第七章半导体存储器

1、第七章半导体存储器存储器存储器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）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM）也叫做读）也叫做读/写存储器。既能方便地读出所存数据，又能随时写存储器。既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。写入新的数据。RAM的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。（2）只读存储器（）只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。）。其内容只能读出不能写入。 存储

2、的数据不会因断电而消失，存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。即具有非易失性。存储器的容量：存储器的容量存储器的容量：存储器的容量=字长（字长（n）字数（字数（m）存储器的基本概念存储器的基本概念一一 RAM的基本结构的基本结构 由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、输出控制、片选控制等几部分组成。片选控制等几部分组成。7.1 随机存取存储器随机存取存储器（RAM）存存储储矩矩阵阵读读 / /写写控控 制制 器器地地址址译译码码器器地地址址码码输输片片 选选读读 / /写写 控控 制制输输 入入 / /输输 出出 1. 存储矩阵存储矩

3、阵图中，图中，1024个字排个字排列成列成3232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 2 行 编 号 为行 编 号 为 X0、X1、X31，3 2 列 编 号 为列 编 号 为 Y0、Y1、Y31。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 址 输 入地址输入56789DD数据线.2AA3A01A4A2地址译码器地址译码器将寄将寄存

4、器地址对应的二进制存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中和列选信号，从而选中该存储单元。该存储单元。 例如，输入地址码例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线，则行选线 X11、列选线、列选线Y01，选中第，选中第X1行第行第Y0列的那个存储单元。列的那个存储单元。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 址 输 入地址输入56789DD数据线.2AA3A01A4A采用双译码结构。

5、采用双译码结构。 行地址译码器：行地址译码器：5输入输入32输出，输入为输出，输入为A0、A1 、A4， 输出为输出为X0、X1、X31； 列地址译码器：列地址译码器：5输入输入32输出，输入为输出，输入为A5、A6 、A9，输出为，输出为Y0、Y1、Y31， 这样共有这样共有10条地址线。条地址线。VV8T7T6T5TT线4位据（列选择线）D3线1TiY（行选择线）jB数TXTD DG2D线位B数线据3 RAM的存储单元的存储单元例：例： 六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元存储存储单元单元（1）写入过程：）写入过程： 例如写入例如写入“1 1”（2）读出过程：）读出过程： 例如例如 读

6、出读出“1 1”T1、T2为为NMOS非门，非门，T3、T4也为也为NMOS非门，非门，两个非门交叉连接组成两个非门交叉连接组成基本触发器存储数据。基本触发器存储数据。T5、T6为门控管。为门控管。T7、T8是每一列共用的门控管。是每一列共用的门控管。1100010110&GGGCSR/W3451GDDI/OG2 4. 片选及输入片选及输入/输出控制电路输出控制电路 当选片信号当选片信号CS1时，时，G5、G4输出为输出为0，三态门，三态门G1、G2、G3均处于高阻均处于高阻状态，状态，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作。写

7、操作，即不工作。当当CS0时，芯片被选通：当时，芯片被选通：当R/W1时，时，G5输出高电平，输出高电平，G3被打开，被选中的单元所存储的数据出现在被打开，被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，端，存储器执行读操作；存储器执行读操作；当当R/W 0时，时，G4输出高电平，输出高电平，G1、G2被打开，此时加在被打开，此时加在I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。储器执行写操作。 二二. RAM的工作时序（以写入过程为例）的工作时序（以写入过程为例）tW C写入单元的地址ADDtW PCSR/WI/O写入数据A StW RtD

8、 WtD Ht写入操作过程如下：写入操作过程如下：（1）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；（2）加入有效的选片信号）加入有效的选片信号CS；（3）将待写入的数据加到数据输入端。）将待写入的数据加到数据输入端。（3）在）在R/W 线上加低电平，进入写工作状态；线上加低电平，进入写工作状态；（4）让选片信号）让选片信号CS无效，无效，I/O端呈高阻态。端呈高阻态。三三 RAM的容量扩展的容量扩展1位扩展位扩展用用8片片1024（1K）1位位RAM构成的构成的10248位位RAM系统。系统。10241RA MA AAR/W CS01.I/OI/O.10

9、241RA MA AAR/W CS01.I/OI/O10241RA MA AAR/W CS019.I/OI/O.AA01017999ACSR/W2字扩展字扩展.ACYYGG0BG17.Y174LS138+5VA122A2B10248R A MA AAR/W CS01.I/O.10248R A MA AAR/W CS01.I/O10248R A MA AAR/W CS019.I/OAA01R/W017999A0I/O0I/O0I/OI/O1I/O1I/O17I/O7I/O7I/O.A11A10例：用例：用8片片1K8位位RAM构成的构成的8K8位位RAM。四、四、RAM芯片简介芯片简介(6116

10、)(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A0A10是地址码输入端，是地址码输入端，D0D7是数据输出端，是数据输出

11、端， CS是选片端，是选片端，OE是输出使能端，是输出使能端， WE是读写控制端。是读写控制端。（2）一次性可编程）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为）。出厂时，存储内容全为1（或全（或全为为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。7.2 只读存储器只读存储器(ROM) 一一 ROM的分类的分类按照数据写入方式特点不同，按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：可分为以下几种：（1）固定）固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。（3）光可擦除可编程）光可

12、擦除可编程ROM（EPROM）。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被）。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被擦除，可多次编程。擦除，可多次编程。（5）快闪存储器（）快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型）。也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与据写入方式与EPROM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100万次以上。万次以上。（4）电可擦除可编程）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术生产的可编程）。也是采用浮栅

13、技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是，但是构成其存储单元的是隧道隧道MOS管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就的电擦除过程就是改写过程，它具有是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写的功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以万次以上）。上）。二二ROM的结构及工作原理的结构及工作原理输1AA器.地入址译0n 1地码址A.i单元n2 1b 1.1D.WWi0单元Dn.1位位线线.2 1输输出出数数据据DW.001单

14、元单元W存存储储单单元元字字线线1.ROM的内部结构的内部结构由地址译码器和存储矩阵组成。由地址译码器和存储矩阵组成。2. ROM的基本的基本工作原理：工作原理：由地址译码器由地址译码器和或门存储矩阵组成。和或门存储矩阵组成。例 ： 存 储 容 量 为例 ： 存 储 容 量 为 4 4 的的ROMROM真值表真值表A0AW0W3W2W11地地址址译译码码器器D32DD1110D11地地 址址存存 储储 内内 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0二极管固定二极管固定ROM举例举例（1）电路组成：）电路组成：. .

15、ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线WWW0123字线与门阵列（译码器）EN.1A（编码器）.或0.1.A1.阵1CC门.1WV列.由二极管与门和由二极管与门和或门构成。或门构成。与门阵列组成与门阵列组成译码器，或门译码器，或门阵列构成存储阵列构成存储阵列。阵列。（2）输出信号表达式）输出信号表达式与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD 3211WWWD 3202WWWD 313WWD . .ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线W

16、WW0123字线与门阵列（译码器）EN.1A（编码器）.或0.1.A1.阵1CC门.1WV列.（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：200WWD 3211WWWD 3202WWWD 313WWD 地地 址址存存 储储 内内 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 01.作函数运算表电路作函数运算表电路【例例7.21】试用试用ROM构成能实现函数构成能实现函数y=x2的运算表电路

17、，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。三三 ROM的应用的应用 【解解】 （1）分析要求、设定变量）分析要求、设定变量 自变量自变量x的取值范围为的取值范围为015的正整数，对应的的正整数，对应的4位二进制正整数，用位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。表示。根 据根 据 y=x2的 运 算 关 系 ， 可 求 出的 运 算 关 系 ， 可 求 出 y的 最 大 值 是的 最 大 值 是 152 225， 可 以 用， 可 以 用 8位 二 进 制 数位 二 进 制 数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表）列真值表0 0 0 0 0

18、 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 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 0 1 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

19、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 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 入入例例7.21真值表真值表Y7=m12+m13+m14+m15（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)画画ROM存

20、储矩阵结点连接图存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示。矩阵中的二极管用节点表示。Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15B13B12B11B10m0W0)()(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Y76YY5Y4Y3Y2Y10Y【解解】 （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、Y4扩展成为四变量逻辑函数。扩展成为四变量逻辑函数

21、。2.实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数【例例7.22】试用试用ROM实现下列函数：实现下列函数：ABCCBACBACBAY 1CABCY 2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY 3BCDACDABDABCY 4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY（2）选用）选用164位位ROM，画存储矩阵连线图：，画存储矩阵连线图：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

22、矩矩列列（阵阵W8C CD DA AB B四四EPROM举例举例2764VVppccCEPGMAADD12007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 据例：用例：用8片片2764扩展成扩展成64k8位的位的EPROM：（2）字数扩展（地址码扩展）字数扩展（地址码扩展）. .AAOO OCSOE00127OE0AA12DD70O.0.120A7OOEACSOO.0.120A7OOEACSO.AAYYGG00A12G17.Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址总线数据总线本章小节本章小节2 2RAMRAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有器。它包含有SRAMSRAM和和DRAMDRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠两