（擴展前)單片容量方法:所有輸入信號都并聯(lián)(地址信號、片選信號和讀寫信號),輸出各自獨立。所需片數(shù)：芯片組132．字擴展用256字×4位RAM芯片組成1024字×4位存儲器。還需要增加2根地址線——經(jīng)譯碼后作為片選信號！0001…10111讀寫

高阻…高阻方法:除片選信號外，其他信號都并聯(lián)(地址、讀寫及數(shù)據(jù)線)14器件編號A9

A8擴展地址譯碼輸出各個芯片地址范圍（十六進制）芯片狀態(tài)Y3′Y2′Y1′Y0′1001110000～0FF芯片（1）讀寫，其他高阻2011101100～1FF芯片（2）讀寫，其他高阻3101011200～2FF芯片（3）讀寫，其他高阻4110111300～3FF芯片（4）讀寫，其他高阻有時為滿足存儲容量和數(shù)據(jù)寬度要求，既需要進行位擴展，又要進行字擴展。字擴展后的各個芯片地址空間分配情況15題6.1試說明ROM和RAM的區(qū)別，它們各適用于什么場合？答：ROM斷電后數(shù)據(jù)仍能保留，而RAM內(nèi)數(shù)據(jù)會丟失；ROM主要適合要求數(shù)據(jù)永久存儲的場合，而RAM適合臨時存儲數(shù)據(jù)。題6.3試說明SRAM和DRAM存儲原理有何不同？答：

SRAM利用觸發(fā)器電路存儲數(shù)據(jù)，能長期自行存儲數(shù)據(jù)；而DRAM利用電容效應(yīng)存儲數(shù)據(jù)，由于電容的漏電特性，DRAM本身不能長期保存數(shù)據(jù)，需要控制電路配合使用。16題6.5某計算機具有16位寬度的地址總線和8位寬度的數(shù)據(jù)總線，試計算其可訪問的最大存儲器容量是多少？如計算機已安裝存儲器容量超過此數(shù)值，會怎樣？答：2168比特。如果超出此數(shù)值，超出部分計算機不能直接訪問（使用）。題6.6試用512×4的RAM芯片構(gòu)成5128的存儲器。17題6.7試用256×4的RAM芯片構(gòu)成10244的存儲器。需要一個怎樣規(guī)格的二進制譯碼器？需要一個2線到4線的二進制譯碼器，輸出低電平有效。181.ROM的地址譯碼輸出地址變量的最小項，W1=A’1A0，W3=A1A02.存儲矩陣根據(jù)其存儲內(nèi)容，數(shù)據(jù)輸出為各最小項的或運算6.3只讀存儲器ROM6.3.1固定ROMROM是組合邏輯電路!D3=W1+W3=A’1A0+A1A019查找表LookUpTable/真值表A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110存儲矩陣的每個交叉點是一個“存儲單元”，存儲單元中有器件存入“1”，無器件存入“0”ROM也可看作是譯碼－編碼的過程D3=W1+W3=A’1A0+A1A020MOS管構(gòu)成的存儲矩陣此存儲矩陣是“或非”邏輯矩陣A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110等效為電阻216.3.2可編程只讀存儲器PROM1．只能編程一次的PROM--OTPROM編程時將VCC和字線電壓提高熔絲熔斷過程是不可逆的，所以只能編程一次！寫入數(shù)據(jù)時，需要專門的編程器222．可擦除可編程只讀存儲器EPROM--UVEPROM1）EPROM存儲元件2）存儲原理疊柵/浮柵MOSFGMOS:Floating-GateMOS浮置柵極存儲電荷改變了閾值特性23浮柵沒有電子，有導(dǎo)電溝道，相當于存儲1浮柵有電子，沒有導(dǎo)電溝道，相當于存儲0EPROM關(guān)鍵技術(shù)-浮柵電荷的存儲和去除，分別稱為編程和擦除由于浮柵周圍是絕緣的SiO2，放電回路電阻相當大，所以EPROM存儲數(shù)據(jù)可以長期保存243）熱電子注入（Hot-electroninjection）編程和紫外線擦除原理編程--熱電子注入(雪崩注入)編程1.源漏極加高壓，發(fā)生雪崩擊穿，實現(xiàn)電子流加速，形成高速電子流，即熱電子。2.在控制柵極上加高壓脈沖，吸引高速運動電子穿過SiO2到達浮柵，并被捕獲。25UVEPROM芯片和擦除器紫外線或X射線，距管子2厘米處照射15~20分鐘；陽光下1周，熒光燈下3年。紫外線擦除透明窗口紫外線燈26使用時先去除EPROM存儲器芯片窗口上的遮光不干膠紙，擦除器最多可以同時擦除16片芯片，將定時器設(shè)定在10分鐘位置，接通電源即可。對于比較舊的芯片,一般要加大擦除的時間,可設(shè)為20分鐘左右。價格：68元2728是制作紫外線擦除器需要的全部零件，計有紫外線燈管一只，鎮(zhèn)流器一只、啟動器一只、燈管插座兩只、電源線及少許絕緣導(dǎo)線、啟動器插座、電源開關(guān)一只等。什么？對了，和普通的日光燈的組成一樣，不過，只是采用了紫外線燈管而已。2930均勻隧道編程與擦除4）FN隧道穿越（Fowler-Nordheimtunneling）編程和擦除原理均勻隧道編程與擦除是有條件的，即隧道區(qū)厚度要足夠小，如小于12nm31非均勻隧道編程與擦除隧道區(qū)靠近漏極或源極一側(cè)32EEPROM的編程和擦除都是基于非均勻隧道穿越原理3．電擦除可編程只讀存儲器EEPROM（E2PROM）T2為了提高擦、寫的可靠性T1為實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的存儲管存儲單元為雙管結(jié)構(gòu)336.3.3現(xiàn)代常用ROM1．FlashROM存儲單元相對于EEPROM，只需要一個MOS管，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，成本低。因為MOS管的源極是連在一起的，所以擦除時按固定大小的存儲容量(典型為128-512kbits)整體擦除，所以叫FlashMemory，用來形容擦除速度快。存儲單元為單管結(jié)構(gòu)34NORFlashROM存儲矩陣及其等效電路NORFlash同一位線上的單元是并聯(lián)的關(guān)系，邏輯上為或非邏輯NOR指的就是或非邏輯35NANDFlashROM存儲矩陣及其等效電路NANDFlash同一位線上的單元是串聯(lián)的關(guān)系，邏輯上為與非邏輯NAND指的就是與非邏輯36典型的NANDFlashROM的結(jié)構(gòu)37NOR與NAND比較參數(shù)NORFlashROMNANDFlashROM容量中等容量（256MB）大容量（16GB或更高）程序直接運行（XIP，eXecuteInPlace）可以（類似RAM）不可以（類似硬盤）工作速度擦除慢（5s）快（4ms以下）寫慢快讀較快快擦除次數(shù)10000～100000100000～1000000擦除方式FN隧道穿越FN隧道穿越編程方式熱電子注入FN隧道穿越訪問方式隨機訪問順序訪問價格高很低擦除單位塊小塊（8～32KB）編程單位字節(jié)頁（典型為528Byte）讀取單位字節(jié)頁優(yōu)勢隨機訪問壽命長、成本低382．單比特單元SLC與多比特單元MLCSingleLevelCellVSMultipleLevelCell目前，多比特單元已經(jīng)成為主流！尤其是超大容量的FlashROM39Kingston1GSDcard左側(cè)為三星K9G808U0MMLCFlashROM2bits/cell

右側(cè)為SD控制芯片，49元

￥49.0040雖然，ROM可讀也可寫，但寫入速度慢，另外寫入或擦除操作是有損操作，SIO2絕緣層很薄，隨著寫操作次數(shù)增加，也在不斷損耗，一旦絕緣層徹底擊穿，將不能再編程。所以可寫ROM的編程次數(shù)都是有限的，典型次數(shù)為100萬次(NANDFlash)。所以ROM還不能代替RAM！U盤往往內(nèi)部包括了微處理器（右側(cè)芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比較低的單電源條件下工作，因為芯片內(nèi)部往往有電荷泵（chargepump

）用于提升電壓，以滿足在擦除和寫入時對高電壓的要求。41題6.2試說明PROM種