1、第第7 7章章 半导体存储器半导体存储器n半导体存储器概述半导体存储器概述n只读存储器只读存储器n随机存储器随机存储器n存储器容量的扩展存储器容量的扩展nROM的分析与设计的分析与设计n小结小结一一.半导体存储器半导体存储器 概述概述n 存储器存储器n存储器的主要指标存储器的主要指标 n存储器的分类存储器的分类 能够存储大量(二值)信息(或称为数据)的器件存储器的主要指标n存储容量存储容量 指一个存储器所能存放的最大信息量。通常用B（Byte字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）表示。n存取时间存取时间 指完成一次存储器读/取操作所需的时间（又称读写时间）。n可靠性可靠性 指存
2、储器在规定时间内无故障工作的情况。一般采用平均无故障时间间隔（MTBF）衡量。MTBF长，存储器可靠性好。n价格价格 由存储器容量、性能决定。存储器的主要指标存储器的主要指标存储器的分类n按存储介质按存储介质:半导体存储器、磁表面存储器、光盘n按存取方式：按存取方式：*只读存储器（ROM）可随机读出其内容。*随机存储器（RAM）存储单元可被随机读/写。存取 时间与存储单元的物理位置无关。*顺序存储器（SAM）按指定顺序存取。即存取时间 与存储单元的物理位置有关。*直接存储器（DAM）存取数据做定位搜索 （如：由磁道-扇区）n按制造工艺：按制造工艺：双极性、MOS n按所处位置及逻辑功能：按所处
3、位置及逻辑功能：内存、外存 n按信息的保护性：按信息的保护性：掉电后信息保存（非易失性ROM）/消失（易失性RAM）存储器。存储器的分类存储器的分类二.只读存储器n只读存储器只读存储器(Read Only Memory_ROM)特点特点:功能功能:二二.只读存储器只读存储器一般用于存放固定的数据或程序*正常使用时主要对其进行读取操作*掉电后存储的信息(数据)可保留 只读存储器的分类只读存储器的分类只读存储器的结构及工作原理只读存储器的结构及工作原理只读存储器的简化形式及数据表只读存储器的简化形式及数据表只读存储器的其它构成形式只读存储器的其它构成形式只读存储器的存储容量只读存储器的存储容量只读
4、存储器的分类*掩膜式掩膜式ROM _ 数据已确定,无法更改。*快闪存储器快闪存储器 _电可擦除类ROM,具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特点*可编程可编程ROM(PROM)_ 数据可以由用户根据自己的需要写入,但一经写入就不能更改。*紫外线可擦除紫外线可擦除ROM(EPROM)_ 数据可由用户写入,并能擦除重写。*电可擦除电可擦除ROM(E2PROM)_数据可由用户写入,并能擦除重写。2.1 只读存储器的分类只读存储器的分类只读存储器的结构及组成n结构图：结构图：n组成：组成：*存储矩阵*地址译码器*输出缓冲器2.2 只读存储器的结构及组成只读存储器的结构及组成由存储单元按一定规则排列
5、。每一存储单元可存放1位二值代码。存储单元可由二极管、三极管和场效应管构成。将输入的地址代码译成相应的控制信号，可访问存储矩阵的单元提高存储器的负载能力，并实现对输出的三态控制。n只读存储器的工作原理只读存储器的工作原理*ROM 的结构框图及原理的结构框图及原理 二、ROM 结构及原理 地地址址译译码码器器存储矩阵存储矩阵2nm输出缓冲器输出缓冲器2n m ROM 的结构图的结构图 A0A1An-1D0D1Dm-1W0W1W2 -1nn位地址信号m位输出信号字线位线字线数位线数组成：组成：存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器组成存储器结构及工作原理(1)*电路图电路图地址译码器存储矩阵输出缓冲器存
6、储器结构及工作原理(1)*电路图电路图 *分析分析 Wi 称为字线称为字线 (1)地址译码器_由二极管与门构成。(2)对地址线A1 A0 有:013012011010 ;AAWAAWAAWAAW地址译码器存储器结构及工作原理(2)*电路图电路图 *分析分析 当EN=0,Di=di Di 称为位线称为位线(数据线数据线/输出线输出线)(2)存储矩阵_由二极管或门构成 0101100010131101010132020101313AAAAWWdAAAAWWdAAAAAAWWWdAAAAWWd(3)输出缓冲器_对输出三态控制,提高驱动负载能力。输出缓冲器存储矩阵存储器结构及工作原理(3)*分析：分析
7、：(1)地址译码器地址译码器_由二极管与门构成。对n位地址信号，输出2n位字线（Wi）(2)存储矩阵存储矩阵_由二极管或门构成。输出m 位位线（D i）(3)输出缓冲器输出缓冲器_由三态门构成 D i=d i (当三态控制端EN 有效时)*ROM的结构特点的结构特点:与阵列+或阵列 输出为:与或式 固定结构可编程只读存储器的其它构成形式_AnROM 的三极管结构图：的三极管结构图：*只读存储器的其它构成形式只读存储器的其它构成形式_A_An存储单元存储单元 由三极管构成:当Wi选通时,对应输出D为1。(字线和位线交叉处存“1”)只读存储器的其它构成形式_BnROM 的的MOS管结构图：管结构图
8、：n存储单元由存储单元由MOS管构成管构成 (字线和位线交叉处存“0”,经反相器输出为“1”)只读存储器的其它构成形式_PROMnPROM 的结构原理图和的结构原理图和工作原理工作原理:特点特点:在存储矩阵的每个交叉点上全部制作存储元件(存入“1”),存储元件与位线之间加入熔丝,若某存储单元存人“0”,只须将该熔丝通过大电流烧断即可.只读存储器的其它构成形式_PROM原理nPROM 的结构原理图的结构原理图:原理原理:（1）选中要写入0的单元；（2）在数据端（D7）加入编程脉冲，经写入放大器后，在较大的脉冲电流作用下，将熔丝熔断。只读存储器的简化形式及数据表nROM图的简化结构图图的简化结构图
9、:地地 址址数数 据据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110n对应的数据表对应的数据表:0101100010131101010132020101313AAAAWWDAAAAWWDAAAAAAWWWDAAAAWWD存储容量：用“字数字数 位数位数(即字长即字长)”表示存储器中 存储单元的数量。2.存储容量及其表示存储容量及其表示用“M”表示表示“1024 K”，即 1 M=1024 K=210 K=220 例如，一个 32 8 的 ROM，表示它有 32 个字,地址线为5位，字长为 8 位，存储容量是 32 8=256。对于大容量的 ROM常用“K”表示表示“1
10、024”，即 1 K=1024=210 例如，一个 64 K 8 的 ROM，表示它有 64 K 个字，字长为 8 位，存储容量是 64 K 8=512 K。一、ROM 存储容量 例如，一个存储容量为 1024 12的ROM。表示它有1024个字，10位地址线，字长为12位。只读存储器的存储容量n存储容量存储容量:字数字数 位数位数n例例1:如图所示ROM的存储容量为:n例例2:已知某个ROM的存储容量为:16 2 则其地址线为:字线为:数据线为:n例例3:ROM的存储容量为:1024 8 则其地址线为:字线为:数据线为:4 16 210 1024 84 4三.随机存储器n随机存储器随机存储器
11、RAM(Random Access Memory)特点特点:n随机存储器的基本结构随机存储器的基本结构n静态随机存储器静态随机存储器n动态随机存储器动态随机存储器三三.随机存储器随机存储器(1)可从存储单元中读出数据,也可将数据写入指(2)定的单元中(可读/写存储器)(2)掉电后,存储的数据消失(丢失)随机存储器的基本结构nRAM结构图：结构图：nRAM(2114)的结构框图的结构框图*地址译码器地址译码器(与阵列)*存储矩阵存储矩阵(或阵列)*读读/写控制电路写控制电路其中:*读/写控制端（R/W ）:控制数据的读出和写入操作。当R/W =1,为读操作 当R/W =0,为写操作*片选控制信号
12、CS ：当CS=0,RAM正常工作n组成组成:3.1 随机存储器的基本结构随机存储器的基本结构双译码编址方式RAM(2114)的结构框图n特点特点:地址译码器(行地址译码(A3-A8),列地址译码(A0-A2,A9)存储单元 （SR锁存器）读写控制电路及I/O 输出存储单元矩阵读写控制电路行、列地址译码器静态随机存储器（SRAM）n组成：组成：地址译码器、存储矩阵、读/写控制电路 其中：其中：地址译码器可分为：行地址译码器、列地址译码器 nSRAM的静态存储单元的静态存储单元n逻辑符号逻辑符号 n特点：特点：由双极性器件或CMOS器件构成。用触发器作为记忆元件。没有读/写操作时，能保留原有信息
13、。（不需刷新）I/O :输入/输出端(m)An-1A0:地址输入端(n)R/S :读/写控制端 CS :片选端静态随机存储器SRAM的存储单元nSRAM电路结构单元：电路结构单元：n分析分析:*六管增强型NMOS管 存储单元T1,T2,T3,T4(SR锁存器)*字线：Xi_ T5、T6 控制触发器控制触发器Q与位线与位线Bj连接连接 Xi=1 所在行被选中。T5,T6 导通 字线：Yj_ T7,T8 控制Bj(Q)与读/写控制电路连接 Yi=1 所在列被选中。T7,T8 导通 第第i行行,第第j列单元与缓冲器相连列单元与缓冲器相连*CS 片选控制端 当CS=1:A1,A2,A3 均高阻 当CS
14、=0:R/W=1 A1导通,读出数据 R/W=0 A2,A3导通,写入数据.*R/W读写控制端 2.动态随机存储器动态随机存储器（DRAM）n组成组成（与SRAM相同）地址译码器、存储矩阵、读/写控制电路 （1）采用电容作为记忆元件。对C充电存储数据“1”；C放电存储数据“0”（2）由于电荷泄漏，需进行动态刷新，以保存数据n逻辑符号逻辑符号（与SRAM相同）和和结构图结构图n特点：特点：动态随机存储器（DRAM）*动态随机存储器动态随机存储器（DRAM）-单管存储单元单管存储单元单管动态存储单元单管动态存储单元.写操作写操作-字线X给高电平,位线Y上的数据经T被存入CS中.读操作读操作-字线X
15、给高电平,CS经T向位线上的CB提供电荷,使位线获得读出的信号电平.n电路结构单元电路结构单元动态存储单元是利用MOS管栅极电容栅极电容可以存储电荷的原理。其它结构的动态随机存储器其它结构的动态随机存储器 由于栅极电容的容量很小,电荷保存的时间有限.为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失,必须定时给栅极电容补充电荷-称为刷新(或再生)*DRAM-单管存储单元*动态随机存储器（动态随机存储器（DRAM）结构图）结构图n电路结构单元电路结构单元T1、T2为NMOS管.数据以电荷形式存储在其栅极电容C1、C2上。若C1充电，同时C2未被充电，则T1导通，T2截止-称存储0；反之存储1预充电电路*
16、DRAM结构图四四.存储器容量的扩展存储器容量的扩展n存储器容量的扩展存储器容量的扩展:(将若干片ROM/RAM组合,形成容量更大的存储器)扩展方式扩展方式:(1)位扩展;(2)字扩展;(3)位、字同时扩展 n位扩展方式位扩展方式n字扩展方式字扩展方式n位、字扩展方式位、字扩展方式四.存储器容量的扩展4.1 位扩展方式位扩展方式n位扩展位扩展:扩展位线(数据输出线_I/0)n例例1:将10242的RAM扩展成10244的RAM n位扩展方式位扩展方式:地址线并接,读/写线、片选线等并接 数据线独立 4.1 位扩展方式n字扩展字扩展:扩展地址线(A)例例1:将10242的RAM扩展成20482的
17、RAM n字扩展方式字扩展方式:地址线并接,读/写线并接、数据线并接 增加的地址线：片选线扩展例例2:将10242的RAM扩展成20484的RAM4.2 字扩展方式字扩展方式4.1 字扩展方式4.3 位、字扩展方式n位、字扩展位、字扩展:扩展地址线和数据线 例例1:将10242的RAM扩展成20484的RAM 4.3 位、字扩展方式位、字扩展方式五.ROM的分析与应用nROM的应用分析的应用分析n用用ROM设计逻辑函数设计逻辑函数五五.ROM的分析与应用的分析与应用ROM的应用分析n例题例题1:分析如图所示电路的逻辑功能。n例题例题2：分析如图所示电路的逻辑功能。ROM的应用分析的应用分析RO
18、M的分析例题1n例题例题1:分析如图所示电路的逻辑功能。分析如图所示电路的逻辑功能。解：解：)8,6,4,2,0()8,6,4,2,0()8,7,4,3,0()8,7,4,3,0()9,4,3,2,1()9,4,3,2,1()9,8,7,6,5()9,8,7,6,5(0123mWFmWFmWFmWF D C B AF3 F2 F1 F0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 0 1 0 11 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 11 0 1 0 1 0 0 01
19、 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 10 0 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 10 0 0 0 1 1 1 00 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0*由图写表达式：*由表达式列真值表:*逻辑功能：实现8421BCD码到余3码的转换。11111111)7,4,2,1()7,4,2,1()7,6,5,3()7,6,5,3(iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiCBACBACBACBAmWSCBACBACBACBAmWCROM的分析例题2例题例题2：分析如图所示电路的逻辑功能。解:*由图写表达式:*由图列真值表
20、:(见P193表4.3.9)*逻辑功能:一位全加器用ROM的设计逻辑函数n例题例题1:用ROM设计逻辑函数:n例题例题2:用ROM设计一个一位全减器.n例题例题3：用ROM实现多输出函数21ACABYACY ABCDCDBAYDBCAABCDYBCDABCDCDABYCBABCAY4321用用ROM的设计逻辑函数的设计逻辑函数ROM的设计例题1n例题例题1:用ROM设计逻辑函数:解：*将函数整理成最小项表达式：*画ROM的连接图;21ACABYACY7642751)7,6,4()7,5(WWWmABCCABABCABCACABYWWmABCCABACYROM的设计例题2n例题例题2:用ROM设
21、计一个一位全减器.解：*列真值表ABCICOSABCICOS0000010001001111010001011110000111011111IIIIIIIIOABCCABBCACBAmSABCBCABCACBAmC)7,4,2,1()7,3,2,1(（减法 A B CI=COS）*由真值表写表达式 *由表达式画由表达式画ROM的连接图的连接图ROM的设计例题2（续）74217321)7,4,2,1()7,3,2,1(WWWWABCCABBCACBAmSWWWWABCBCABCACBAmCIIIIIIIIOn例题例题2:用ROM设计一个一位全减器.解：*由真值表写表达式 *由表达式画ROM的连接
22、图ROM的设计例题3n例题例题3:用ROM实现多输出函数ABCDCDBAYDBCAABCDYBCDABCDCDABYCBABCAY ;4321)7,6,3,2(1mCDBACDBABCDABCDACBABCAY)15,2()14,4(43mABCDCDBAYmABCDDBCAY)14,10,7,6(2mBCDAABCDBCDACDABBCDABCDCDABY*由表达式画由表达式画ROMROM的连接图的连接图解：*将函数整理成最小项表达式 ROM的设计例题3（续）n例题例题3:用ROM实现多输出函数解解：*写最小项表达式)15,2()15,2()14,4()14,4()14,10,7,6()14
23、,10,7,6()7,6,3,2()7,6,3,2(4321WmABCDCDBAYWmDBCAABCDYWmBCDABCDCDABYWmCBABCAY*由表达式画ROM的连接图 六六.小结小结n理解和掌握半导体存储器概念、分类、构成特点和理解和掌握半导体存储器概念、分类、构成特点和 一般工作原理一般工作原理分类：分类：ROM：固定ROM、PROM、EPROM、E2PROM RAM：SRAM、DRAM结构：结构：ROM：地址译码器+存储矩阵+输出缓冲器 (与阵列)（或阵列）RAM：地址译码器+存储矩阵+读/写控制端 nROM分析和设计逻辑电路分析和设计逻辑电路n存储容量存储容量nRAM的字、位扩展方式的字、位扩展方式
