数字电子技术：第7章 半导体存储器

1、1第七章第七章 半导体存储器半导体存储器本章的重点：本章的重点： 1 1存储器的基本工作原理、分类、指标参数和每种类型存储器的基本工作原理、分类、指标参数和每种类型存储器的特点；存储器的特点； 2 2扩展存储器容量的方法；扩展存储器容量的方法； 3 3用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。 因为存储器几乎都作成因为存储器几乎都作成LSILSI器件，所以这一章的重点内容器件，所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程的重点。的重点。本章的难点：本章的难点： 在本章的重点内容中基

2、本没有难点。在本章的重点内容中基本没有难点。2预备知识预备知识 字：字：数字系统中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二数字系统中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二进制数，每个数字系统字的二进制数的位数是固定的。进制数，每个数字系统字的二进制数的位数是固定的。 字节：字节：把一个把一个8位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字母母B表示。表示。 字长：字长：一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标志数字系统精度的一项技术指标。志数字系统精度的一项技术指标。KB即为即为K字节字节 1K=210

3、 =1024 BMB即为即为M字节字节 1M=220 =1024 K GB即为即为G字节字节 1G=230 =1024 M 位：位：数字系统只认识由数字系统只认识由0或或1组成的二进制数，二进制数中的组成的二进制数，二进制数中的每个每个0或或1就是信息的最小单位，称为就是信息的最小单位，称为“位位”（bit），也称为二进），也称为二进制的位或称字位，通常用字母制的位或称字位，通常用字母b表示。表示。3第七章第七章 半导体存储器半导体存储器第一节第一节 概述概述存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。体器件。用途：在计算机或数字系统

4、中存储数据。用途：在计算机或数字系统中存储数据。 与寄存器的区别：以与寄存器的区别：以字字为单位存取，每字包含若干为单位存取，每字包含若干位位。各个字。各个字的相同位通过的相同位通过同一引脚同一引脚与外界联系。每个字分配一个与外界联系。每个字分配一个地址地址，因此内，因此内部有地址译码器。部有地址译码器。4分类：分类：1. 掩模掩模ROM2. 可编程可编程ROM（PROM）3. 可擦除可编程可擦除可编程ROM（EPROM）2. 随机存储器随机存储器RAM1. 静态存储器静态存储器SRAM2. 动态存储器动态存储器DRAM按按功功能能(Read- Only Memory)(Random Acce

5、ss Memory)(Programmable ROM)(Erasable PROM)1. UVEPROM2. EEPROM1. 只读存储器只读存储器ROM3. Flash Memory(Ultra-Violet)(Electrically)电可擦除电可擦除紫外线擦除紫外线擦除(Static RAM)快闪存储器快闪存储器(Dynamic RAM)只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不失1. 双极型双极型按按制造制造工艺工艺2. MOS型型5 主要指标：存储容量、存取速度。主要指标：存储容量、存取速度。 存储容量存储容量:用字数用字数位数表示，也可只用位数表示。如，某位数表示，也可只用

6、位数表示。如，某动态存储器的容量为动态存储器的容量为109位位/片。片。 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器的存取时间仅有的存取时间仅有10ns左右。左右。6第二节第二节 只读存储器只读存储器ROM一、掩模只读存储器一、掩模只读存储器又称为固定又称为固定ROM。工厂。工厂按用户要求生产出来后，按用户要求生产出来后，用户不能改动。用户不能改动。1.ROM的构成的构成 由若干存储单元排列成矩阵形式。由若干存储单元排列成矩阵形式。储存单元：可由二极管、双极性三极管或储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。管构成。根据地址输入

7、，在存储矩阵中选出指定的字对应根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。的单元，把数据送往输出缓冲器。增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和系增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和系统的总线相连。统的总线相连。存储矩阵存储矩阵：地址译码器地址译码器：输出缓冲器：输出缓冲器：72.工作原理工作原理按组合电路进行分析。按组合电路进行分析。二四线二四线译码器译码器A1,A0的的四个最小四个最小项项字线字线地址译码是四个二极管与门；地址译码是四个二极管与门；当当EN=0时时D1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1真值表：真值表：真值表与存真值表与存储单元

8、有一储单元有一一对应关系一对应关系位线位线0011D01010D11101D21010D31010A01100A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A0存储矩阵是四个二极管或门；存储矩阵是四个二极管或门；8用用MOS工艺制造的工艺制造的ROM的存储矩阵的存储矩阵（自学，不要求）（自学，不要求）9二、可编程只读存二、可编程只读存储器储器PROM 产品出厂产品出厂时存的全是时存的全是1，用户可一次性用户可一次性写入，即把某写入，即把某些些1改为改为0。但。但不能多次擦除。不能多次擦除。 存储单元多采用熔丝低熔存储单元多采用熔丝低熔点金属或多晶硅。写入时设法在点

9、金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。断。编程编程时时VCC和字和字线电线电压提压提高高be结结相当相当于二于二极管极管1016字字8位的位的PROM十十六六条条字字线线八八条条位位线线20V十几微秒十几微秒编程脉冲编程脉冲缺点：不能重复擦除。缺点：不能重复擦除。241611三、可擦除的可编程只读存储器三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）（一）紫外线擦除的只读存储器（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM） 是最早出现的是最早出现的EPROM。通常说的。通常说的EPROM就是就是指这种。指这种。 写入：利用雪崩击穿或电荷注入，使存储单写

10、入：利用雪崩击穿或电荷注入，使存储单元存入数据。电荷可长期保存在元存入数据。电荷可长期保存在125环环境温度下，境温度下，70%的电荷能保存的电荷能保存10年以上。年以上。擦除：用紫外线或擦除：用紫外线或X射线擦除。需射线擦除。需2030分钟。分钟。 缺点：需要两个缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；管；编程电压偏高；P沟道管的开关速度低。沟道管的开关速度低。12这是一种双译码方式，这是一种双译码方式，行地址译码器和列地行地址译码器和列地址译码器共同选中一址译码器共同选中一个单元。每个字只有个单元。每个字只有一位。一位。256字字X1位的位的PROM结构原理结构原理图。图。2825613GC

11、Gf漏极漏极（二）电可擦除（二）电可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM) 用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。快闪存储器就是针对此缺点研制的。快闪存储器就是针对此缺点研制的。 EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只元需两只MOS管。管。14存储单元的工作原理：存储单元的工作原理：1.写入利用雪崩注入法。写入利用雪崩注入法。2.擦除用隧道效应。擦除用隧道效应。3.读出：源极接地，字线为读出：源

12、极接地，字线为5V逻辑高逻辑高电平。电平。6V0V12V10 s0V12V100ms快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。兆位产品问世。很有发展前途。5V（三）快闪存储器（三）快闪存储器(Flash Memory）151. ROM的通用结构（的通用结构（RAM也通用）也通用）2.掩模掩模ROM中用户不能改动数据，不方便中用户不能改动数据，不方便可重复擦写的可重复擦写的UVEPROM（EPROM），擦除超慢），擦除超慢7.2 ROM的小结：的小结：一次性写入的一次性写入的PROM，不能重复擦

13、写。，不能重复擦写。存储容量的计算存储容量的计算若地址线有若地址线有n条（位），则条（位），则存储单元数（即字数）存储单元数（即字数）2n若数据线有若数据线有m条（位），则位数条（位），则位数m快闪存储器特点快闪存储器特点慢速慢速擦除擦除可重复擦写的可重复擦写的EEPROM，擦写需要高电压脉冲擦写需要高电压脉冲16第三节第三节 随机存储器（随机存储器（RAM）一、静态随机存储器一、静态随机存储器SRAM 特点：特点：RAM在工作时在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作。可随时对任意指定单元进行读或写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息

14、就会丢失。动态随机存储器动态随机存储器DRAM（一）（一）RAM的结构的结构1.存储矩阵存储矩阵2.地址译码：双译码。地址译码：双译码。3.读写控制电路：读写控制电路：六管单元六管单元片选信号片选信号CS：控制控制I/O端是否处在高阻状态。端是否处在高阻状态。读写控制信号读写控制信号R/ W：控制电路处于控制电路处于读出读出还是还是写入写入状态。状态。静态随机存储器静态随机存储器SRAM(也可称为读写存储器也可称为读写存储器)171024字字4位（位（2114）SRAM结构结构18（二）静态（二）静态RAM的存储单元的存储单元1.六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元2.六管六管CMOS静态

15、存储单元静态存储单元3.双极型静态存储单元双极型静态存储单元 利用利用MOS管管栅极电容栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极存储单元简单，存储容量大。但栅极电容电容很小，由于漏电的很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电刷刷新新、再生再生。这就需要外围电路配合。这就需要外围电路配合。*二、动态随机存储器二、动态随机存储器DRAM19第四节第四节 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位扩展方式一、位扩展方式 方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和方法：所有输

16、入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列。读写信号）。输出并列。N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位位RAM.CSCSCS20二、字扩展方式二、字扩展方式例：用例：用256字字8位位RAM组成组成1024字字8位存储器。位存储器。需要片数需要片数N4N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量特点：必须使用译码器。特点：必须使用译码器。各片地址分配情况：各片地址分配情况：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H字扩展图字扩展图当要求字和

17、位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。当要求字和位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。21字扩展字扩展方法：片内地址信号并联；多余地址端方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；通过译码器接至各片的片选端；I/O同同名端并联。名端并联。并联并联并联并联译译码码器器CSCSCSCS22 三三 位与字同时扩展位与字同时扩展： 例：例： 用用2114芯片（芯片（10244位）扩展成位）扩展成20488位的存储系统位的存储系统 解：需要解：需要4片，先进行位扩展，然后进行字扩展，如下图。片，先进行位扩展，然后进行字扩展，如下图。CSCSCSCS23例：某

18、系统的内存储器容量为例：某系统的内存储器容量为64K16位，存储器芯位，存储器芯片采用片采用62256（32K8位的位的SRAM），画出存储器的），画出存储器的扩展接线草图扩展接线草图 解：需要解：需要4片，可先进行字扩展，然后进行位字扩展，如下图。片，可先进行字扩展，然后进行位字扩展，如下图。24第五节第五节 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数 ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。的，因此可以用来实现组合逻辑函数。25第五节第五节 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数2627不可编程不可编程打点处有二极管打点处有二极管ROM的简化表示方法。的简化表示方法。28 也可以简画为下图29第五节第五节 用存储器