第8章半导体存储器和可编程逻辑器件

1、第8章 半导体存储器,8.1 概述 8.2 只读存储器(rom) 8.3 随机存取存储器(ram),8.1 概述,半导体存储器可分为只读存储器和随机存取存储器。 只读存储器英文缩写为rom (read only memory) 。这种存储器的存储内容是固定不变的（在出厂前事先烧录好）。工作时它的存储内容只能读出，不能写入，并且所存储的内容在断电后仍能保持，即不怕掉电，因此常用于存放固定程序和数据。 随机存取存储器的英文缩写为ram (random access memory) 。这种存储器与rom不同的是，在工作过程中信息可随时写入，也可以随时读出，并且读信息是非破坏性的，即读出信息后，存储器

2、的内容不改变，可反复读出。,8.2 只读存储器(rom),按存储器功能的不同，rom分为掩膜rom（简称mask rom或rom）、可编程rom（简称prom）、光可擦除可编程rom（简称eprom）、电可擦除可编程rom（简称eeprom）和快闪存储器五种。 8.2.1 掩膜只读存储器rom 掩膜rom又称内容固定的rom，其存储的内容是固定不变的，厂方根据用户提供的程序设计光刻掩膜板，在制作芯片时一次成型，使用时无法再更改。 rom的电路结构主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。其结构框图如图8.2.1所示。,地址译码器：地址译码器负责把输入的n位二进制地址代码翻译成2个相应的

3、控制信号，从而选中存储矩阵中相应的存储单元，以便将该单元的m位数据传送给输出缓冲器。 存储矩阵：存储矩阵由2n个存储单元组成。每一个存储单元都有一个确定地址。每个存储单元由若干基本存储电路组成（一般为2的整数倍）。基本存储电路可以由二极管、三极管或mos管构成。每个存储电路只能存储一位二进制代码“0”或“1”。 输出缓冲器：输出缓冲器由三态门组成，其作用一是可以提高存储器的带负载能力，二是可以实现对输出状态的三态控制，以便与系统的数据总线连接。,图8.2.2（a）是一个存储容量为44位（4个存储单元，每个存储单元4位）的只读存储器结构图。地址译码器由2线-4线译码器构成，存储矩阵都采用了二极管

4、结构。a1a0为输入的地址码，可产生w0w3 4组不同的地址，从而选中所对应的存储单元。w0w3称为字线。存储矩阵由二极管或门组成，其输出数据为d3d0。当字线w0w3 其中之一被选中时，在位线b3b0上便输出一组4位二进制代码d3d0。 输出缓冲器为三态输出电路。当en= 0时，允许数据从b3、b2、b1、b0各条位线上输出；当 en= 1时，输出端为高阻状态。 分析图8.2.2不难看出，当地址码a1a0=00时，地址译码器中与w0相连的二极管同时截至，字线w0被选中，w0变为高电位，其余字线均为低电位（称w0被选中）。w0与位线b2、b1相连的二极管导通，位线b2、b1也变为高电位，此时，

5、位线上输出数据d3d2d1d0=0110；同理，当a1a0=01、10、11时，输出数据分别为1101、0001、1110。,8.2.2 可编程只读存储器prom,prom （programmable read-only memory）是一种一次性可编程只读存储器，可由用户自己将编写的程序写入存储器，即一次性写入信息。信息写入后只能读出，不能修改。 prom常采用二极管或三极管做基本存储电路，图8.2.4是一种由三极管组成的基本存储电路。三极管的集电极接电源vcc，基极接字线，发射极通过一个熔丝接位线。 prom在出厂时，三极管阵列的熔丝均为完好状态，相当于所有基本存储电路的存储数据为“1”。

6、因此，写入数据的过程实际上就是将相应的基本存储电路由“1”变“0”的过程。当用户写入数据时，通过编程地址选中相应的字线，使之变为高电平。若在某位写“0”，写入逻辑使相应的位线呈低电平，三极管导通，较大的电流将熔丝烧断，即存入“0”。显然，熔丝一旦烧断，就无法复原，因此这种prom只能一次性被编程。 在读操作时，选中的字线变为高电平。若熔丝完好，则在位线输出数据“1”；若熔丝已烧断，则在位线输出“0”。 prom的优点是可实现由用户一次性编程，缺点是程序写入后不能修改，一旦写错，整个芯片报废。,8.2.3 光可擦除、可编程只读存储器eprom,eprom是一种光可擦除、可编程只读存储器，可进行多

7、次改写。使用时可通过紫外线照射将eprom存储的内容擦除，然后用编程器写入新的信息。在奔腾代以前的计算机中用来存储bios程序的rom就是采用这种芯片。 图8.2.5为eprom的基本存储电路。图中v1相当于负载电阻，v3是浮栅雪崩注入式mos管（famos管）。这种famos管的栅极被二氧化硅绝缘层包围，对外无引出线而处于悬浮状态，故称为“浮栅”。芯片出厂时（未编程状态），所有浮栅管都处于截止状态。由于位线可通过v1接电源，位线处于高电平，故各个存储电路相当于存“1”。因此写数据的过程，实际上就是将相应的基本存储电路由“1”变“0”的过程。 写“0”时，可将famos管v3的漏极d接上高于正

8、常工作电压（+5v）的+25v电压，则漏、源极间的导电沟道会造成雪崩击穿，使浮栅极积累电荷，famos管导通。由于浮栅极电荷无放电回路，因而famos管总处于导通状态。当字线被选中时，字线变为高电平，使v2导通，由于v3也导通，故位线变为低电平，即该存储电路存“0”。,擦除数据时，可用专用的紫外线灯照射eprom的石英窗口，约20分钟即可将famos管浮栅中的电荷消除，恢复到产品出厂时的全“1”状态，此后可再次写入信息。写好的芯片在正常使用时，要用黑胶带将石英窗口贴上，以防紫外线照射误擦信息。这种eprom内的数据可保持10年以上。 eprom的种类较多，如atmel公司的at27bv010，

9、存储容量1mb；at27bv020，存储容量2mb；at27bv4096，存储容量4mb。 eprom的优点是可多次擦除、重新编程使用，缺点是只能整片擦除，不能按单元擦除，且擦除时需将芯片从线路板上取下，擦除后，再用专用编程器写入数据。,8.2.4 电可擦除、可编程只读存储器eeprom,eprom虽然可多次擦除、重新编程使用，但芯片写入时，即使只写错一位，也必须将整个芯片擦掉重写。且擦除时需要专用紫外线灯照射，这在实际使用中是非常不方便的。而在实际使用中，往往只需要改写几个字节的内容即可。因此，多数情况下需要以字节为单位擦写。 eeprom（electrically erasable pro

10、grammable read-only memory）是近年来被广泛采用的一种可用电擦除、可编程的只读存储器。其主要特点是能进行在线读写、擦除、更改，不需要专用擦除设备，且擦除、读写速度比prom快得多。它既能象ram那样随机地进行读写，又能象rom那样在断电的情况下保存数据，且容量大、体积小，使用简单可靠。 eeprom的擦除只需要厂商提供的专用刷新程序，就可轻而易举地改写内容，不必将资料全部删除才能写入，而且是以byte为最小修改单位。eeprom在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，它属于双电压芯片。 借助eeprom芯片的双电压特性，可广泛应用于计算机主板的bios rom芯片，可使b

11、ios具有良好的防毒能力。在升级时，把跳线开关拨至“on”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，；平时使用时，则把跳线开关拨至“off”的位置，可防止cih类的病毒对bios芯片的非法修改。至今仍有不少主板采用eeprom作为bios芯片。 eeprom除广泛应用于计算机主板外，还广泛应用于手机、单片机、家用电器、汽车电子等众多领域。如现在的电视机遥控系统中用来存放频道信息的存储器at24c04就是采用eeprom，其存储容量达4kb。 eeprom的种类较多，如atmel公司的at24c04，存储容量4kb；at24c08，存储容量8kb；at24c1024，存储容量1024kb。,8.2.5

12、 闪速只读存储器flash rom,flash rom是在eprom和eeprom技术基础上发展的一种新型半导体存储器。既有eprom价格便宜、集成度高的优点，又有eeprom的电可擦除、可重写性和非易失性。其擦除、重写速度快。传统的eeprom芯片只能按字节擦除，而flash rom每次可擦除一块或整个芯片。块的大小视生产厂商的不同而有所不同。flash rom的读和写操作都是在单电压下进行，属于真正的单电压芯片。 flash rom的工作速度大大快于传统eprom芯片。一片1mb的闪速存储芯片，其擦除、重写时间小于5秒，比一般的eprom要快得多。flash rom的存储容量普遍大于epr

13、om ，现在已做到1gb。寿命长，成品flash rom芯片可反复擦除百万次以上。数据保存时间至少20年。读取速度快，读取时间小于90ns。现在我们常用的优盘、mp3以及计算机内部的bios芯片、显示器的缓存都采用flash rom芯片。 flash rom的种类较多，如atmel公司的at29bv010a，存储容量1mb；at29bv020，存储容量2mb；at29bv040a，存储容量4mb。,8.2.6 rom应用举例,rom广泛应用于计算机、电子仪器、电子测量设备和数控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用rom在数字逻辑电路中的应用。 分析rom的工作原理可知，rom中的

14、地址译码器可产生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即字线w与地址变量a0a1存在与逻辑关系，而rom中的存储矩阵可实现有关最小项的或运算，即输出数据d与地址变量的有关最小项存在或逻辑关系。由于任何组合逻辑函数都可变换为标准与或表达式。因此，从理论上说，利用rom可以实现任何组合逻辑函数。 【例8.2.1】用rom实现下列函数。 y1=ab+bc ， y2= ab+bc 解：（1）将函数转化为标准与或式。 y1=m(3,6,7) ， y2=m(1,4,5) （2）画出用rom实现的逻辑阵列图8.2.6。,8.3 随机存取存储器(ram) ram是一种可以随时写入和读出信息的半导体存

15、储器，广泛应用于计算机的内存。按照制造工艺ram可分为双极型ram和场效应管ram。双极型ram的存取速度快，可达10ns,但功耗大，集成度低；mos型 ram功耗小，集成度高，但较双极型ram速度慢。mos型ram又分静态ram（sram）和动态ram（dram）。 ram存储的数据具有易失性，即当电源断电时存储的数据会丢失。 8.3.1 ram的结构和工作原理 ram电路通常是由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（又称输入/输出电路）三部分组成，如图8.3.1所示。 存储矩阵由许多基本存储电路组合成n行、m列矩阵，共有nm个基本存储电路，每个基本存储电路可以存储一位二进制代码（0或1）。

16、 地址译码器分为行地址译码器和列地址译码器。行地址译码器将行地址译码，使行地址线w（字线）其中一条被选中，变为有效电平，从而将该字线对应的存储单元选中；列地址译码器将列地址译码，使列地址线b（位线）其中一列（或几列）被选中，变为有效电平，这样，字线与位线交叉处的基本存储电路便被选中（可以是一位或几位）。 在读/写控制电路的控制下，被选中的基本存储电路中的数据通过数据线输出或输入。在片选端cs=0的情况下，当读/写控制端r/w=1时，实现读操作；当r/w=0时，实现写操作。,8.3.2 静态ram（sram）,1、静态ram基本存储电路 静态ram存放的信息在不停电的情况下能长时间保留，工作状态

17、稳定，速度快，常用于计算机的高速缓存。图8.3.2是静态ram的一个基本存储电路。显然，该电路是一个由6个mos管组成的双稳态触发器电路。 图8.3.2中，v1、v2组成双稳态电路，当q为高电位“1”时，为低电位“0”。v3和v4分别是v1、v2的负载管，可视为v1、v2的负载电阻。当字线w和位线b同时加高电平时，mos管v5、v6、v7、v8导通，存储电路被选中，可进行读、写操作。当字线w为低电平时， v5、v6截止，存储电路与位线断开，不能进行读写操作，存储内容保持不变。,写入数据时，行、列地址码分别将字线w和位线b选中，使之变为高电平，则v5 、v6、 v7、 v8均可处于导通状态。当写

18、入数据“1”时，数据“1”由i/o端输入，通过v7、v5加到q端，v2饱和导通，其漏极（端）变为低电平，从而导致v1截至，q端变为高电平，实现存储数据“1”。同理，写入数据“0”时，数据“0”由i/o端输入，使v2截至，v1饱和，q端变为低电平，实现存储数据“0”。 读数据时，行、列地址码分别将字线w和位线b选中，使之变为高电平，则v5 v6、 v7、 v8均可处于导通状态。q端的数据通过v5、v7由i/o数据线输出。 2、静态存储器intel6116 常用的典型sram芯片有intel公司的6116（2k8）、6264（8k8）、62256(32k8)等。intel 6116的引脚及原理框图如图8.3.3所示。6116的存储容量为2k8位（2k个字，每个字8位），即有2048个存储单元，每个存储单元由8个基本存储电路组成，总存储容量为20488位（或2kb）。共需11根地址线a0a10，7根用于行地址译码输入，4根用于列地址译码输入，每条列线控