第9章-半導(dǎo)體存儲器

第9章半導(dǎo)體存儲器9.1概述9.2只讀存儲器（ROM）9.3隨機(jī)存取存儲器（RAM）本章學(xué)習(xí)目的和要求：

1.了解半導(dǎo)體存儲器的功能及分類，了解它們在數(shù)字系統(tǒng)中的作用。

2.熟悉RAM、ROM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和基本用途。

3.掌握如何用存儲器實(shí)現(xiàn)組合邏輯的功能。9.1概述9.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類9.1.2半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)

存儲器是用來存儲信息的部件。存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器。計(jì)算機(jī)中把通過系統(tǒng)總線直接與CPU相連、具有一定容量、存取速度快的存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存。而把通過接口電路與系統(tǒng)相連、存儲容量大而速度較慢的存儲器稱為外存儲器，簡稱外存，如硬盤、軟盤和光盤等。外存用來存放當(dāng)前暫不被CPU處理的程序或數(shù)據(jù)，以及一些需要永久性保存的信息。外存的容量很大，通常將外存歸入計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，外存中存放的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能被CPU使用。半導(dǎo)體存儲器集成度高，存取速度快，應(yīng)用廣泛。9.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器的分類RandomAccessMemoryReadOnlyMemory9.1.2半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)1．存儲容量

(1)用字?jǐn)?shù)×位數(shù)表示，以位為單位。常用來表示存儲芯片的容量，如1K×4位，表示該芯片有1K個(gè)單元(1K=1024)，每個(gè)存儲單元的長度(一個(gè)字的位數(shù))為4位。

(2)用字節(jié)數(shù)表示容量，以字節(jié)(8位)為單位，如128B，表示該芯片有128個(gè)單元，每個(gè)存儲單元的長度為8位。常用KB、MB、GB和TB為單位表示存儲容量的大小。1KB＝1024B；1MB＝1024KB；1GB＝1024MB；1TB＝1024GB。顯然，存儲容量越大，所能存儲的信息越多，系統(tǒng)的功能便越強(qiáng)2．存取時(shí)間存取時(shí)間是指從啟動(dòng)一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。顯然，存取時(shí)間越小，存取速度越快。3．存儲周期

連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲器操作(如連續(xù)兩次讀操作)所需要的最短間隔時(shí)間稱為存儲周期。它是衡量主存儲器工作速度的重要指標(biāo)。一般情況下，存儲周期略大于存取時(shí)間。4．功耗功耗反映了存儲器耗電的多少，同時(shí)也反映了其發(fā)熱的程度。5．可靠性存儲器的可靠性用平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)來衡量。MTBF可以理解為兩次故障之間的平均時(shí)間間隔。MTBF越長，可靠性越高，存儲器正常工作能力越強(qiáng)。6．集成度

集成度指在一塊存儲芯片內(nèi)能集成多少個(gè)基本存儲電路，每個(gè)基本存儲電路存放一位二進(jìn)制信息，所以集成度常用位/片來表示。7．性能/價(jià)格比

性能/價(jià)格比(簡稱性價(jià)比)是衡量存儲器經(jīng)濟(jì)性能好壞的綜合指標(biāo)，它關(guān)系到存儲器的實(shí)用價(jià)值。其中性能包括前述的各項(xiàng)指標(biāo)，而價(jià)格是指存儲單元本身和外圍電路的總價(jià)格。9.2只讀存儲器（ROM）1.固定ROM

制造時(shí)用掩模技術(shù)控制存儲內(nèi)容，信息一次性嵌入，廠家做，用戶不能更改。

2.PROM

用戶可以利用編程器把自己編好的程序?qū)懭氪鎯ζ?，用戶可以自己做，一旦寫入便不能更改?/p>

3.EPROM

用戶可以用編程器寫入內(nèi)容，常與微機(jī)聯(lián)用。需要重新寫入內(nèi)容時(shí)，可以把曾經(jīng)編程的EPROM放在紫外線下照射約30分鐘，原來的內(nèi)容即可被擦干凈，恢復(fù)到原始的狀態(tài)(全1或全0)。用戶可以自己做，能更改，但麻煩。

4.E2PROM

能用電信號擦洗的PROM，寫入新內(nèi)容時(shí)，舊內(nèi)容即被擦除。能很方便地更改，應(yīng)用廣泛。(兼有RAM的特性)9.2只讀存儲器（ROM）9.2.1ROM的電路結(jié)構(gòu)9.2.2固定ROM的工作原理9.2.4可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）9.2.5PROM的應(yīng)用9.2.3可編程只讀存儲器(PROM)9.2.1ROM的電路結(jié)構(gòu)ROM電路結(jié)構(gòu)

存儲矩陣：由許多存儲單元排列而成，而且每個(gè)存儲單元都被編為一個(gè)地址（地址變量）。

地址譯碼器：將輸入的地址變量譯成相應(yīng)的地址控制信號，該控制信號可將某存儲單元從存儲矩陣中選出來，并將存儲在該單元的信息送至輸出緩沖器。

輸出(控制電路)緩沖器：作為輸出驅(qū)動(dòng)器、實(shí)現(xiàn)三態(tài)控制輸出。9.2.2固定ROM的工作原理

或門陣列構(gòu)成存儲陣列

與門陣列組成譯碼器

存儲矩陣:存儲矩陣有四條字線和四條位線,共有16個(gè)交叉點(diǎn),每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)存儲單元,共有4×4=16個(gè)存儲單元,交叉點(diǎn)處接二極管,表示該單元是存“1”,交叉點(diǎn)處不接二極管,表示該單元是存“0”與門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：ROM存儲內(nèi)容的真值表：與門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：0101101001111110D3D2D1D0存

儲

內(nèi)

容00011011A1A0地

址ROM陣列簡化圖例9.2.1

用簡化的ROM存儲矩陣設(shè)計(jì)全加器。解：首先列出真值表如下表所示全加器的真值表AiＢiCi-1

Ｓi

Ci000

0

0001

1

0010

1

0011

0

1100

1

0

101

0

1110

0

1111

1

1

W0～W7分別對應(yīng)于A、B、Ci-1的一個(gè)最小項(xiàng)。因此得出存儲器的簡化矩陣陣列圖如圖所示。全加器陣列圖例9.2.2

試用ROM完成格雷碼向二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。

這個(gè)問題是四個(gè)輸入（G3G2G1G0表示格雷碼）、四個(gè)輸出（B3B2B1B0表示四位二進(jìn)制數(shù)）的代碼轉(zhuǎn)換的組合邏輯電路設(shè)計(jì)，是個(gè)多輸入函數(shù)的設(shè)計(jì)，直接利用真值表就可以進(jìn)行了。為此我們將格雷碼與二進(jìn)制數(shù)對照作為此例的真值表。需要注意的是，字線對應(yīng)的最小項(xiàng)轉(zhuǎn)換碼和格雷碼要相一致。解：格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼真值表ROM構(gòu)成格雷碼向二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換陣列圖例9.2.3

試用ROM構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路，x的取值范圍為0～15的正整數(shù)。解：（1）分析要求、設(shè)定變量

自變量x的取值范圍為0～15的正整數(shù)，對應(yīng)的4位二進(jìn)制正整數(shù)，用B=B3B2B1B0表示。根據(jù)y=x2的運(yùn)算關(guān)系，可求出y的最大值是152＝225，可以用8位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。（2）列真值表—函數(shù)運(yùn)算表（3）寫標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式（4）畫ROM存儲矩陣節(jié)點(diǎn)連接圖ROM的方框圖表示方法9.2.3可編程只讀存儲器(PROM)9.2.4可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）疊柵MOS管1.EPROM的結(jié)構(gòu)和工作原理

存儲單元多采用N溝道疊柵MOS管（SIMOS）,SIMOS管可以利用浮柵是否積累有負(fù)電荷來存儲二值數(shù)據(jù)。浮柵是不帶電的，須在SIMOS管的漏、柵極加上足夠高的電壓（如25V），使漏極及襯底之間的PN結(jié)反向擊穿，產(chǎn)生大量的高能電子,電子穿過很薄的氧化絕緣層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負(fù)電荷。當(dāng)移去外加電壓后,浮柵上的電子沒有放電回路，能夠長期保存。當(dāng)用紫外線或X射線照射時(shí)，浮柵上的電子形成光電流而泄放，從而恢復(fù)寫入前的狀態(tài)。照射一般需要15至20分鐘。2.常用EPROM芯片（1）常用的EPROM舉例——?271611條地址輸入線,7條用于行譯碼，4條用于列譯碼8位數(shù)據(jù)線。編程寫入時(shí)是輸入線，正常讀出時(shí)是輸出線。

（2）常用的EPROM舉例——2764標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插EPROM2764邏輯符號

正常使用時(shí)，VCC=+5V、VIH為高電平，即VPP引腳接+5V、引腳接高電平，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線輸出。在進(jìn)行編程時(shí)，引腳接低電平，VPP引腳接高電平（編程電平+25V），數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線輸入。：輸出使能端，用來決定是否將ROM的輸出送到數(shù)據(jù)總線上去，當(dāng)=0時(shí)，輸出可以被使能，當(dāng)=1時(shí)，輸出被禁止，ROM數(shù)據(jù)輸出端為高阻態(tài)。：片選端，用來決定該片ROM是否工作，當(dāng)=0時(shí)，ROM工作;當(dāng)=1時(shí)，ROM停止工作，且輸出為高阻態(tài)（無論為何值）。ROM輸出能否被使能決定于+的結(jié)果，當(dāng)其0時(shí)，ROM輸出使能，否則將被禁止，輸出端為高阻態(tài)。另外，當(dāng)其=1時(shí)，還會(huì)停止對ROM內(nèi)部的譯碼器等電路供電，其功耗降低到ROM工作時(shí)的10%以下。3.E2PROM的結(jié)構(gòu)和工作原理

E2PROM也是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器。浮柵延長區(qū)與漏區(qū)之間的交疊處有一個(gè)厚度約為80埃的薄絕緣層，當(dāng)漏極接地，控制柵加上足夠高的電壓時(shí)，交疊區(qū)將產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場，在強(qiáng)電場的作用下，電子通過絕緣層到達(dá)浮柵，使浮柵帶負(fù)電荷。這一現(xiàn)象稱為“隧道效應(yīng)”，故該管也稱為隧道MOS管。

相反，當(dāng)控制柵接地漏極加一正電壓，則產(chǎn)生與上述相反的過程，即浮柵放電。與SIMOS管相比，隧道MOS管也是利用浮柵是否積累有負(fù)電荷來存儲二值數(shù)據(jù)的，不同的是隧道MOS管是利用電擦除的，并且擦除的速度要快得多。E2PROM電擦除的過程就是改寫過程，它是以字為單位進(jìn)行的。

E2PROM具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，可以隨時(shí)改寫（可重復(fù)擦寫1萬次以上）。目前，大多數(shù)

E2PROM芯片內(nèi)部都備有升壓電路。因此，只需提供單電源供電，便可進(jìn)行讀、擦除/寫操作，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和在線調(diào)試提供了極大的方便。4.Intel2816E2PROM芯片ROM，PROM，EPROM及E2PROM，除編程和擦除方法不同外，在應(yīng)用時(shí)并無根本區(qū)別。9.2.5PROM的應(yīng)用1.實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)例9.2.4

試用PROM實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)、、。解：首先將以上函數(shù)轉(zhuǎn)換為最小項(xiàng)之和的形式。

根據(jù)所用的實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的輸入和輸出變量數(shù)，可知選用的PROM的容量最小為23×3位。然后只要將函數(shù)的輸入變量A、B、C從PROM的地址輸入端輸入，再根據(jù)上述函數(shù)最小項(xiàng)之和表達(dá)式，通過對陣列編程，就可以實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)。例9.2.4的PROM陣列圖2.實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)表例9.2.3

試用PROM構(gòu)成2×2高速乘法器。解：2×2乘法器的輸入是兩個(gè)二位的二進(jìn)制數(shù)A1A0和B1B0,其乘積的最大值為1001（即11×11），因此所選用的PROM的容量為24×4位。PROM陣列圖9.3隨機(jī)存取存儲器（RAM）9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)9.3.2RAM中的存儲單元9.3.3RAM的擴(kuò)展

隨機(jī)存取存儲器是一種既可以存儲數(shù)據(jù)又可以隨機(jī)取出數(shù)據(jù)的存儲器，即可讀寫的存儲器。隨機(jī)存取存儲器有雙極型晶體管存儲器和MOS存儲器之分。MOS隨機(jī)存取存儲器又可分為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）。RAM保存的數(shù)據(jù)具有易失性，一但失電，所保存的數(shù)據(jù)立即丟失。9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)RAM的基本結(jié)構(gòu)1.存儲矩陣

一個(gè)存儲器內(nèi)有許多存儲單元，一般按矩陣形式排列，排成n行和m列。存儲器是以字為單位組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個(gè)字含有若干個(gè)存儲單元，一個(gè)字所含位數(shù)稱為字長。實(shí)際應(yīng)用中，常以字?jǐn)?shù)乘字長表示存儲器容量。256×4存儲矩陣2.地址譯碼通常存儲器以字為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，每次讀出或?qū)懭胍粋€(gè)字，將存放同一個(gè)字的存儲單元編成一組，并賦于一個(gè)號碼，稱為地址。不同的字存儲單元被賦于不同的地址碼，從而可以對不同的字存儲單元按地址進(jìn)行訪問。字（存儲）單元也稱為地址單元。2n個(gè)（字）存儲單元需要n位（二進(jìn)制）地址。3.讀/寫控制控制被選中的存儲器的讀和寫。如讀，則被選中單元存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線、輸入/輸出線輸出；如寫，則數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入/輸出線、數(shù)據(jù)線存入被選中單元。

一般RAM的讀/寫控制線高電平為讀，低電平為寫；也有的RAM讀/寫控制線是分開的，一根為讀，另一根為寫。4.輸入/輸出讀出時(shí)是輸出端，寫入時(shí)它是輸入端，即一線二用，由讀/寫控制線控制。輸入/輸出端數(shù)據(jù)線的條數(shù)，與一個(gè)地址中所對應(yīng)的存儲器位數(shù)相同，例如在1024×1位的RAM中，每個(gè)地址中只有1個(gè)存儲單元（1位存儲器），因此只有1條輸入/輸出線；而在256×4位的RAM中，每個(gè)地址中有4個(gè)存儲單元（4位存儲器），所以有4條輸入/輸出線。也有的RAM輸入線和輸出線是分開的。RAM的輸出端一般都具有集電極開路或三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)。輸入/輸出控制電路5.片選及輸入/輸出控制電路

當(dāng)CS＝1時(shí)，G5、G4輸出為0，三態(tài)門G1、G2、G3均處于高阻狀態(tài)，輸入/輸出（I/O）端與存儲器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止操作，即不工作；

當(dāng)CS＝0時(shí)，芯片被選通：當(dāng)

＝1時(shí)，G5輸出高電平，G3被打開，于是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)

＝0時(shí)，G4輸出高電平，G1、G2被打開，此時(shí)加在I/O端的數(shù)據(jù)以互補(bǔ)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。輸入/輸出控制電路6.RAM的操作與定時(shí)（1）RAM讀操作定時(shí)：①欲讀出單元的地址加到存儲器的地址輸入端；②加入有效的片選信號CS；在線上加高電平，經(jīng)過一段延時(shí)后，所選擇單元的內(nèi)容出現(xiàn)在I/O端；④讓片選信號CS無效，I/O端呈高阻態(tài)，本次讀出過程結(jié)束。讀操作時(shí)序圖①將欲寫入單元的地址加到存儲器的地址輸入端；②在片選信號CS端加上有效電平，使RAM選通；③將待寫入的數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)輸入端；④在線上加入低電平，進(jìn)入寫工作狀態(tài)；⑤使片選信號無效，數(shù)據(jù)輸入線回到高阻狀態(tài)。寫操作時(shí)序圖（2）RAM寫操作定時(shí)靜態(tài)SRAM(StaticRAM)雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路列存儲單元公用的門控制管，與讀寫控制電路相接Yi＝1時(shí)導(dǎo)通本單元門控制管:控制觸發(fā)器與位線的接通。Xi=1時(shí)導(dǎo)通來自列地址譯碼器的輸出來自行地址譯碼器的輸出9.3.2RAM中的存儲單元1.六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)SRAM(StaticRAM)T5、T6導(dǎo)通T7

、T8均導(dǎo)通Xi=1Yj=1觸發(fā)器的輸出與數(shù)據(jù)線接通，該單元通過數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)。觸發(fā)器與位線接通1.六管NMOS靜態(tài)存儲單元2*.雙極型晶體管存儲單元雙極型晶體管存儲單元

在維持狀態(tài)，字線電位約為0.3V，低于位線電位（約1.1V），因此存儲單元中導(dǎo)通管的電流由字線流出，而與位線連接的兩個(gè)發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，相當(dāng)于位線與存儲器斷開。處于維持狀態(tài)的存儲單元可以是T1導(dǎo)通、T2截止（稱為0狀態(tài)），也可以是T2導(dǎo)通、T1截止（稱為1狀態(tài)）。

單元被選中時(shí)，字線電位被提高到2.2V左右，位線的電位低于字線，于是導(dǎo)通管的電流轉(zhuǎn)而從位線流出。3.四管動(dòng)態(tài)MOS存儲單元四管動(dòng)態(tài)MOS存儲單元T1和T2交叉連接，信息（電荷）存儲在C1、C2上。C1、C2上的電壓控制T1、T2的導(dǎo)通或截止。當(dāng)C1充有電荷（電壓大于T1的開啟電壓），C2沒有電荷（電壓小于T2的開啟電壓）時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止，我們稱此時(shí)存儲單元為0狀態(tài)；當(dāng)C2充有電荷，C1沒有電荷時(shí)，T2導(dǎo)通、T1截止，我們則稱此時(shí)存儲單元為1狀態(tài)。T3和T4是門控管，控制存儲單元與位線的連接。T5和T6組成對位線的預(yù)充電電路，并且為一列中所有存儲單元所共用。

在T3、T4導(dǎo)通期間，如果位線沒有事先進(jìn)行預(yù)充電，那么位線的高電平只能靠C1通過T4對充電建立，這樣C1上將要損失掉一部分電荷。由于位線上連接的元件較多，甚至比C1還要大，這就有可能在讀一次后便破壞了G1的高電平，使存儲的信息丟失。采用了預(yù)充電電路后，由于位線的電位比G1的電位還要高一些，所以在讀出時(shí)，C1上的電荷不但不會(huì)損失，反而還會(huì)通過T4對C1再充電，使C1上的電荷得到補(bǔ)充，即進(jìn)行一次刷新。9.3.3RAM的擴(kuò)展1、字長（位數(shù)）的擴(kuò)展存儲芯片的字長一般有1位、4位、8位和16位等。當(dāng)存儲系統(tǒng)實(shí)際字長超過存儲芯片字長時(shí)，需要進(jìn)行字長擴(kuò)展。字長擴(kuò)展的方法是將存儲芯片并聯(lián)使用。這些存儲芯片的地址、讀/寫、片選信號線應(yīng)相應(yīng)地連接在一起；而各芯片的輸入/輸出（I/O）線作為字節(jié)的各個(gè)位。例:

用4K×4位的芯片組成4K×16位的存儲系統(tǒng)。解:···CS┇A11A0···WED0D1

D2

D3WECSA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CSA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3WE

2.存儲器字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展RAM字?jǐn)?shù)擴(kuò)展一般結(jié)構(gòu)

例9.3.1

試用8片1K×8位RAM構(gòu)成8K×8位RAM。解：我們可以首先將8片1K×8位RAM的輸入/輸出線，讀/寫線和地址線A0～A9并聯(lián)起來，然后將高位地址碼A10、A11和A12經(jīng)74138譯碼器8個(gè)輸出端分別控制8片1K×8位RAM的片選端，以實(shí)現(xiàn)字?jǐn)U展。1K×8位RAM擴(kuò)展成8K×8位RAM8K×8SRAMMCM6264引腳分布及符號3.