六章节半导体存储器

1、第六章第六章 半导体存储器半导体存储器 6.1 概述概述 6.2 顺序存取存储器（顺序存取存储器（ sam） 6.3 随机存取存储器（随机存取存储器（ ram） 6.4 只读存储器（只读存储器（rom）第六章第六章 半导体存储器半导体存储器6.1 概述概述 存储器是存储信息的器件，主要用来存放二进制数存储器是存储信息的器件，主要用来存放二进制数据、程序和信息，是计算机等数字系统中不可缺少的组据、程序和信息，是计算机等数字系统中不可缺少的组成部分。成部分。6.1.1 半导体存储器的特点半导体存储器的特点集成度高，体积小集成度高，体积小可靠性高，价格低可靠性高，价格低外围电路简单易于批量生产外围电

2、路简单易于批量生产6.1.2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类按按存取功能存取功能，半导体存储器可分为，半导体存储器可分为 ：顺序存取存储器顺序存取存储器sam(sequential access memory)。 按按器件类型器件类型 ，半导体存储器可分为：半导体存储器可分为： 双极型存储器和双极型存储器和mos型存储器型存储器 只读存储器只读存储器rom（read-only memory ）随机存取存储器随机存取存储器ram（random access memory）6.2 顺序存取存储器（顺序存取存储器（ sam） sam 是一种按顺序串行地写入或读出是一种按顺序串行地写入或读出的存

3、储器，也成为的存储器，也成为串行串行存储器，由于存储器，由于sam的数据是按一定顺序串行写入或读出，所以的数据是按一定顺序串行写入或读出，所以它实质上就是移位寄存器。它实质上就是移位寄存器。 sam按数据读出的按数据读出的顺序顺序分为先入先出和分为先入先出和先入后出型。先入后出型。6.3 随机存取存储器（随机存取存储器（ ram）存储单元存储单元 存放一位二进制数的基本单元存放一位二进制数的基本单元( (即即位位) )。存储容量存储容量 存储器含存储单元的总个存储器含存储单元的总个( (位位) )数。数。存储容量存储容量 = 字数（字数（word） 位数（位数（bit） 地址地址 存储器中每一

4、个字的编号存储器中每一个字的编号256 1，256 4 一共有一共有 256 个字，需要个字，需要 256 个地址个地址1024 4，1024 8 一共有一共有 1024 个字，需要个字，需要 1024 个地址个地址地址译码地址译码 用译码器赋予每一个字一个地址用译码器赋予每一个字一个地址n 个地址输入，能产生个地址输入，能产生 2n 个地址个地址一元地址译码一元地址译码( (单向译码、基本译码、字译码单向译码、基本译码、字译码) )二元地址译码二元地址译码( (双向译码、位译码双向译码、位译码) ) 行译码、列译码行译码、列译码6.3.1 ram 的结构与工作原理的结构与工作原理存储矩阵存储

5、矩阵读读/写写控制器控制器地地址址译译码码器器地地址址码码输输入入片选片选读读/ /写写控制控制输入输入/ /输出输出cs r / w i / o 例例 对对 256 4 存储矩阵进行地址译码存储矩阵进行地址译码一元地址译码一元地址译码d3d2d1d0w0w1w256译译码码器器0 0 1 11 0 1 00 1 1 1a0a1a710.0w11 0 1 0缺点缺点: n 位地址输入的位地址输入的译码器译码器,需要需要 2n 条条输出线。输出线。1 0 1 0二元地址译码二元地址译码y0y1 y15a0a1a2a3x0x1x15行行译译码码器器a4 a5 a6 a7列译码器列译码器dout 8

6、 位地址输入的位地址输入的地址译码器地址译码器,只有只有 32条输出线。条输出线。25 (32) 根行选择线根行选择线10 根地址线根地址线 2n (1024)个地址个地址25 (32)根列选择线根列选择线1024 个字排列成个字排列成 32 32 矩阵矩阵当当 x0 = 1，y0 = 1 时，时，对对 0-0 单元单元读读( (写写) )当当x31 = 1，y31 = 1时，时，对对 31-31 单元单元读读( (写写) ) 例例 1024 1 存储器矩阵存储器矩阵6.3.2 ram的存储单元的存储单元(一一) 静态存储单元静态存储单元基本工作原理：基本工作原理：ddsrqq位位线线b位位线

7、线b 门控管门控管控制触发器与位线的连通控制触发器与位线的连通截止截止截止截止 导通导通导通导通截止截止截止截止 01导通导通导通导通读操作时读操作时:qd qd 写操作时写操作时:qd dq 门控管门控管控制位线与数据线的连通控制位线与数据线的连通1mos管为管为简化画法简化画法vddvggdd1. 六管六管 nmos 存储单元存储单元vddvgg1导通导通0截止截止0截止截止1导通导通特点：特点： 断电后数据丢失断电后数据丢失2. 六管六管 cmos 存储单元存储单元vddddnp特点：特点： pmos 作作 nmos负载，功耗极小，可负载，功耗极小，可在交流电源断电后在交流电源断电后,靠

8、靠电池保持存储数据电池保持存储数据.(二二) 动态存储单元动态存储单元1. 四管动态存储单元四管动态存储单元 控制控制对位线的预充电对位线的预充电vdd存储单元存储单元ddcbcb预充脉冲预充脉冲c1c2导导通通截截止止 门控管门控管控制存储单元控制存储单元与位线的连通与位线的连通 门控管门控管控制位线与数控制位线与数据线的连通据线的连通1若无若无预充电，在预充电，在“读读”过程中过程中 c1 存储的电荷有所损存储的电荷有所损失，使数据失，使数据 “1”被破坏，而预充电则起到给被破坏，而预充电则起到给 c1 补补充电荷的作用，即进行一次充电荷的作用，即进行一次刷新刷新。2. 三管动态存储单元三

9、管动态存储单元cbvddc先使读位线预充电到高电平先使读位线预充电到高电平当读字线为高电平时当读字线为高电平时 t3 导通导通若若 c 上上存有电荷存有电荷 (1)使使 t2 导通导通, 则则 cb 放电放电, 使使读位变为低电平读位变为低电平 (0)若若 c 上上没有电荷没有电荷 (0)使使 t2 截止截止, 则则 cb 不不放电放电, 使读位线保持高电平使读位线保持高电平 (1)当写字线为高电平时当写字线为高电平时 t1 导通导通将输入信号送至写位线，则将信息存储于将输入信号送至写位线，则将信息存储于 c 中中6.3.3 ram 存储容量的扩展存储容量的扩展(一一) 位扩展位扩展地址线、读

10、地址线、读/写控制线、片选线写控制线、片选线并联并联输入输入/ 输出输出线分开使用线分开使用如：用如：用 8 片片 1024 1 位位 ram 扩展为扩展为 1024 8 位位 rami / o(0)a0a1 a9r/wcsi / o(1)a0a1a9 r/wcsi / o(7)a0a1a9 r/wcsa0a1.a9csr / wi0i1i7d0 d7o0o1o7d0 d7 (二二) 字扩展字扩展（三）（三）ram 芯片举例芯片举例123456789101112242322212019181716151413a7a6a5a4a3a2a1 a0d0d1d2gndvdda8a9weoea10cs

11、d7d6d5d4d3片片 选选输出使能输出使能写入控制写入控制输入输入工作方式工作方式i / ocs oe we a0 a10d0 d71 0 0 1 稳定稳定0 0 稳定稳定低功耗维持低功耗维持读读写写高阻态高阻态输出输出输入输入 6.4 只读存储器只读存储器（rom）6.4.1 rom 的分类的分类分类分类掩模掩模 rom可编程可编程 rom（prom programmable rom）可擦除可编程可擦除可编程 rom（eprom erasable prom）说明说明: :掩模掩模 romprom生产过程中在掩模板控制下写入，内容固定，生产过程中在掩模板控制下写入，内容固定，不能更改不能更

12、改内容可由用户编好后写入，一经写入不能更改内容可由用户编好后写入，一经写入不能更改紫外光擦除（约二十分钟）紫外光擦除（约二十分钟）eprom存储数据可以更改，但改写麻烦，工作时只读存储数据可以更改，但改写麻烦，工作时只读eeprom 或或 e2prom电擦除（几十毫秒）电擦除（几十毫秒）6.4.2 rom 的逻辑结构与工作原理的逻辑结构与工作原理1. 基本结构基本结构一、一、rom 的结构示意图的结构示意图地址输入地址输入数据输出数据输出01 aan n 位地址位地址01 ddb b b 位数据位数据a0a1an-1d0d1db-1d0d1db-1a0a1an-12nb rom最最高高位位最最

13、低低位位2. 内部结构示意图内部结构示意图存储单元存储单元数据输出数据输出字字线线位线位线地址译码器地址译码器rom 存储容量存储容量 = 字线数字线数 位线数位线数 = 2n b（位）（位）地地址址输输入入0单元单元1单元单元i 单元单元2n-1单元单元d0d1db-1a0a1an-1w0w1wiw2n-13. 逻辑结构示意图逻辑结构示意图m0a0a1an-1m1mim2n-1译译码码器器z0(d0) 或门或门z1(d1) 或门或门zb-1(db-1) 或门或门2n个与门构成个与门构成 n 位位二进制译码器二进制译码器 , 输输出出2n 个最小项。个最小项。01210dmmmzni 1101

14、dmmmzi .112101b-ib-dmmmmzn n个个输输入入变变量量b 个输出函数个输出函数或门阵列或门阵列与门阵列与门阵列w0(m0)w2(m2)d 0=w0+ +w2=m0+ +m2二、二、rom 的基本工作原理的基本工作原理1. 电路组成电路组成二极管或门二极管或门二极管与门二极管与门w0(m0)+vcc1a0a1a111a01vccend3end2end1end0d3 d2 d1 d0 w0(m0)w1(m1)w2(m2)w3(m3)与与门门阵阵列列( (译码器译码器) )或或门门阵阵列列( (编码器编码器) )位位线线字线字线输出输出缓冲缓冲en2. 工作原理工作原理输出信号

15、的逻辑表达式输出信号的逻辑表达式0100aamw 0111aamw 0122aamw 0133aamw 0010120200 aaaaammwwd 013211 aawwwd 103202aawwwd 0313awwd 1a111a01vccend3end2end1end0d3 d2 d1 d0 w0(m0)w1(m1)w2(m2)w3(m3)与与门门阵阵列列( (译码器译码器) )或或门门阵阵列列( (编码器编码器) )位位线线输出输出缓冲缓冲en字线字线字线：字线：位线：位线：输出信号的真值表输出信号的真值表0 00 11 01 10 1 0 1a1 a0d3 d2 d1 d01 0 1

16、00 1 1 11 1 1 03. 功能说明功能说明(1) 存储器存储器(2) 函数发生器函数发生器地址地址存储存储数据数据输入变量输入变量01 aa输出函数输出函数0123 dddd(3) 译码编码译码编码字线字线编码编码0w0 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0a1 a00 00 11 01 1输入输入变量变量输出输出函数函数1w2w3w 第六章第六章 小结小结1. 随机存取存储器随机存取存储器(ram）组成组成 ：主要由地址译码器、读主要由地址译码器、读/写控制电路和存储矩写控制电路和存储矩 阵三部分组成。阵三部分组成。功能功能 ：可以随时读出数据或改写存储的数据，并且可以随时读出数据或改写存储的数据，并且 读、写数据的速度很快。读、写数据的速度很快。种类种类 ：分为静态分为静态 ram 和动态和动态 ram 。应用应用 ：多用于经常更换数据的场合，最典型的应用多用于经常更换数据的场合，最典型的应用 就是计算机中的内存。就是计算机中的