數(shù)字電路邏輯設(shè)計 第七章半導(dǎo)體存儲器1課件

第七章半導(dǎo)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）存儲器的存儲媒介有多種，應(yīng)用范圍也非常廣泛。軟磁盤磁帶硬盤內(nèi)存條光盤優(yōu)盤數(shù)碼相機用SM卡7.1存儲器概述7.1存儲器概述存儲器：專用于存放大量二進(jìn)制數(shù)碼的器件按材料分類

1)磁介質(zhì)類——軟磁盤、硬盤、磁帶、…2)光介質(zhì)類——CD、DVD、MO、…3)半導(dǎo)體介質(zhì)類——SDRAM、EEPROM、FLASHROM、…按功能分類主要分RAM和ROM兩類，不過界限逐漸模糊

RAM:SDRAM,磁盤，

ROM:CD,DVD,FLASHROM,EEPROM存儲器一般概念討論學(xué)習(xí)半導(dǎo)體介質(zhì)類存儲器件的結(jié)構(gòu)功能和使用特點

半導(dǎo)體存儲器種類很多，其簡單分類如下：★

雙極型存儲器：

是以雙極性觸發(fā)器為基本存儲單元，具有工作速度快，功耗大的特點，主要用于對工作速度要求較高的場合。★

MOS型存儲器

是以MOS觸發(fā)器為基本存儲單元，它具有集成度高、功耗小、工藝簡單等特點，主要用于大容量存儲系統(tǒng)中?！顝闹圃旃に嚿戏郑?.1.2半導(dǎo)體存儲器分類

RAM(RandomAccessMemory)隨機存取存儲器ROM(ReadOnlyMemory)只讀存儲器隨機存取存儲器：在運行狀態(tài)可以隨時進(jìn)行讀或?qū)懖僮鱎AM信息易失：芯片必須供電才能保持存儲的數(shù)據(jù)SRAMDRAM只讀存儲器：通過特定方法寫入數(shù)據(jù)，正常工作時只能讀出ROM信息非易失：信息一旦寫入，即使斷電也不會丟失ROM(工廠掩膜)PROM(一次編程)7.1.2半導(dǎo)體存儲器分類EPROM(多次編程)☆從存取信息方式上分：順序存取存儲器(SAM)：如先入先出型和先入后出型

SAM(SequentialAccessMemory)順序存取存儲器容量：存儲單元總數(shù)（bit），一個基本存儲單元能存儲１位(Bit)的信息，即一個0或一個1。存取時間：表明存儲器工作速度，通常用讀(或?qū)?周期描述。其它：材料、功耗、封裝形式等等7.1.3存儲器主要性能指標(biāo)1Kbit=1024bit=210bit128Mbit=134217728bit=227bit字長：一個芯片可以同時存取的比特數(shù)，存儲器的讀寫操作是以字為單位的，每一個字可包含多個位。1位、4位、8位、16位、32位等等標(biāo)稱：字?jǐn)?shù)×位數(shù)讀操作和寫操作時序圖：存儲器的工作時序關(guān)系例如：字?jǐn)?shù)：字長：每次可以讀(寫)二值碼的個數(shù)總?cè)萘坎煌拇鎯ζ餍酒?，其存儲容量是不同的。例如某一半?dǎo)體存儲器芯片，共有4K個存儲單元，每個單元存儲8位二進(jìn)制信息，則該芯片的存儲容量是4K×8bits或4K字節(jié)，簡稱4KB。

字節(jié)數(shù)（4K個字節(jié)數(shù)）字節(jié)長B（一個字節(jié)8bits）存儲器……7.2

順序存取存儲器（SAM）7.2.1動態(tài)CMOS反相器7.2.2動態(tài)CMOS移存單元7.2.3

動態(tài)移存器和順序存取存儲器SequentialAccessMemory7.2.1動態(tài)CMOS反相器由傳輸門和CMOS反相器組成。電路中T1、T2柵極的寄生電容C是存儲信息的主要“元件”。

２．MOS管柵電容C的暫存作用柵電容C充電迅速，放電緩慢，因此可以暫存輸入信息。若每隔一定時間對C補充一次電荷，使信號得到“再生”，可長期保持C上的1信號，這一操作過程通常稱為“刷新”。

CP的周期不能太長，一般應(yīng)小于１ms。

１．電路結(jié)構(gòu)圖7-2-1動態(tài)CMOS反相器vI+–TG1CPCRVDDT2T1vOCP?+–7.2.2動態(tài)CMOS移存單元7.2.3動態(tài)移存器和順序存取存儲器

１．動態(tài)移存器動態(tài)移存器可用動態(tài)CMOS移存單元串接而成，主要用來組成順序存取存儲器(SAM)。7.2.3動態(tài)移存器和順序存取存儲器

１．動態(tài)移存器動態(tài)移存器可用動態(tài)CMOS移存單元串接而成，主要用來組成順序存取存儲器(SAM)。由于需要讀出的數(shù)據(jù)必須在CP的推動下，逐位移動到輸出端才可讀出，所以存取時間較長，位數(shù)越多，最大存取時間越長。0121023···串入串出CPCP1位動態(tài)移存單元圖7-2-3

1024位動態(tài)移存器示意圖圖7-2-5

m×4位FILO型SAMI/O控制電路1ENQ0Qm-1???m位雙向移存器SL/SRCPG2G1I/O0R/WCPENENI/O3EN111Q0Qm-1???m位雙向移存器SL/SRCP●······

３．先入后出(FILO)型SAM寫操作：移存器執(zhí)行右移操作，由I/O端最先送入的數(shù)據(jù)存于各移存器的最右端。讀操作：移存器執(zhí)行左移操作，存于各移存器最左端的數(shù)據(jù)最先由I/O端讀出。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.1RAM的基本結(jié)構(gòu)7.3.2RAM芯片介紹7.3.3RAM容量擴展二、RAM的存儲單元（SRAM、DRAM）一、RAM的結(jié)構(gòu)框圖一、字長（位數(shù)）的擴展二、字?jǐn)?shù)的擴展RandomAccessMemory存儲矩陣輸入/輸出控制電路

地址譯碼器數(shù)據(jù)輸入/輸出地址輸入控制信號輸入(CS、R/W)地址譯碼器：對外部輸入的地址碼進(jìn)行譯碼，唯一地選擇存儲矩陣中的一個存儲單元輸入/輸出控制電路：對選中的存儲單元進(jìn)行讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的操作存儲矩陣：存儲器中各個存儲單元的有序排列7.3.1RAM的結(jié)構(gòu)一、RAM的結(jié)構(gòu)框圖1.存儲矩陣圖中，1024個字排列成32×32的矩陣。為了存取方便，給它們編上號。32行編號為X0、X1、…、X31，32列編號為Y0、Y1、…、Y31。這樣每一個存儲單元都有了一個固定的編號，稱為地址。

A0A1A2A3CSX0CSX1CSX15行地址譯碼器……列地址譯碼器A4A5A6A7CSY0CSY1CSY15011516173232241255存儲單元數(shù)量多，將存儲單元排列成矩陣形式（存儲器陣列）陣列中各單元的選擇稱地址譯碼A0A1A2A3A4A5A6A7……CS0CS1CS255地址譯碼器存儲器陣列01255單譯碼:n位地址構(gòu)成條地址線。若n=10，則有1024條地址線行列（雙）譯碼:將地址分成兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器共同譯碼,其輸出為存儲矩陣的行列選擇線，由它們共同確定欲選擇的地址單元。2．地址譯碼例如，輸入地址碼A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，則行選線X1＝1、列選線Y0＝1，選中第X1行第Y0列的那個存儲單元。采用雙譯碼結(jié)構(gòu)。行地址譯碼器：5輸入32輸出，輸入為A0、A1、…、A4，輸出為X0、X1、…、X31；

列地址譯碼器：5輸入32輸出，輸入為A5、A6、…、A9，輸出為Y0、Y1、…、Y31，這樣共有10條地址線。2．地址譯碼

3.片選及輸入/輸出控制電路當(dāng)選片信號CS＝1時，G5、G4輸出為0，三態(tài)門G1、G2、G3均處于高阻狀態(tài)，I/O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。當(dāng)CS＝0時，芯片被選通：當(dāng)R/W＝1時，G5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I/O端，存儲器執(zhí)行讀操作；當(dāng)R/W＝0時，G4輸出高電平，G1、G2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，存儲器執(zhí)行寫操作。圖7-3-1

256×1位RAM示意圖

X地址譯碼器Y地址譯碼器1,1A0A1A2A3X0(行)X15T0T0'T15'Y0(列)???Y15A4A5A6A7位線行存儲矩陣I/O電路G1DG4G5G2I/OR/W&D1ENCS16,1列1,16T15位線16,161EN1EN&G3????從RAM的結(jié)構(gòu)再看RAM指標(biāo)的意義：容量：指存儲矩陣的大小，即陣列中所有存儲單元的總數(shù)字?jǐn)?shù)2n：指地址單元的總數(shù)為2n，n為RAM外部地址線的根數(shù)字長：指每個地址單元中的數(shù)據(jù)位數(shù)；也即是每次尋址后從存儲器中讀出（或?qū)懭耄┑臄?shù)據(jù)位數(shù)7.3.1RAM的結(jié)構(gòu)存儲容量＝字?jǐn)?shù)（2n）×字長（數(shù)據(jù)位數(shù)）Xi

=1，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器與位線接通Xi

=0，T5、T6截止，觸發(fā)器與位線隔離Yj

=1，Tj

、Tj’均導(dǎo)通，觸發(fā)器的輸出才與數(shù)據(jù)線接通，該單元才能通過數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)來自行地址譯碼器的輸出來自列地址譯碼器的輸出7.3.2RAM存儲單元1、靜態(tài)MOSRAM（SRAM）圖7-3-2六管CMOS靜態(tài)存儲單元VDD??DDTjTj'YjT1T3QQT5T2T4T6Xi位線位線由于數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，信息就可以永久保存。采用CMOS管，所以靜態(tài)功耗極小。2、動態(tài)MOSRAM（DRAM）DRAM存儲數(shù)據(jù)原理：基于MOS管柵極電容的電荷存儲效應(yīng)DRAM三個工作過程：寫入數(shù)據(jù)讀出數(shù)據(jù)刷新數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)的電容存儲單元寫入數(shù)據(jù)的控制門讀出數(shù)據(jù)的控制門寫入刷新控制電路來自行地址譯碼器的輸出來自列地址譯碼器的輸出7.3.2RAM存儲單元寫入數(shù)據(jù)若DI＝0，電容充電；若DI＝1，電容放電。

當(dāng)Xi＝

Yj＝0時，寫入的數(shù)據(jù)由C保存。R/W=0,G1開通，G2被封鎖，輸入數(shù)據(jù)DI經(jīng)G3反相，被存入電容C中。&&DRAM工作描述7.3.2RAM存儲單元

讀位線信號分兩路，一路經(jīng)T5

由DO

輸出；另一路經(jīng)G2、G3、T1對存儲單元刷新。R/W=1,G2開通，G1被封鎖，讀出數(shù)據(jù)若C上充有電荷且使T2導(dǎo)通，則讀位線獲得低電平，輸出數(shù)據(jù)0；反之，T2截止，輸出數(shù)據(jù)1。&&DRAM工作描述7.3.2RAM存儲單元若讀位線為低電平，經(jīng)過G3反相后為高電平，對電容C充電；刷新數(shù)據(jù)&&若讀位線為高電平，經(jīng)過G3反相后為低電平，電容C放電；當(dāng)R/W=1,且Xi=1時，C上的數(shù)據(jù)經(jīng)T2

、T3到達(dá)“讀”位線，然后經(jīng)寫入刷新控制電路對存儲單元刷新此時,Xi有效的整個一行存儲單元被刷新。由于列選擇線Yj無效，因此數(shù)據(jù)不被讀出DRAM工作描述7.3.2RAM存儲單元T1G2&&T2T3T4T4'T5T6TjYjC0C0'CG1XiWRVDDVDD預(yù)充

脈沖讀行線寫位線寫行線讀位線D三管動態(tài)NMOS存儲單元

(2)三管NMOS動態(tài)存儲單元

NMOS管T2的柵電容C用來暫存數(shù)據(jù)。預(yù)充電：讀出操作：寫入操作：刷新操作：通過內(nèi)部的讀、寫操作，使C中的信息得以長期保持。3、單管NMOS動態(tài)存儲單元圖7-3-4單管NMOS動態(tài)存儲單元?xiTCSC0D位線由一個門控管T和一個存儲信息的電容CS組成。由于分布電容C0＞＞CS，所以位線上的讀出電壓信號很小，需用高靈敏度讀出放大器進(jìn)行放大；且每次讀出后必須立即對該單元進(jìn)行刷新，以保留原存信息。7.3.2RAM存儲單元利用觸發(fā)器保存數(shù)據(jù)寫入時在D和/D上加上反相信號，引起觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)即可數(shù)據(jù)讀出非破壞性，一次寫入，可以反復(fù)讀出存儲單元占用管元多，每比特面積大、功耗高動態(tài)存儲單元利用柵級電容上的存儲電荷保存數(shù)據(jù)寫入過程是給電容充電或放電的過程破壞性讀出存儲單元管元少、面積小、功耗低、利于海量存儲需要刷新時序控制存儲單元特點比較：靜態(tài)存儲單元RAM的工作時序（以寫入過程為例）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；（2）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。（3）在R/W線上加低電平，進(jìn)入寫工作狀態(tài)；（4）讓選片信號CS無效，I/O端呈高阻態(tài)。SRAM芯片M6264：容量為：8192字×8位（常稱為8K×8）8條數(shù)據(jù)線，每字長度為8位13條地址線，存儲字?jǐn)?shù)為：213＝8Ｋ圖7-3-5

HM6264外引線排列圖⌒R/WNCGND15141613171218111910209218227236245254263272281A12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2VDDCS2A8A9A11OEA10CS1I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3HM62647.3.3RAM產(chǎn)品介紹CS1、CS2是選片端，OE是輸出使能端，R/W是讀寫控制端。表7-3-2

HM6264工作狀態(tài)工作狀態(tài)CS1CS2OER/WI/O

讀（選中）0101輸出數(shù)據(jù)寫（選中）01×0輸入數(shù)據(jù)維持（未選中）1×××高阻浮置維持（未選中）×