数字电子技术第6章

1、第第6章章 半导体存储器半导体存储器 一、分类一、分类1、按制造工艺不同、按制造工艺不同 分成分成TTL和和MOS存储器两大类。存储器两大类。TTL型速度快，型速度快， MOS型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点。特点。2、按存储信号的原理不同、按存储信号的原理不同 分为静态存储器和动态存储器两种。分为静态存储器和动态存储器两种。 静态存储器是以触发器为基本单元来存储静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和和1的，的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；在不失电的情况下，触发器状态不会改变； 动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信动态存储器是

2、用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电。电容进行充电或放电。 称为刷新。动态存储器都称为刷新。动态存储器都为为MOS型。型。3、按工作特点不同、按工作特点不同 分成只读存储器、随机存取存储器。分成只读存储器、随机存取存储器。二、半导体存储器的主要技术指标：二、半导体存储器的主要技术指标：半导体存储器有两个主要技术指标：存储容量半导体存储器有两个主要技术指标：存储容量和存取时间。和存取时间。1、存储容量：、存储容量： 存储器中存储单元个数叫存储容量，即存放存储器中存储单元个数叫存储容量，即存放二进

3、制信息的多少。二进制信息的多少。 存储器中二值代码都是以字的形式出现的。存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做字长。例如，一个字的位数称做字长。例如，16位构成一个位构成一个字，该字的字长为字，该字的字长为16位。一个存储单元只能存位。一个存储单元只能存放一位二值代码，要存储字长为放一位二值代码，要存储字长为16的一个字，的一个字，就需要就需要16个存储单元。若存储器能够存储个存储单元。若存储器能够存储1024个字，就得有个字，就得有102416个存储单元。通常，存个存储单元。通常，存储容量应表示为字数乘以位数。储容量应表示为字数乘以位数。 地址码的位数地址码的位数n与字数之间

4、存在与字数之间存在2n=字数的字数的关系。如果某存储器有十个地址输入端，关系。如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存那它就能存210=1024个字。个字。 2、存取周期、存取周期 连续两次读（写）操作间隔的最短时间称连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。为存取周期。 三、只读存储器三、只读存储器 半导体只读存储器半导体只读存储器(Read-only Memory,简称简称ROM)是只能读不能写的存储器。通常是只能读不能写的存储器。通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统用其存放固定的数据和程序，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符等。的引导程序、监控程序、函数表、字符等

5、。 只读存储器为非易失性存储器，去掉电只读存储器为非易失性存储器，去掉电源，所存信息不会丢失。源，所存信息不会丢失。 ROM按存储内容的写入方式，可分为固定按存储内容的写入方式，可分为固定ROM,可编程序只读存储器，简称（可编程序只读存储器，简称（PROM)和可擦除可编程只读存储器和可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，简称，简称EPROM)。 固定固定ROM：在制造时根据特定的要求做成固：在制造时根据特定的要求做成固定的存储内容，出厂后，用户无法更改，只定的存储内容，出厂后，用户无法更改，只能读出。能读出。 PROM：存储内容可

6、以由使用者编制写入，：存储内容可以由使用者编制写入，但只能写入一次，一经写入就不能再更改。但只能写入一次，一经写入就不能再更改。 EPROM：存储内容可以改变，但：存储内容可以改变，但EPROM所存内容的擦去或改写，需要专门的擦抹器所存内容的擦去或改写，需要专门的擦抹器和编程器实现。在工作时，也只能读出。和编程器实现。在工作时，也只能读出。 E2PROM：可用电擦写方法擦写。：可用电擦写方法擦写。 固定只读存储器固定只读存储器(ROM) 图图6-1 ROM结构图结构图ROM由地址译由地址译码器、存储矩阵、码器、存储矩阵、输出和控制电路输出和控制电路组成，如图组成，如图6-1所示。所示。图图6-

7、2 (44)的的 NMOS固定固定ROM地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出电路输出电路字线字线1100D01011D20101D10101D3内内 容容0 00 11 01 1A1 A0地地 址址固定固定ROM的编程是设计者根据要求确定存储的编程是设计者根据要求确定存储内容，设计出存储矩阵，即哪些交叉点（存内容，设计出存储矩阵，即哪些交叉点（存储单元）的信息为储单元）的信息为1，哪些为，哪些为0。为。为1的制造的制造管子，为管子，为0的不需制造管子，画出存储矩阵的不需制造管子，画出存储矩阵编码图。通常，存储矩阵中有管子处，用编码图。通常，存储矩阵中有管子处，用“码点码点”表示，由生产厂制

8、作。图表示，由生产厂制作。图6-2的存储的存储矩阵简化编码图如图矩阵简化编码图如图6-3所示。所示。位线与字线之间逻辑关系位线与字线之间逻辑关系为：为：D0=W0+W 1D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3图图6-3 ROM的符号矩阵的符号矩阵 存储矩阵的输出和输入是或的关存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩阵是或矩阵。地系，这种存储矩阵是或矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关址译码器的输出和输入是与的关系，因此系，因此ROM是一个多输入变量是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）（地址）和多输出变量（数据）的与或逻辑阵列。的与或逻辑阵列。 PROM和和ROM的

9、区别在于的区别在于ROM由厂家由厂家编程，编程，PROM由用户编程。出厂时由用户编程。出厂时PROM的的内容全是内容全是0或全是或全是1，使用时，用户可以根据，使用时，用户可以根据需要编好代码，写入需要编好代码，写入PROM中。中。图图6-4 326-4 32字字8 8位熔断丝结构位熔断丝结构PROMPROM这种电路存储内这种电路存储内容全部为容全部为0。如果。如果想使某单元改写为想使某单元改写为1，需要使熔断丝，需要使熔断丝通过大电流，使它通过大电流，使它烧断。一经烧断，烧断。一经烧断，再不能恢复。再不能恢复。 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器(EPROM) 可擦除可编程存储器又可以

10、分为：光可擦除可可擦除可编程存储器又可以分为：光可擦除可编程存储器编程存储器UVEPROM(UltraViolet Ereasable Programmable ReadOnly Memory)电可擦除可编程存储器电可擦除可编程存储器E2 PROM (Electrical Ereasable Programmable ReadOnly Memory)快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)等。等。 Y7=（12，13，14，15）Y6=（8，9，10，11，14，15）Y5=（6，7，10，11，13，15）Y4=（4，5，7，9，11，12）Y3=（3，5，11，13）Y2=（2，6

11、，10，14）Y1=0Y0=（1，3，5，7，9，11，13，15 ）例例6-1试用试用ROM设计一个能设计一个能实现函数实现函数y=x2的运算表电路的运算表电路,x的取值范围为的取值范围为015的正整数。的正整数。0149162536496481100121144169196225十进制数十进制数注注0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0

12、 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0输输 出出0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0输输 入入根据表达式画出根据表达式画出ROM存储点阵如下图。存储点阵如下图。图图6-9 例例6-1ROM点阵图点阵

13、图四、随机存取存储器四、随机存取存储器 随机存取存储器随机存取存储器RAM（Random Access Memory）可随时从任一指定地址存入（写入）可随时从任一指定地址存入（写入）或取出（读出）信息。在计算机中，或取出（读出）信息。在计算机中，RAM用用作内存储器和高速缓冲存储器。作内存储器和高速缓冲存储器。RAM分为静分为静态态RAM和动态和动态RAM；静态；静态RAM又分为双极又分为双极型和型和MOS型。型。 1、静态、静态RAM 双极型双极型RAM存储单元存储单元 图图6-10是射极读写存储单元电路，图中是射极读写存储单元电路，图中T1、T2为多为多发射极晶体管，与发射极晶体管，与R1

14、、R2构成触发器。一对发射极构成触发器。一对发射极与行地址译码器的输出线（字线与行地址译码器的输出线（字线）Z信号相接；另信号相接；另一对发射极接到互补的数据线（位线）一对发射极接到互补的数据线（位线）D和和D ，再再转接到读写电路。转接到读写电路。保持状态保持状态 ：Z为低电平为低电平 0.3V, D和和D为为1.5V或或0.7V，状态不变。状态不变。读出：字线为读出：字线为+3V，导导通管发射极电流从位线通管发射极电流从位线流出。检测一根位线上流出。检测一根位线上是否有电流，可读出存是否有电流，可读出存储单元的状态。储单元的状态。图图6-10 射极读写存储单元射极读写存储单元数数据据线线D

15、T2T1VCC（33.5V）R2R1数数据据线线D字线字线ZQQ图图6-11 六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元 2、动态、动态RAM 动态动态RAM与静态与静态RAM的区别在于：信息的存储的区别在于：信息的存储单元是由门控管和电容组成。用电容上是否存储单元是由门控管和电容组成。用电容上是否存储电荷表示存电荷表示存1或存或存0。为防止因电荷泄漏而丢失信。为防止因电荷泄漏而丢失信息，需要周期性地对这种存储器的内容进行重写，息，需要周期性地对这种存储器的内容进行重写，称为刷新。动态称为刷新。动态MOS存储单元电路主要是三管和存储单元电路主要是三管和单管结构。单管结构。 （1）三管动态存储单元

16、）三管动态存储单元 三管动态三管动态MOS存储单元存储单元如图如图6-12所示。所示。T2为存储为存储管，管，T3为读门控管，为读门控管，T1为为写门控管，写门控管，T4为同一列公为同一列公用的预充电管。代码以电用的预充电管。代码以电荷的形式存储在荷的形式存储在T2管的栅管的栅极电容极电容C中，中，C上的电压上的电压控制控制T2管的状态。管的状态。 五、集成五、集成RAM简介简介 图图6-14是是Intel公司公司的的MOS型静态型静态2114的结构图。的结构图。10244位位RAM。可以选择可以选择4位的字位的字1024个。采用个。采用X、Y双向译码方式。双向译码方式。4096个存储单元排列

17、成个存储单元排列成64行行64列矩阵，列矩阵，64列中每四列为一组，分别由列中每四列为一组，分别由16根根Y译码译码输出线控制。即每一根译码输出线控制存储矩阵中输出线控制。即每一根译码输出线控制存储矩阵中四列的数据输入、输出通路，读写操作在四列的数据输入、输出通路，读写操作在 （读（读/写信号）和写信号）和 （选片信号）的控制下进行。（选片信号）的控制下进行。WR/CS当当 =0且且 =1时，时，实现读出操作，当实现读出操作，当 =0且且 =0时执行写时执行写操作。操作。正确使用正确使用2114 RAM的关键是掌握各种信的关键是掌握各种信号的时序关系。不作号的时序关系。不作详细介绍。详细介绍。

18、CSWR/CSWR/图图6-14 2114RAM10244位位 存储器结构图存储器结构图六、六、RAM的扩展的扩展 RAM的种类很多，存储容量有大有小。当一片的种类很多，存储容量有大有小。当一片RAM不能满足存储容量需要时，就需要将若干片不能满足存储容量需要时，就需要将若干片RAM组合起来，构成满足存储容量要求的存储器。组合起来，构成满足存储容量要求的存储器。RAM的扩展分为位扩展和字扩展两种。的扩展分为位扩展和字扩展两种。 1. 位扩展位扩展 字数满足要求，而位数不够时，应采用位扩展。字数满足要求，而位数不够时，应采用位扩展。 实现位扩展的原则是：实现位扩展的原则是：多个单片多个单片RAM的

19、的I/O端并行输出。端并行输出。多个多个RAM的的CS接到一起，作为接到一起，作为RAM的片选端（同的片选端（同时被选中）；时被选中）；地址端对应接到一起，作为地址端对应接到一起，作为RAM的地址输入端。的地址输入端。多个单片多个单片RAM的的R/W端接到一起，作为端接到一起，作为RAM的读的读/写控制端（读写控制端（读/写控制端只能有一个）；写控制端只能有一个）； 图图6-15是用是用4片片2561位的位的RAM扩展成扩展成2564位的位的RAM的接线图。的接线图。 图图6-15 RAM位扩展接线图位扩展接线图 2.字扩展字扩展在在RAM的数据位的位数足够，而字数达不到要求的数据位的位数足够，而字数达不到要求时，需要进行字扩展。字数增加，地址线数就得相时，需要进行字扩展。字数增加，地址线数就得相应增加。如应增加。如2568位位RAM的地址线数为的地址线数为8条，而条，而10248位位RAM的地址线数为的地址线数为10条（接线见图条（接线见图6-1