数字电子技术基础 第7章 半导体存储器

1、7.1 7.1 只读存储器（只读存储器（ROMROM）7.2 7.2 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）用以存储二进制信息的器件。用以存储二进制信息的器件。半导体存储器的分类：半导体存储器的分类：根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：（1 1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAMRAM）也叫做读也叫做读/ /写存储器。既能方写存储器。既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAMRAM的缺点的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。（2

2、 2）只读存储器（）只读存储器（ROMROM）其内容只能读出不能写入。其内容只能读出不能写入。 存储存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。（1）存储器的容量：存储器的容量）存储器的容量：存储器的容量=2nm(bit) n：地址线总数，：地址线总数， 2n 称为字线数。称为字线数。 m: 每一地址单元存储每一地址单元存储m位二值数，又称为位线数。位二值数，又称为位线数。8位为一字节位为一字节(Byte)， 210=1024=1K, 220=1024K=1M, 230=1024M=1G例：例：11根地址线，根地址线，8根数据线（根数据线（8位输出），容

3、量为位输出），容量为2118=16Kb=2KB(2)存取时间存取时间接收到寻址信号到读接收到寻址信号到读/写数据为止。写数据为止。 以一个以一个224的存储器为例进行说明。它有二根地址线的存储器为例进行说明。它有二根地址线A1、A0，四根数据线，四根数据线D3 D0。二根地址线有四种地址组合，假设对。二根地址线有四种地址组合，假设对应输出数据如表。应输出数据如表。 存储器MD3D2D1D0A1A07.1 7.1 只读存储器（只读存储器（ROMROM）7.2 7.2 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）ROM ROM (read-only memory)由由地址译码器和存储体地址译码器和存储体

4、两部分构成。地址译码器产生了输入变量的全部最小两部分构成。地址译码器产生了输入变量的全部最小项，即实现了对输入变量的与运算；存储体实现了有项，即实现了对输入变量的与运算；存储体实现了有关最小项的或运算。因此，关最小项的或运算。因此，ROMROM实际上是由实际上是由与门阵列和与门阵列和或门阵列或门阵列构成的构成的组合电路组合电路，利用，利用ROMROM可以实现任何组合可以实现任何组合逻辑函数。逻辑函数。（2 2）一次性可编程）一次性可编程ROMROM（PROMPROM）。）。出厂时，存储内容全为出厂时，存储内容全为1 1（或全为（或全为0 0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程），用户可根据

5、自己的需要编程，但只能编程一次。一次。 PROMPROM具有熔丝结构，它的编程方法称为熔丝编程。用具有熔丝结构，它的编程方法称为熔丝编程。用户对户对PROMPROM编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写了。改写了。按照数据写入方式特点不同，按照数据写入方式特点不同，ROMROM可分为以下几种：可分为以下几种：（1 1）固定）固定ROMROM。厂家把数据

6、写入存储器中，用户无法进行厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。任何修改。（5 5）快闪存储器（）快闪存储器（Flash MemoryFlash Memory）。）。也是采用浮栅型也是采用浮栅型MOSMOS管，管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与与EPROMEPROM相同，一般一只芯片可以擦除相同，一般一只芯片可以擦除/ /写入写入100100万次以上。万次以上。（4 4）电可擦除可编程）电可擦除可编程ROMROM（E E2 2PROMPROM）。）。也是采用浮栅技术生也是采用浮栅技术生产的可编程产的可编程ROMRO

7、M，但是构成其存储单元的是隧道，但是构成其存储单元的是隧道MOSMOS管，管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。级）。E E2 2PROMPROM的电擦除过程就是改写过程，它具有的电擦除过程就是改写过程，它具有ROMROM的的非易失性，又具备类似非易失性，又具备类似RAMRAM的功能，可以随时改写（可重的功能，可以随时改写（可重复擦写复擦写1 1万次以上）。万次以上）。（3 3）光可擦除可编程）光可擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）。）。采用浮栅技术生产的采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而

8、被擦除，可多可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。次编程。ROMROM的结构的结构W0W1Wi12 nWD0 D1 Db-1 位线输出数据0 单元1 单元i 单元2n-1 单元存储体地址输入字线地址译码器A0A1An-1存储容量字线数存储容量字线数位线数位线数2 2n nb b（位）（位）存储单元地址存储单元地址ROMROM的工作原理的工作原理 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & 4 44 4位位R RO OM M0A1A0m0W 0A1A1m1W 0A1A2m2W 0A1A3m

9、3W 地址译码器地址译码器存储体存储体302022123123103030013013D =W +W = m +m D =W +W +W =m +m +mD =W +W =m +m D =W +W +W =m +m +m 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & D3=1D2=0D1=1D0=1A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=0A0=1D3=0D2=1

10、D1=0D0=1W0=0W1=1W2=0W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=1A0=0D3=1D2=1D1=0D0=0W0=0W1=0W2=1W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=1A0=1D3=0D2=1D1=1D0=1W0=0W1=0W2=0W3=11.1.作函数运算表电路作函数运算表电路 试用试用ROMROM构成能实现函数构成能实现函数y y= =x x2 2的运算表电

11、路，的运算表电路，x x的取值范围的取值范围为为0 01515的正整数。的正整数。 （1 1）分析要求、设定变量）分析要求、设定变量 自变量自变量x x的取值范围为的取值范围为0 01515的正整数，对应的的正整数，对应的4 4位二位二进制正整数，用进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据表示。根据y=x2的运算关系，的运算关系，可求出可求出y的最大值是的最大值是152225，可以用可以用8 8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。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

12、 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 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0149162536496481100121144169196225对应对应十进制数十进制数0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00

13、 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（2 2）列真值表）列真值表Y7=m12+m13+m14+m15（3 3）写标准与或表达式）写标准与或表达式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1= 0Y2=m2+m6+m10+m14(4)(4)画画ROMROM存储矩阵结点连接图存储矩阵结点连接图Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m

14、15B13B12B11B10m0W0)()(11mWW23WW4W56WW78W9WW10W11W12W1314WW15或或门门阵阵列列阵阵矩矩取取存存（）址址 门门（码码）地地阵阵器器列列与与译译Y76YY5Y4Y3Y2Y10YY3=m3+m5+m11+m13Y7=m12+m13+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15 数学运算是数控装置和数字系统中需要经常进行的操数学运算是数控装置和数字系统中需要经常进行的操作，如果事先把要用到的基本函数变量在一定范围内的取值作，如果事先把要用到的基本函数变量在一定范围内的

15、取值和相应的函数取值列成表格，写入只读存储器中，则在需要和相应的函数取值列成表格，写入只读存储器中，则在需要时只要给出规定时只要给出规定“地址地址”就可以快速地得到相应的函数值。就可以快速地得到相应的函数值。这种这种ROMROM，实际上已经成为函数运算表电路。，实际上已经成为函数运算表电路。 存储器很经常用于当作存储数据的表格，因为输入地址，存储器很经常用于当作存储数据的表格，因为输入地址，就可输出存储在该地址单元的数据输出。就可输出存储在该地址单元的数据输出。 （1 1）写出各函数的标准与或表达式：）写出各函数的标准与或表达式： 按按A、B、C、D顺序排列变量，将顺序排列变量，将Y1、Y2、

16、Y4扩展成为四变扩展成为四变量逻辑函数。量逻辑函数。试用试用ROMROM实现下列函数：实现下列函数：ABCCBACBACBAY 1CABCY 2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY 3BCDACDABDABCY 4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY与与）取取列列WWWm)1存存门门107(码码门门91WWW1)0m41（(01123WYYY14WYW11址址或或WW13W643W1512WW阵阵521译译器器）阵阵地地矩矩列列（阵阵W8C CD DA AB B），（），（），（），（15141

17、311715129630151411107615149854324321mmmmYYYYBBBB0123GGGG0123 二进制码二进制码 格雷码格雷码 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

18、 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 (2) (2) 由真值表写出最小表达式由真值表写出最小表达式 (3)(3)画出画出4 4位二进制位二进制-GRY-GRY转换器的转换器的ROMROM阵列结构图阵列结构图, ,如下如下: : 3 3字符显示字符显示 字符发生器常用于显示终端、打印机及其他一些数字装字符发生器常用于显示终端、打印机及其他一些数字装置。将各种字母、数字等字符事先存储在置。将各种字母、数字等字符事先存储在ROMROM的存储矩阵中，的存储矩阵中，再以适当方式给出地址码，某个字符就能读出，并驱动显再以适当方式给出地址码，某个字符就能读出，并驱动显示器进行显示

19、示器进行显示 下图用下图用ROM构成字母构成字母“T”的原理。的原理。 VVppccCEPGMAADD12007地2764AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410VPP127PGM(PGM)VCCVIH20CSOECSOE221112131415161718地址输入数据据输出AA120DD7CE0PGMVppccV引脚功能地址输入芯片使能编程脉冲电压输入数 据7.1 7.1 只读存储器（只读存储器（ROMROM）7.2 7.2 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）随机存取存储器（随机存取存储

20、器（RAM, RAM, random-access memory random-access memory ）可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出（读出）操作。与只读存储器存入（写入）或取出（读出）操作。与只读存储器ROMROM相比，相比，RAMRAM最大的优点是存取方便，使用灵活，既最大的优点是存取方便，使用灵活，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。RAMRAM由由存储矩阵、地址译码器、

21、读写控制电路、存储矩阵、地址译码器、读写控制电路、输入输出电路和片选控制电路输入输出电路和片选控制电路等组成。实际上等组成。实际上RAMRAM是由许许多多的是由许许多多的基本寄存器基本寄存器组合起来构成的大规模集组合起来构成的大规模集成电路。成电路。 RAM RAM中的每个寄存器称为一个中的每个寄存器称为一个字字，寄存器中的每一，寄存器中的每一位位称为一个存储单元。寄存器的个数（字数）与寄存称为一个存储单元。寄存器的个数（字数）与寄存器中存储单元个数（位数）的乘积，叫做器中存储单元个数（位数）的乘积，叫做RAMRAM的的容量容量。按照按照RAMRAM中寄存器位数的不同，中寄存器位数的不同，RA

22、MRAM有有多字多字1 1位位和和多字多多字多位位两种结构形式。在多字两种结构形式。在多字1 1位结构中，每个寄存器都只位结构中，每个寄存器都只有有1 1位，例如一个容量为位，例如一个容量为102410241 1位的位的RAMRAM，就是一个有，就是一个有10241024个个1 1位寄存器的位寄存器的RAMRAM。多字多位结构中，每个寄存。多字多位结构中，每个寄存器都有多位，例如一个容量为器都有多位，例如一个容量为2562564 4位的位的RAMRAM，就是一，就是一个有个有256256个个4 4位寄存器的位寄存器的RAMRAM。 RAM RAM可分为可分为单极型和双极型单极型和双极型：双极型

23、工作速率高，但是集成：双极型工作速率高，但是集成度不如单极型的高，目前，由于工艺水平的不断提高，单极型度不如单极型的高，目前，由于工艺水平的不断提高，单极型RAMRAM的速率已经可以和双极型的速率已经可以和双极型RAMRAM相比，而且单极型相比，而且单极型RAMRAM具有功耗具有功耗低的优点。这里只以单极型低的优点。这里只以单极型RAMRAM为例进行分析为例进行分析 单极型单极型RAMRAM又可分为又可分为静态静态RAM(SRAM)RAM(SRAM)与与动态动态RAM(DRAM)RAM(DRAM)：静态：静态RAMRAM是用是用MOSMOS管触发器来存储代码，所用管触发器来存储代码，所用MOS

24、MOS管较多、集成度低、管较多、集成度低、功耗也较大。功耗也较大。SRAMSRAM速度非常快，但是它也非常昂贵，所以只在速度非常快，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用。如要求很苛刻的地方使用。如CPUCPU的一级缓存，二级缓存。的一级缓存，二级缓存。静态静态RAMRAM使用方便，不需要刷新。使用方便，不需要刷新。动态动态RAMRAM是用栅极分布电容保存信息，它的存储单元所需要的是用栅极分布电容保存信息，它的存储单元所需要的MOSMOS管较少，因此集成度高、功耗也小。管较少，因此集成度高、功耗也小。DRAMDRAM保留数据的时间保留数据的时间很短，速度也比很短，速度也比SRAMSRA

25、M慢，不过它还是比任何的慢，不过它还是比任何的ROMROM都要快，但都要快，但从价格上来说从价格上来说DRAMDRAM相比相比SRAMSRAM要便宜很多，计算机内存就是要便宜很多，计算机内存就是DRAMDRAM的。的。 存储矩阵存储矩阵 地址译码器地址译码器 读读/写控制电路写控制电路 地址码输入地址码输入 片选片选 读读/写控制写控制 输入输入/输出输出 用以决定访问用以决定访问哪个字单元哪个字单元由大量寄存器由大量寄存器构成的矩阵构成的矩阵读出及写入读出及写入数据的通道数据的通道用以决定芯用以决定芯片是否工作片是否工作用以决定对用以决定对被选中的单元被选中的单元是读还是写是读还是写 1.

26、1. 存储矩阵存储矩阵图中，图中，10241024个字排个字排列成列成32323232的矩的矩阵。阵。为了存取方便，给为了存取方便，给它们编上号。它们编上号。3 23 2 行 编 号 为行 编 号 为 X X0 0、X X1 1、X X3131，3 23 2 列 编 号 为列 编 号 为 Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y3131。这样每一个存储单这样每一个存储单元都有了一个固元都有了一个固定的编号，称为定的编号，称为地址地址。 000001111313113131310131列 译 码 器行译码器. .位线位线位线位线位线位线.X XX XX XY YY YY Y01310131AAAAA地

27、 址 输 入地址输入56789DD数据线.2AA3A01A4A容量为容量为2562564 RAM4 RAM的存储矩阵的存储矩阵X0X1X2X318 根列选择线 Y0 Y1 Y732根行选择线存储单元存储单元10241024个存储单元排成个存储单元排成3232行行3232列的矩阵列的矩阵每根行选择线选择一行每根行选择线选择一行每根列选择线选择一个字列每根列选择线选择一个字列Y Y1 11 1，X X2 21 1，位于，位于X X2 2和和Y Y1 1交叉处的字单交叉处的字单元可以进行读出或写入操作，而其余任元可以进行读出或写入操作，而其余任何字单元都不会被选中。何字单元都不会被选中。2. 地址的

28、选择通过地址的选择通过地址译码器地址译码器来实现。地址译码器由行译码来实现。地址译码器由行译码器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们由它们共同确定共同确定欲选择的地址单元。欲选择的地址单元。 A4 A3 A2 A1 A0 X0 X1 X2 X31 A7 A6 A5 Y0 Y1 Y7 行译码器 列 译 码 器 0 0 1000102562564 RAM4 RAM存储矩阵中，存储矩阵中，256256个字需要个字需要8 8位地址码位地址码A A7 7A A0 0。其中。其中高高3 3位位A A7 7A A5 5用于列译码输入

29、，低用于列译码输入，低5 5位位A A4 4A A0 0用于行译码输入用于行译码输入。A A7 7A A0 0=00100010=00100010时，时，Y Y1 1=1=1、X X2 2=1=1，选中，选中X X2 2和和Y Y1 1交叉的字单元。交叉的字单元。RAM芯片简介芯片简介(6116)(6116)1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GND61166116为为2K2K8 8位的静态位的静态CMOSRAMCMOSRAM100CS片选片选0OE输出使能输出使能10WE读读/写控制写控制稳定稳定稳定稳定A0 A10地址码输入地址码输入高高 阻阻 态态输输 出出输输 入入D0 D7输输 出出工作模式工作模式低功耗维持低功耗维持读读写写61166116的功能表的功能表A A0 0A A1010是地址码输入端，是地址码输入端，D D0 0D D7 7是数