《数字电子技术 》课件第8章 (7).ppt

1、第8章半导体存储器 第章半导体存储器8.1概述概述8.2随机存取存储器随机存取存储器8.3只读存取存储器只读存取存储器8.4存储容量的扩展存储容量的扩展8.5半导体存储器在组合逻辑电路中的应用半导体存储器在组合逻辑电路中的应用本章小结本章小结第8章半导体存储器 8.1 概概 述述8.1.1 半导体存储器的分类与作用半导体存储器的分类与作用在计算机或消费类数码产品中，有大量的信息或数据需要存储。大容量的存储器一般采用MOS管作为存储单元。根据半导体存储器的特性不同，半导体存储器一般可分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memor

2、y，ROM）两种。RAM可在任何时刻对存储器内任意一个单元直接存取信息，RAM既能读、又能写，断电后信息会丢失，属易失性存储器。第8章半导体存储器 根据所采用的存储器单元结构的不同，RAM又可分为静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）。ROM在正常运行时，只能读、不能写，断电后信息保持，属非易失性存储器。ROM可分为掩膜ROM、一次可编程ROM（PROM）、可改写只读存储器（EPROM、E2PROM、Flash Memory）等。半导体存储器的分类如图8.1.1所示。第8章半导体存储器 图8.1.1 半导体存储器的分类第8章半导体存储器 8.1.2 半导体存储器的主要性能指标半导体存储

3、器的主要性能指标1 存储容量存储容量是存储器的一个重要指标，它是指存储器能基本存储单元的总数，通常用NM（字位）来表示，N表示存储器中地址（存储）单元数，M代表每个地址单元中的存储二进制码的位数。第8章半导体存储器 2 最大存取时间存储器从接收到寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入二进制数码为止所需的时间叫做存取时间。通常手册上给出该参数的上限值，称为最大存取时间。最大存储时间愈短，说明存储器芯片的工作速度愈高。一般情况下，SRAM的工作速度优于DRAM；DRAM的工作速度优于ROM。第8章半导体存储器 课堂活动一、课堂提问和讨论1.什么是随机存取存储器？什么是只读存储器？2.随机存取存储

4、器有什么特点？只读存储器有什么特点？二、学生演讲和演板1.试说出存储器的分类。2.半导体存储器都有哪些主要性能指标？三、课堂练习半导体存储器有哪些种类？简要说明其性能及用途。第8章半导体存储器 8.2 随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器（RAM），又称随机读/写存储器。在RAM工作时可以随时从任意选定的单元读出数据，也可以将数据写入任意选定的存储单元。其优点是读、写方便，使用灵活；缺点是一旦掉电，所存信息立即丢失（即信息的易失性）。RAM是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。RAM中的每个寄存器称为一个字，寄存器中的每一位称为一个存储单元。第8章半导体存储器 寄存器的个

5、数（字数）与寄存器中存储单元个数（位数）的乘积叫做RAM的容量。按照RAM中寄存器位数的不同，RAM有多字1位和多字多位两种结构形式。在多字1位结构中，每个寄存器都只有1位，例如一个容量为10241位的RAM，就是一个有1024个1位寄存器的RAM。多字多位结构中，每个寄存器都有多位，例如一个容量为2564位的RAM，就是一个有256个4位寄存器的RAM。第8章半导体存储器 8.2.1 RAM的电路结构和读的电路结构和读/写原理写原理 RAM电路通常由地址译码器、存储矩阵、输入/输出与读/写控制电路组成，电路结构框图如图8.2.1所示。第8章半导体存储器 图8.2.1 RAM的结构框图第8章半

6、导体存储器 存储体也称存储矩阵，是存储器的主体。存储体中包含很多能够寄存1位二进制信息的基本存储单元电路。为了便于信息的写入和读出，这些基本存储单元电路被排列成一定的阵列。存储矩阵中基本存储电路的地址编码方式有两种：一种是单译码方式，适用于小容量存储器中；另一种是双译码方式，适用于大容量存储器中。第8章半导体存储器 地址译码器的作用是将地址信号翻译成地址译码信号（字信号），以便选中存储矩阵中某一个或某几个基本存储电路（这某一个或某几个基本存储电路是同一存储单元中的1位或几位）。若地址译码器的输入地址线位数为n，则它所能选择的存储单元最大数N2n。对应存储矩阵中的单编址和双编址方式，地址译码器有

7、单向译码和双向译码两种形式，图8.2.1所示为单向译码，图8.2.2所示为双向译码。第8章半导体存储器 图8.2.2 双译码器RAM的结构框图第8章半导体存储器 图8.2.3所示的是一个164位的RAM。当CS0时，RAM芯片被选中，处于工作状态。设A3A2A1A00011，行地址译码线X3有效，列地址译码器Y0有效，即共同选中了单元3，0。若R/W1，执行读操作，将存储单元3，0中的数据送到I/O数据总线上。若R/W0，执行写操作，将I/O数据总线上的数据写入存储单元3，0中。当CS1时，片选无效，不能对RAM进行读/写操作，所有I/O端均为高阻状态。第8章半导体存储器 图8.2.3 164

8、位RAM第8章半导体存储器 8.2.2 SRAM与与DRAM的电路特点与工作特性的电路特点与工作特性1 SRAM静态存储单元是在静态触发器的基础上附加门控管而构成的。它是靠触发器的自保持功能来存储数据的。SRAM的优点是：工作稳定、工作速度快，使用方便，不需要附加再生电路；缺点是：功耗较大，集成度较低，成本较高。SRAM一般用在小容量存储系统中。第8章半导体存储器 2 DRAM动态存储单元是利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理制成的，其结构比较简单。DRAM的优点是：集成度高、成本低、功耗低；缺点是：由于MOS管栅极电容上的电荷会因漏电而释放，即使在电源正常接通情况下，也会发生信息丢失，因此

9、在使用DRAM时必须附加再生电路，不断地刷新电容器上的电荷，给使用带来麻烦。DRAM一般用于大容量存储系统中。第8章半导体存储器 8.2.3 SRAM集成电路集成电路6264简介简介Motorola公司生产的MCM6264 RAM芯片引脚排列如图8.2.4所示。6264是28引脚双排直插芯片，是一种采用CMOS工艺制成的8K8位的静态随机存取存储器。典型存取时间为100 ns，电源电压为5 V，工作电流为40 mA，维持电压及维持电流分别为2 V和2 A。第8章半导体存储器 图8.2.4 MCM6264 RAM芯片引脚图第8章半导体存储器 MCM6264共有13根地址线，即A0A12；8根数据

10、线I/O0I/O7；4根控制线，分别是CE1、CE2、WE和OE，CE1、CE2是片选端，当CE1和CE2都有效时选中该芯片，使它处于工作状态；WE是写控制端，OE是输出（读）允许控制端，写操作优先于读操作。NC为无效引脚。MCM6264工作方式的选择见表8.2.1。第8章半导体存储器 第8章半导体存储器 课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.随机存储器的电路结构是怎样的？随机存储器地址有哪几种译码方式？2.SRAM、DRAM有什么特点？它们的工作特性是怎样的？第8章半导体存储器 二、学生演讲和演板1.请说明随机存储器的读/写原理。2.为什么格雷码能在信号传输和转换过程中减少失误，提高可靠性？

11、三、课堂练习1.SRAM集成电路6264各引脚具有什么功能？2.举例说明随机存储器的应用领域。第8章半导体存储器 8.3 只读存取存储器只读存取存储器只读存取存储器（ROM）的基本特点是其所存信息是固定的，是非易失性存储器，在正常工作期间只能读出不能写入，在断电之后所存信息也不会改变和消失。ROM的基本组成与RAM的基本一致，是由地址译码器、存储矩阵、输出缓冲器及控制逻辑组成的，如图8.3.1所示。存储矩阵实质上是一个单向导通开关阵列（即基本存储电路是由单向选择开关组成的）。第8章半导体存储器 所谓单向导通的选择开关，是指连于字线（或行线）和位线之间的耦合元件，可采用二极管作单向选择开关，也可

12、采用双极型三极管或MOS三极管等开关器件作为单向选择开关。地址译码器的作用是将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。输出缓冲器的作用有两个：一是能提高存储器的带负载能力；二是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。第8章半导体存储器 图8.3.1 ROM的结构框图第8章半导体存储器 1.掩膜ROM掩膜ROM所存储的数据是按照用户的要求而专门设计的，由用户向生产厂家定做，在出厂时内部存储的数据就已经被“固化”在里边了，只能读出，不能写入。它是利用最后一道工艺来控制其特定存储电路的晶体管能否工作（即单向选择开关是否接通

13、），以便达到预先写入信息的目的，一旦制造完毕，用户便再不能更改所存信息了。第8章半导体存储器 图8.3.2所示为用二极管作为单向选择开关的掩膜ROM示意图，当A2A1A0011时，字线W3输出有效电平（高电平），当位线与该字线连有二极管时，输出为高电平；未连有二极管时，输出低电平；分析可知该地址单元的存储信息为00101010。掩膜ROM适合于大批量产品使用。第8章半导体存储器 图8.3.2 掩膜ROM示意图第8章半导体存储器 2.一次可编程ROM（PROM)PROM在出厂时并未存储任何信息，即所有存储单元的信息都为“1”。使用前用户可根据需要将信息注入各耦合单元内，一旦注入后便无法再改变了。

14、图8.3.3是PROM的一种存储单元，它由双极型三极管和熔丝组成。存储矩阵内所有单元都按此单元制作。这种PROM在出厂时，所有单元的熔丝都是连通的，即存储内容全为“1”。用户使用前可根据存储内容进行一次编程处理。熔丝保留，信息为“1”；熔丝烧断，信息为“0”.PROM适合于小批量产品使用。第8章半导体存储器 图8.3.3 熔丝型PROM的存储单元第8章半导体存储器 3.紫外线擦除可改写ROM（EPROM）EPROM是指用户在写入信息后，可以用紫外线照射将信息全部擦除，擦除后可重新写入信息，而且可多次更改。它的存储矩阵单元是使用浮置栅雪崩注入MOS管（简称FAMOS管）或叠栅注入MOS管（简称S

15、IMOS管）。第8章半导体存储器 EPROM信息的写入是用电信号编程实现的。而擦除时，则要把芯片从系统上拆下来，放进EPROM擦除器中去擦除。EPROM外壳上方的中央有一个圆形的玻璃“窗口”，紫外光就从这个窗口照射进器件的内部以实现擦除的功能。另外，由于阳光中有紫外线（光）的成分，在使用时要用不透光的标签纸贴在EPROM的窗口上，以免其中的内容在阳光照射下逐渐自动擦除，发生信息丢失现象。EPROM适用于产品的研制、开发过程中使用。第8章半导体存储器 4.电擦除可改写ROM（E2PROM）E2PROM是一种可在线电擦除和编程的只读存储器，其存储单元采用了浮栅隧道氧化层MOS管。它既有RAM在线可

16、读可改写的特点，又具有非易失性存储器ROM在掉电后仍然能保持所存数据的优点。写入的数据在常温下至少可以保存10年，擦除/写入次数为1万次10万次，而且既可整片擦除，也可按字节擦除。相比EPROM，其擦除、写入速度更快，操作更加简单方便。第8章半导体存储器 5.快闪存储器（Flash Memory）快闪存储器采用了与EPROM中的叠栅MOS管相似的结构，既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除的快捷特性，但不具备E2PROM按字节擦除的功能。第8章半导体存储器 由于快闪存储器不需要存储电容，故其集成度更高，制造成本低于DRAM，使用方便，既具有SRAM读/写

17、的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在掉电后可不丢失信息的特点。随着快闪存储器技术的不断发展，其高集成度、大容量、低成本及使用方便等特点已受到人们的普遍重视。快闪存储器已越来越多地取代EPROM，可以说，快闪存储器的应用前景非常看好。第8章半导体存储器 表8.3.1中列出了常见存储器的型号与规格。第8章半导体存储器 课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.只读存储器的结构是怎样的？它包括哪些方面？2.掩膜ROM和一次可编程ROM分别适用于什么地方？第8章半导体存储器 二、学生演讲和演板1.PROM、EPROM、和E2PROM各有什么特点？2.快闪存储器有什么特点？三、课堂练习1.试简单地说明掩

18、膜ROM的原理。2.试说明ROM中地址译码器和输出缓冲器的作用。第8章半导体存储器 8.4 存储容量的扩展存储容量的扩展当一片ROM或RAM器件不能满足电路系统对存储容量的要求时，就需要将若干片ROM或RAM组合起来，形成一个容量更大的存储器。1.存储器位数的扩展当ROM或RAM芯片的字数已经够用而每个字的位数不够用时，可采用位扩展的连接方式，将多片ROM或RAM组合成位数更多的存储器。第8章半导体存储器 若用10241位的RAM构成10248位的存储系统，就需采用8片10241位RAM芯片来构成，如图8.4.1所示。其连接方法是：将所有参与扩展芯片的地址线、控制线（如R/W、CS）分别对应地

19、并联起来，每一片的I/O端独立，分别作为整个存储器数据线中的一位。第8章半导体存储器 图8.4.1 RAM的位扩展接法第8章半导体存储器 2.存储器字数（存储单元）的扩展如果每一片存储器的数据位数够用而字数不够用时，可采用字扩展方式，将多片存储器组合成一个字数更多的存储器。若用2568位的RAM接成一个10248位的存储系统，就需采用4片2568位RAM芯片来扩展。因为4片中共有1024个字，所以必须给它们编成1024个不同的地址。第8章半导体存储器 实现方法是：将4片RAM芯片中除片选端以外的所有引脚都对应地并在一起，增加2位高位地址（A8、A9），并经24译码器译码得到4根译码输出，然后依

20、次用译码输出去连接RAM芯片的片选端，一根译码输出线控制一块RAM芯片，如图8.4.2所示。当A9A800时，Y0有效，选中RAM（1）；当A9A801时，Y1有效，选中RAM（2）；当A9A810时，Y2有效，选中RAM（3）；当A9A811时，Y3有效，选中RAM（4）。各RAM芯片的地址分配见表8.4.1。第8章半导体存储器 图8.4.2 RAM的字扩展接法第8章半导体存储器 第8章半导体存储器 3.存储器的字位扩展如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够用，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片器件组成一个存储系统，以满足电路系统对存储容量的要求。一般方法是：先位扩展，后字扩展。第8

21、章半导体存储器 课堂活动一、课堂提问和讨论1.某计算机的内存储器设置了32位的地址线，16位并行数据输入/输出端，试计算它的最大存储量。2.试用两片10248位的ROM组成102416位的存储器。第8章半导体存储器 二、学生演讲和演板1.某SRAM芯片的容量为10248，除电源和地外，该芯片引脚的最小数目是多少？2.若存储器芯片的容量为128 K8，问该芯片有多少位地址？第8章半导体存储器 三、课堂练习1.一个存储器容量为64 K8，假设该存储器首位地址是A0000H，问末位地址是多少？2.某计算机分别配置4片8位ROM和4片8位RAM，每片均有16 K地址，问应如何与地址总线相连？需要什么附

22、加电路？第8章半导体存储器 8.5 半导体存储器在组合逻辑半导体存储器在组合逻辑电路中的应用电路中的应用 若把ROM的n位地址端作为逻辑函数的输入变量，则ROM的n位地址译器的输出是由输入变量组成的2n个最小项，而存储矩阵是把有关的最小项相或后输出，获得输出函数。若存储数据为“1”，则包含；若存储数据为“0”，则不包含。第8章半导体存储器 例8.5.1 试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数:（8.5.1）第8章半导体存储器 解 将式（8.5.1）化为如下最小项标准式：(8.5.2)由上可知，该系统有4个输入变量和4个输出函数，因此可选择4位地址输入、4位数据输出的164位ROM。第8章半导体

23、存储器 将A、B、C、D 4个输入变量分别接至地址输入端A3、A2、A1、A0，按照逻辑函数的要求存入相应的数据，即可在D3、D2、D1、D0数据输出端得到Y4、Y3、Y2、Y1。按照式(8.5.2)列出ROM存储矩阵内应存入的数据表，如表8.5.1所示。无论是使用掩膜ROM、PROM、EPROM，还是其他ROM器件，只需将表8.5.1中ROM数据利用相应编程工艺写入ROM芯片中，即可实现所需的逻辑函数。第8章半导体存储器 若选用ROM器件的容量大于所需输入地址变量和数据输出数时，可将高位地址接低电平和把高位输出值看成0，同样根据表8.5.1中ROM数据写入芯片即可。如采用2568位ROM芯片

24、，则在00H单元中存入00H，01H单元中存入00H，02H单元中存入09H0EH中存入06H，0FH中存入08H。10HFFH单元中可任意存入数据。第8章半导体存储器 第8章半导体存储器 例8.5.2 试用2716EPROM设计一个驱动共阴极八段字符显示器的显示译码器。解 根据题目要求可知，该显示译码器是一个输入变量为4，输出变量为8的组合逻辑电路。2716EPROM是2K8位的EPROM芯片，共有11根地址线（即A10A0）、8根数据线（即D7D0）。第8章半导体存储器 图8.5.1 例8.5.2图第8章半导体存储器 显示译码器的BCD码输入D、C、B、A分别接2716EPROM的A3、A

25、2、A1、A0，译码输出a、b、c、d、e、f、g、h分别接2716EPROM的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，2716EPROM的多余高位地址线A10A4都接低电平，即在前16个地址上储存显示译码数据，而其他地址单元的数据可任意。用2716EPROM构成八段显示译码器电路如图8.5.1所示，2716EPROM存储数据表见表8.5.2。第8章半导体存储器 第8章半导体存储器 课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.用ROM电路的阵列逻辑图实现余3码转换成2421BCD码的码制转换电路。2.用ROM电路的阵列逻辑图实现全加法器。二、学生演讲和演板1.用ROM设计一个组合逻辑电路，用

26、来产生逻辑函数Y=ABCD+ABCD。2.画出逻辑函数Y=BD+ABD矩阵的点阵图。第8章半导体存储器 三、课堂练习1.已知y=6x2+3，其中x为小于4的正整数。试画出该函数的ROM阵列图。2.用可编程逻辑阵列实现如图8.5.2所示的1位二进制全加器。图8.5.2第8章半导体存储器 本本 章章 小小 结结1.半导体存储器是一种能存储大量数据或信号的半导体器件。存储器的应用领域极为广阔，凡是需要记录数据或各种信号的场合都离不开它。尤其在电子计算机中，存储器是必不可少的一个重要组成部分。2.可以用存储器来设计组合逻辑电路。只要将地址输入作为逻辑变量，将数据输出端作为函数输出端，并根据要产生的逻辑

27、函数写入相应的数据，就能得到所需要的组合逻辑电路了。第8章半导体存储器 3.在半导体存储器中采用了按地址存放数据的方法，只有那些被输入地址代码指定的存储器单元才能与输入/输出端接通，可以对这些被指定的单元进行读/写操作。而输入/输出端是公用的。为此，存储器的电路结构中必须包含地址译码器、存储矩阵和输入/输出电路（或读/写控制电路）这三个组成部分。第8章半导体存储器 4.半导体存储器有许多不同的类型。首先从读/写功能上分成只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。其次，根据存储单元电路结构和工作原理的不同，又将ROM分为掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM、快闪存储器(Fl

28、ash Memory)等几种类型；将RAM分为静态RAM和动态RAM两大类。掌握各种类型半导体存储器在功能特性上的不同特点，将为我们合理选用器件提供理论依据。第8章半导体存储器 5.在一片存储器芯片的存储量不够用时，可以将多片存储器芯片组合起来，构成一个更大容量的存储器。当每片存储器的字数够用而每个字的位数不够用时，应采用位扩展的联接方式；当每片的字数不够用而每个字的位数够用时，应采用字扩展的联接方式；当每片的字数和位数都不够用时，则需同时采用位扩展和字扩展的联接方式。第8章半导体存储器 6.用可编程逻辑阵列实现逻辑函数的基本原理是基于函数的最简与或表达式。用PLA实现逻辑函数时，首先需将函数化为最简与或式，然后画出可编程逻辑阵列的阵列图。