数字电子技术第9章 半导体存储器

1、第 9 章半导体存储器 数字电子技术数字电子技术 范立南范立南 田丹田丹 李雪飞李雪飞 张明张明 编著编著 清华大学出版社清华大学出版社 EXIT 本章知识结构图本章知识结构图 EXIT 第9章 半导体存储器 9.1 只读存储器只读存储器 9.2 随机存取存储器随机存取存储器 9.3 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 9.4 实例电路分析：存储系统的设计实例电路分析：存储系统的设计 EXIT 例如计算机中的自检程序、初例如计算机中的自检程序、初 始化程序便是固化在始化程序便是固化在 ROM 中的。中的。 计算机接通电源后，首先运行它，计算机接通电源后，首先运行它， 对计算机硬件系统进行自检和初

2、始对计算机硬件系统进行自检和初始 化，自检通过后，装入操作系统，化，自检通过后，装入操作系统， 计算机才能正常工作。计算机才能正常工作。 9.1.1 ROM9.1.1 ROM的定义与基本结构的定义与基本结构 只读存储器只读存储器( (ROM， 即即Read- -Only Memory) ) ROM 在工作时在工作时只能读出只能读出 信息而不能写入信息。信息而不能写入信息。它用于它用于 存放固定不变的信息，存放固定不变的信息，断电后断电后 其数据不会丢失其数据不会丢失。常用于存放。常用于存放 程序、常数、表格等。程序、常数、表格等。 9.1只读存储器只读存储器 EXIT 按按 数数 据据 写写

3、入入 方方 式式 不不 同同 分分 掩模掩模 ROM 可编程可编程 ROM( (Programmable ROM，简称，简称 PROM) ) 可擦除可擦除 PROM( (Erasable PROM，简称，简称 EPROM) ) 电可擦除电可擦除 EPROM( (Electrically EPROM，简称，简称 E2PROM) ) ROM 的类型及其特点的类型及其特点 写入的数据可电擦除，用户可以写入的数据可电擦除，用户可以 多次改写存储的数据。使用方便。多次改写存储的数据。使用方便。 其存储数据在制造时确定，用其存储数据在制造时确定，用 户不能改变。用于批量大的产品。户不能改变。用于批量大的产

4、品。 其存储数据其存储数据 由用户写入。但由用户写入。但 只能写一次。只能写一次。 写入的数据可用紫外线擦除，写入的数据可用紫外线擦除， 用户可以多次改写存储的数据。用户可以多次改写存储的数据。 EXIT 9.1.2 掩膜掩膜ROM 掩膜掩膜ROM制成后，用户不能修改，图制成后，用户不能修改，图9.1为一个 为一个 简单的简单的44位位MOS管管ROM，采用单译码结构。两位，采用单译码结构。两位 地址线地址线A1、A0译码后可译出四种状态，输出译码后可译出四种状态，输出4条选择条选择 线，分别选中线，分别选中4个单元，每个单元有个单元，每个单元有4位输出。位输出。 图图9.1 掩膜掩膜ROM电

5、路原理图 电路原理图 单元3 单元2 单元1 单元0 V CC 地 址 译 码 器 A 1 A 0 D 3 D 2 D 1 D 0 在图中所示的矩阵中，行和列的交点，有的连有在图中所示的矩阵中，行和列的交点，有的连有 管子，有的没有，这是工厂根据用户提供的程序对芯管子，有的没有，这是工厂根据用户提供的程序对芯 片图形片图形(掩膜掩膜)进行二次光刻所决定的，所以称为掩膜进行二次光刻所决定的，所以称为掩膜 ROM。若地址线。若地址线A1A0=00，则选中，则选中0号单元，即字线号单元，即字线0 为高电平，若有管子与其相连为高电平，若有管子与其相连(如位线如位线2和和0)，其相应，其相应 的的MOS

6、管导通，位线输出为管导通，位线输出为0，而位线，而位线1和和3没有管子没有管子 与字线相连，则输出为与字线相连，则输出为1。故存储器的内容取决于制造。故存储器的内容取决于制造 工艺，。工艺，。 9.1.3 可编程可编程ROM 在某些应用中，程序需要经常修改，因此能够重复擦在某些应用中，程序需要经常修改，因此能够重复擦 写的写的EPROM被广泛应用。这种存储器利用编程器写被广泛应用。这种存储器利用编程器写 入后，信息可长久保持，因此可作为只读存储器。当入后，信息可长久保持，因此可作为只读存储器。当 其内容需要变更时，可利用擦除器其内容需要变更时，可利用擦除器(由紫外线灯照射由紫外线灯照射) 将其

7、擦除，各单位内容复原为将其擦除，各单位内容复原为FFH，再根据需要利用，再根据需要利用 EPROM编程器编程，因此这种芯片可反复使用。编程器编程，因此这种芯片可反复使用。 1. EPROM (1)存储单元电路和工作原理存储单元电路和工作原理 通常通常EPROM存储电路是利用浮栅存储电路是利用浮栅MOS管构成的， 管构成的， 又称又称FAMOS管管(Floating gate Avalanche Injection Metal-Oxide-Semiconductor，即浮栅雪崩注入，即浮栅雪崩注入MOS 管管)，其构造如图，其构造如图9.2(a)所示。所示。 图图9.2 浮栅浮栅MOS EPRO

8、M存储电路存储电路 S SiO 2 浮栅 PP N衬底 (a) 行线 位 线 输 出 位线 D S 浮栅管 (b) V CC 该电路和普通该电路和普通P沟道增强型沟道增强型MOS管相似，只是浮管相似，只是浮 栅管的栅极没有引出端，而被栅管的栅极没有引出端，而被SiO2绝缘层所包围，称绝缘层所包围，称 为为“浮栅浮栅”。在原始状态，该管栅极上没有电荷，没。在原始状态，该管栅极上没有电荷，没 有导通沟道，有导通沟道，D和和S是不导通的。如果将源极和衬底接是不导通的。如果将源极和衬底接 地，在衬底和漏极形成的地，在衬底和漏极形成的PN结上加一个约结上加一个约24 V的反向的反向 电压，可导致雪崩击穿

9、，产生许多高能量的电子，这电压，可导致雪崩击穿，产生许多高能量的电子，这 些电子比较容易越过绝缘薄层进入浮栅。注入浮栅的些电子比较容易越过绝缘薄层进入浮栅。注入浮栅的 电子数量由所加电压脉冲的幅度和宽度来控制，如果电子数量由所加电压脉冲的幅度和宽度来控制，如果 注入的电子足够多，这些负电子在硅表面上感应出一注入的电子足够多，这些负电子在硅表面上感应出一 个连接源个连接源漏极的反型层，使源漏极的反型层，使源漏极呈低阻态。当漏极呈低阻态。当 外加电压取消后，积累在浮栅上的电子没有放电回路，外加电压取消后，积累在浮栅上的电子没有放电回路， 因而在室温和无光照的条件下可长期地保存在浮栅中。因而在室温和

10、无光照的条件下可长期地保存在浮栅中。 将一个浮栅管和将一个浮栅管和MOS管串起来组成如图管串起来组成如图9.2(b)所所 示的存储单元电路。于是浮栅中注入了电子的示的存储单元电路。于是浮栅中注入了电子的MOS 管源管源漏极导通，当行选线选中该存储单元时，相应漏极导通，当行选线选中该存储单元时，相应 的位线为低电平，即读取值为的位线为低电平，即读取值为“0”，而未注入电子的，而未注入电子的 浮栅管的源浮栅管的源漏极是不导通的，故读取值为漏极是不导通的，故读取值为“1”。在。在 原始状态原始状态(即厂家出厂即厂家出厂)，没有经过编程，浮栅中没注，没有经过编程，浮栅中没注 入电子，位线上总是入电子，

11、位线上总是“l”。 （2）编程和擦除过程编程和擦除过程 消除浮栅电荷的办法是利用紫外线光照射，由于紫外消除浮栅电荷的办法是利用紫外线光照射，由于紫外 线光子能量较高，从而可使浮栅中的电子获得能量，线光子能量较高，从而可使浮栅中的电子获得能量， 形成光电流从浮栅流入基片，使浮栅恢复初态。形成光电流从浮栅流入基片，使浮栅恢复初态。 EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，只要将此芯芯片上方有一个石英玻璃窗口，只要将此芯 片放入一个靠近紫外线灯管的小盒中，一般照射片放入一个靠近紫外线灯管的小盒中，一般照射10分分 钟左右，读出各单元的内容均为钟左右，读出各单元的内容均为FFH，则说明该，则说明该 EP

12、ROM已擦除。已擦除。 （3）. 典型典型EPROM芯片介绍芯片介绍 EPROM芯片有多种型号，如芯片有多种型号，如2716(2 K8 bit)、 2732(4 K8 bit)、2764(8 K8 bit)、27128(16 K 8 bit)、27256(32 K8 bit)等。下面以 等。下面以2764A为例，介绍为例，介绍 EPROM的性能和工作方式。的性能和工作方式。 Intel 2764A有有13条地址线，条地址线，8条数据线，条数据线，2个电压个电压 输入端输入端VCC和和VPP，一个片选端，一个片选端CE(功能同功能同CS)，此外还，此外还 有输出允许有输出允许OE和编程控制端和编

13、程控制端PGM，其功能框图见图，其功能框图见图 9.3。 图图9.3 2764A功能框图功能框图 OE PGM CE 输出允许 编程逻辑 输出缓冲 D 7 D 0 Y门 256256 存储矩阵 Y译码 X译码 A 12 A 8 A 7 A 0 1) 读方式读方式 读方式是读方式是2764A通常使用的方式，此时两个电源通常使用的方式，此时两个电源 引脚引脚VCC和和VPP都接至都接至+5 V，PGM接至高电平，当从接至高电平，当从 2764A的某个单元读数据时，先通过地址引脚接收来的某个单元读数据时，先通过地址引脚接收来 自自CPU的地址信号，然后使控制信号和的地址信号，然后使控制信号和CE、O

14、E都有都有 效，于是经过一个时间间隔，指定单元的内容即可效，于是经过一个时间间隔，指定单元的内容即可 读到数据总线上。读到数据总线上。 但把但把A9引脚接至引脚接至11.512.5 V的高电平，则的高电平，则2764A 处于读处于读Intel标识符模式。要读出标识符模式。要读出2764A的编码必须顺的编码必须顺 序读出两个字节，先让序读出两个字节，先让A1A8全为低电平，而使全为低电平，而使A0从从 低变高，分两次读取低变高，分两次读取2764A的内容。当的内容。当A0=0时，读出时，读出 的内容为制造商编码的内容为制造商编码(陶瓷封装为陶瓷封装为89H，塑封为，塑封为88H)， 当当A0=1

15、时，则可读出器件的编码时，则可读出器件的编码(2764A为为08H， 27C64为为07H)。 2) 备用方式备用方式 只要只要CE为高电平，为高电平，2764A就工作在备用方式，输就工作在备用方式，输 出端为高阻状态，这时芯片功耗将下降，从电源所取出端为高阻状态，这时芯片功耗将下降，从电源所取 电流由电流由100 mA下降到下降到40 mA。 3) 编程方式编程方式 这时，这时，VPP接接+12.5 V，VCC仍接仍接+5 V，从数据线，从数据线 输入这个单元要存储的数据，输入这个单元要存储的数据，CE端保持低电平，输端保持低电平，输 出允许信号出允许信号OE为高，每写一个地址单元，都必须在

16、为高，每写一个地址单元，都必须在 PGM引脚端给一个低电平有效，宽度为引脚端给一个低电平有效，宽度为45 ms的脉冲，的脉冲， 如图如图6.12所示。所示。 4) 编程禁止编程禁止 在编程过程中，只要使该片为高电平，编程就立即禁止。在编程过程中，只要使该片为高电平，编程就立即禁止。 5) 编程校验编程校验 在编程过程中，为了检查编程时写入的数据是否正确，通在编程过程中，为了检查编程时写入的数据是否正确，通 常在编程过程中包含校验操作。在一个字节的编程完成后，电常在编程过程中包含校验操作。在一个字节的编程完成后，电 源的接法不变，但源的接法不变，但PGM为高电平，为高电平，CE、OE均为低电平，

17、则同均为低电平，则同 一单元的数据就在数据线上输出，这样就可与输入数据相比较，一单元的数据就在数据线上输出，这样就可与输入数据相比较， 校验编程的结果是否正确。校验编程的结果是否正确。 6) Intel标识符模式标识符模式 当两个电源端当两个电源端VCC和和VPP都接至都接至+5 V，CE=OE=0时，时， PGM为高电平，这时与读方式相同。另外，在对为高电平，这时与读方式相同。另外，在对EPROM编程编程 时，每写一个字节都需时，每写一个字节都需45 ms的的PGM脉冲，速度太慢，且容量越脉冲，速度太慢，且容量越 大，速度越慢。为此，大，速度越慢。为此，Intel公司开发了一种新的编程方法，

18、比公司开发了一种新的编程方法，比 标准方法快标准方法快6倍以上，其流程图如图倍以上，其流程图如图6.13所示。所示。 实际上，按这一思路开发的编程器有多种型号。编程器中实际上，按这一思路开发的编程器有多种型号。编程器中 有一个卡插在有一个卡插在I/O扩展槽上，外部接有扩展槽上，外部接有EPROM插座，所提供的插座，所提供的 编程软件可自动提供编程电压编程软件可自动提供编程电压VPP，按菜单提示，可读、可编，按菜单提示，可读、可编 程、可校验，也可读出器件的编码，操作很方便。程、可校验，也可读出器件的编码，操作很方便。 9.1.4电可擦可编程只读存储器电可擦可编程只读存储器(EEPROM) EP

19、ROM的优点是一块芯片可多次使用，缺点的优点是一块芯片可多次使用，缺点 是整个芯片虽只写错一位，也必须从电路板上取下是整个芯片虽只写错一位，也必须从电路板上取下 擦掉重写，因而很不方便的。在实际应用中，往往擦掉重写，因而很不方便的。在实际应用中，往往 只要改写几个字节的内容，因此多数情况下需要以只要改写几个字节的内容，因此多数情况下需要以 字节为单位进行擦写，而字节为单位进行擦写，而EEPROM在这方面具有在这方面具有 很大的优越性。很大的优越性。 9.1.5 ROM的读操作与时序图的读操作与时序图 1最小模式下的总线读操作最小模式下的总线读操作 高为读内存高为读内存 低为读低为读I/O 地址

20、输出地址输出 状态输出状态输出 地址输出地址输出 数据输入数据输入 BHE 11 输出输出 DT/R DEN ALE RD AD15 AD 0 A19/S6 A16/S3 BHE/S7 M/IO CLK T1 T2 T3 Tw(1+n) T4 2最大模式下的读最大模式下的读/写总线周期写总线周期 T1 T2 T3 T4 S2 S 0 CLK AD15 AD 0 BHE/S7 A19/S6 A 16/S3 S2 S 0 *ALE * *MRDC或或*IORC *DT/R *DEN 一个总线周期一个总线周期 无源状态无源状态 A19 A 16BHE S7 S 3 浮空浮空 A15 A 0D15 D

21、 0 地址地址 输入数据输入数据 9.2 随机存取存储器随机存取存储器 9.2.1 静态随机存取存储器静态随机存取存储器 1SRAM的基本存储电路的基本存储电路 EXIT 2SRAM的读写过程 3典型典型SRAM芯片芯片 常用的常用的SRAM芯片有芯片有 2114(1K4)、2142(1K4)、 6116(2K8)、6232(4K8)、 6264(8K8)、和、和62256(32K8) 等。等。 EXIT 9.2.2 动态随机存取存储器 (DRAM) 1基本存储电路基本存储电路 EXIT 9.3 存储器容量的扩展 采用多片采用多片ROM/RAM经扩展后组成容量更大的经扩展后组成容量更大的ROM

22、/RAM存存 储以满足系统的需要。芯片数量的选择由系统要求的容量储以满足系统的需要。芯片数量的选择由系统要求的容量(M N)和单片容量和单片容量(m n)来决定，其计算方法如下。来决定，其计算方法如下。 已知系统要求的内存容量为已知系统要求的内存容量为M N(字长或位数字长或位数)，现有单片，现有单片 ROM/RAM的容量为的容量为m(字数字数) n(字长或位数字长或位数)。所需单片。所需单片 ROM/RAM的数量计算原则如下。的数量计算原则如下。 计算原则：计算原则：M m，N n 根据字数计算所需单片数：根据字数计算所需单片数：M/m (取整数取整数) 根据字长或位数计算所需单片数：根据字

23、长或位数计算所需单片数：N/n (取整数取整数) 总片数总片数 EXIT 9.3.1 位扩展方式 若单片若单片ROM/RAM的字数满足系统内存的字数满足系统内存 总的字数要求，而每个字的字长或位数总的字数要求，而每个字的字长或位数 不够用时，则采用位扩展方式。位扩展不够用时，则采用位扩展方式。位扩展 后的存储器字数没改变而位数增加，存后的存储器字数没改变而位数增加，存 储器容量相应增加。储器容量相应增加。 EXIT 9.3.2 字扩展方式 若每一片若每一片ROM/RAM的数据位数够，而字的数据位数够，而字 数不能满足系统内存总的字数要求，则采数不能满足系统内存总的字数要求，则采 用字扩展方式。

24、字扩展后的存储器数据位用字扩展方式。字扩展后的存储器数据位 数或字长没有变，而字数增加，存储器容数或字长没有变，而字数增加，存储器容 量相应增加。量相应增加。 EXIT 9.3.3 字、位同时扩展 当单片当单片ROM/RAM的字数和位数都不够时，就要采用字位扩展方式。的字数和位数都不够时，就要采用字位扩展方式。 【例【例9-4】用】用1K 4位位RAM扩展成一个扩展成一个4K 8位的存储器。位的存储器。 解：解： 确定芯片数：确定芯片数： 确定地址线数确定地址线数D： 2D =4096 D=12 用用8片片1K 4位位RAM芯片，位扩展不需要增加地址线数，而字扩展芯片，位扩展不需要增加地址线数

25、，而字扩展 则需要增加地址线数。则需要增加地址线数。RAM原有原有10条地址线，现增加两条地址线条地址线，现增加两条地址线A11、 A10，利用，利用2线线4-线译码器将线译码器将A11、A10的四组不同代码输入译成的四组不同代码输入译成4路低路低 电平信号电平信号 ，分别接到，分别接到RAM的的 端。端。 与字扩展相同，并接的与字扩展相同，并接的2片片RAM的的8条数据线可分别做为字位扩展的条数据线可分别做为字位扩展的 存储器的存储器的8条数据输入条数据输入/输出线。输出线。 EXIT 9.4 实例电路分析：存储系统的 设计 某某8位微机有地址总线位微机有地址总线16根，双向数据总线根，双向

26、数据总线8根，根， 控制总线中与主存相关的有控制总线中与主存相关的有“允许访存允许访存”信号信号 (低电平有效低电平有效)和读和读/写控制信号写控制信号 (高电平读、高电平读、 低电平写低电平写)。试用。试用SRAM芯片芯片2114为该机设计一为该机设计一 个个8KB的存储器并画出连接框图。的存储器并画出连接框图。 EXIT EXIT 半导体存储器由许多存储单元组成，每个存半导体存储器由许多存储单元组成，每个存 储单元可存储一位二进制数储单元可存储一位二进制数 。根据存取功能。根据存取功能 的不同，的不同，半导体存储器分为只读存储器半导体存储器分为只读存储器 ( (ROM) )和随机存取存储器和随机存取存储器( (RAM) )，两者的存，两者的存 储单元结构不同。储单元结构不同。ROM 属于大规模组合逻辑属于大规模组合逻辑 电路，电路，RAM 属于大规模时序逻辑电路属于大规模时序逻辑电路。 本本 章章 小小 结结 ROM 用于存放固定不变的数据，存储内容不用于存放固定不变的数据，存储内容不 能随意改写。工作时，只能根据地址码能随意改写。工作时，只能根据地址码读出数读出数 据。断电后其数据不会丢失据。断电后其数据不会丢失。ROM有固定有固定 ROM( (又称掩膜又称掩膜 ROM) ) 和可编程