第9章半导体存储器

1、 半导体存储器半导体存储器概述概述第第 9 章章半导体存储器半导体存储器 本章小结本章小结随机存取存储器随机存取存储器( (RAM) ) 只读存储器只读存储器( (ROM) ) 半导体存储器半导体存储器9.1概述概述 主要要求：主要要求： 了解半导体存储器的了解半导体存储器的作用、类型与特点作用、类型与特点。 半导体存储器半导体存储器例如计算机中的自检程序、初例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在始化程序便是固化在 ROM 中的。中的。计算机接通电源后，首先运行它，计算机接通电源后，首先运行它，对计算机硬件系统进行自检和初始对计算机硬件系统进行自检和初始化，自检通过后，装入操作系统，化，

2、自检通过后，装入操作系统，计算机才能正常工作。计算机才能正常工作。二、二、半导体存储器的类型与特点半导体存储器的类型与特点 只读存储器只读存储器( (ROM，即即Read- -Only Memory) )随机存取存储器随机存取存储器( (RAM，即即Random Access Memory) ) RAM 既能读出既能读出信息信息又能又能写入写入信息。信息。它用于存放需经它用于存放需经常改变的信息，常改变的信息，断电后其数断电后其数据将丢失据将丢失。常用于存放临时。常用于存放临时性数据或中间结果。性数据或中间结果。例如例如 计算机内存就是计算机内存就是 RAM ROM 在工作时在工作时只能读出只

3、能读出信息而不能写入信息。信息而不能写入信息。它用于它用于存放固定不变的信息，存放固定不变的信息，断电后断电后其数据不会丢失其数据不会丢失。常用于存放。常用于存放程序、常数、表格等。程序、常数、表格等。 一、一、半导体存储器的作用半导体存储器的作用 存放二值数据存放二值数据 半导体存储器半导体存储器主要要求：主要要求： 了解了解 ROM 的类型和结构，理解其工作原理。的类型和结构，理解其工作原理。 了解集成了解集成 EPROM 的使用。的使用。 理解理解字、位、存储容量字、位、存储容量等概念。等概念。 9.2只读存储器只读存储器 半导体存储器半导体存储器按按数数据据写写入入方方式式不不同同分分

4、掩模掩模 ROM 可编程可编程 ROM( (Programmable ROM，简称，简称 PROM) ) 可擦除可擦除 PROM( (Erasable PROM，简称，简称 EPROM) ) 电可擦除电可擦除 EPROM( (Electrically EPROM，简称，简称 E2PROM) ) 一、一、ROM 的类型及其特点的类型及其特点 写入的数据可电擦除，用户可以写入的数据可电擦除，用户可以多次改写存储的数据。使用方便。多次改写存储的数据。使用方便。 其存储数据在制造时确定，用其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。户不能改变。用于批量大的产品。 其存储数据其存储数据由用户

5、写入。但由用户写入。但只能写一次。只能写一次。 写入的数据可用紫外线擦除，写入的数据可用紫外线擦除，用户可以多次改写存储的数据。用户可以多次改写存储的数据。 半导体存储器半导体存储器二、二、ROM 的结构和工作原理的结构和工作原理 4 4 二极管二极管 ROM 的结构和工作原理动画演示的结构和工作原理动画演示 ( (一一) ) 存储矩阵存储矩阵 由存储单元按字由存储单元按字 ( (Word) )和位和位( (Bit) )构成的距阵构成的距阵 由存储距阵、地址译码器由存储距阵、地址译码器( (和读出电路和读出电路) )组成组成 半导体存储器半导体存储器4 4 存储矩阵结构示意图存储矩阵结构示意图

6、 W3W2W1W0D3D2D1D0字字线线位线位线字线与位线的交叉字线与位线的交叉点即为点即为存储单元存储单元。 每个存储单元可以每个存储单元可以存储存储 1 位二进制数。位二进制数。 交叉处的圆点交叉处的圆点 “ ”表示存储表示存储 “1”；交叉处；交叉处无圆点表示存储无圆点表示存储 “0”。 当某字线被选中时，当某字线被选中时，相应存储单元数据从位相应存储单元数据从位线线 D3 D0 输出。输出。单击鼠标请看演示单击鼠标请看演示 10 1 110 1 1从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长字中含有的存储单元

7、数称为字长，即字长 = 位数。位数。 W31. 存储矩阵的结构与工作原理存储矩阵的结构与工作原理 半导体存储器半导体存储器2. 存储容量及其表示存储容量及其表示用用“M”表示表示“1024 K”，即，即 1 M = 1024 K = 210 K = 220 。2. 存储容量及其表示存储容量及其表示 指存储器中存储单元的数量指存储器中存储单元的数量 例如，一个例如，一个 32 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 32 个字，个字， 字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 32 8 = 256。 对于大容量的对于大容量的 ROM常用常用“K”表示表示“1024”，即，即 1 K = 10

8、24 = 210 ；例如，一个例如，一个 64 K 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 64 K 个字，个字， 字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 64 K 8 = 512 K。 一般用一般用“字数字数 字长字长( (即位数即位数)”)”表示表示 半导体存储器半导体存储器3. 存储单元结构存储单元结构3. 存储单元结构存储单元结构 ( (1) ) 固定固定 ROM 的存储单元结构的存储单元结构 二极管二极管 ROM TTL - - ROM MOS - - ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj +VDD 1接半导体管后成为储接半导体管后成为储 1 单元；单元；若不接半

9、导体管，则为储若不接半导体管，则为储 0 单元。单元。 半导体存储器半导体存储器( (2) ) PROM 的存储单元结构的存储单元结构 PROM 出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为全全 1( (或全或全 0) ) 。用户可借助编程工具将某些单元改写为。用户可借助编程工具将某些单元改写为 0 ( (或或 1) ) ,这只要将需储这只要将需储 0( (或或 1) )单元的熔丝烧断即可。单元的熔丝烧断即可。 熔丝烧断后不可恢复，因此熔丝烧断后不可恢复，因此 PROM 只能一次编程。只能一次编程。 二极管二极管 ROM TTL - - ROM MOS -

10、- ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj +VDD 1熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝 半导体存储器半导体存储器( (3) ) 可擦除可擦除 PROM 的存储单元结构的存储单元结构 EPROM 利用编程器写入数据，用紫外线擦除数据。利用编程器写入数据，用紫外线擦除数据。其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。破坏芯片内信息。E2PROM 可以电擦除数据，并且能擦除与写入一次可以电擦除数据，并且能擦除与写入一次完成，性能更优

11、越。完成，性能更优越。 用一个特殊的浮栅用一个特殊的浮栅 MOS 管替代熔丝。管替代熔丝。 半导体存储器半导体存储器刚才介绍了刚才介绍了ROM中的存储距阵，中的存储距阵，下面将学习下面将学习ROM中的地址译码器。中的地址译码器。( (二二) )地址译码器地址译码器 ( (二二) ) 地址译码器地址译码器从从 ROM 中读出哪个字由地址码决定。地址中读出哪个字由地址码决定。地址译码器的作用是：根据输入地址码选中相应的字译码器的作用是：根据输入地址码选中相应的字线，使该字内容通过位线输出。线，使该字内容通过位线输出。 例如，某例如，某 ROM 有有 4 位地址码，则可选择位地址码，则可选择 24

12、= 16 个字。个字。 设输入地址码为设输入地址码为 1010，则字线，则字线 W10 被选中，该被选中，该 字内容通过位线输出。字内容通过位线输出。存储矩阵中存储矩阵中存储单元的存储单元的编址方式编址方式单译码编址方式单译码编址方式双译码编址方式双译码编址方式适用于小适用于小容量存储器。容量存储器。适用于大适用于大容量存储器。容量存储器。 半导体存储器半导体存储器 又称单译码编址方式或单地址寻址方式又称单译码编址方式或单地址寻址方式D1D7地地址址译译码码器器0, 01, 031,031,10, 11, 1A0A1A431,70, 71, 7W0W1W31D0单地址译码方式单地址译码方式 3

13、2 8 存储器的结构图存储器的结构图1. 单地址译码方式单地址译码方式一个一个 n 位地址码的位地址码的 ROM 有有 2n 个字，对应个字，对应 2n 根字线，根字线，选中字线选中字线 Wi 就选中了该字的所有位。就选中了该字的所有位。 32 8 存储矩阵排成存储矩阵排成 32 行行 8 列，每一行对应一个字，每一列，每一行对应一个字，每一列对应列对应 32 个字的同一位。个字的同一位。32 个字需要个字需要 5 根地址输入线。当根地址输入线。当 A4 A0 给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。例如，当例如，当 A4 A0 =

14、00000 时，选中字线时，选中字线 W0，可将，可将 (0，0) (0，7) 这这 8 个基本存储单元的内容同时读出。个基本存储单元的内容同时读出。 基本单元为基本单元为 存储单元存储单元 半导体存储器半导体存储器A5A7行行地地址址译译码码器器W0W1W15W31W16W17A0A1A3W255W240W241X0X1X15A4双地址译码方式双地址译码方式 256 字存储器的结构图字存储器的结构图A2列列地地址址译译码码器器A6Y1Y15Y0又称双译码编址方式或双地址寻址方式又称双译码编址方式或双地址寻址方式地址码分成行地址码和列地址码两组地址码分成行地址码和列地址码两组2. 双地址译码方

15、式双地址译码方式基本单元基本单元为字单元为字单元例如例如 当当 A7 A0 = 00001111 时，时，X15 和和 Y0 地址线均地址线均 为高电平，字为高电平，字W15 被选中，其存储内容被读出。被选中，其存储内容被读出。若采用单地址译码方式，则需若采用单地址译码方式，则需 256 根内部地址线。根内部地址线。256 字存储器需要字存储器需要 8 根地址线，分为根地址线，分为 A7 A4 和和 A3 A0 两两组。组。A3 A0 送入行地址译码器，产生送入行地址译码器，产生 16 根行地址线根行地址线 ( Xi ) ； A7 A4 送入列地址译码器，产生送入列地址译码器，产生 16 根列

16、地址线根列地址线 ( Yi ) 。存储矩。存储矩阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。 半导体存储器半导体存储器三、集成三、集成 EPROM 举例举例 27 系列系列 EPROM 是最常用的是最常用的 EPROM，型，型号从号从 2716、2732、2764 一直到一直到 27C040。存储容。存储容量分别为量分别为 2K 8、4K 8一直到一直到 512K 8。下面。下面以以 Intel 2716 为例，介绍其功能及使用方法。为例，介绍其功能及使用方法。 半导体存储器半导体存储器VCCIntel 2716A8A9VPPOEA10CSD

17、7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413 A10 A0 为地址码输入端。为地址码输入端。D7 D0 为数据线，工作时为为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据数据输出端，编程时为写入数据输入端。输入端。VCC 和和 GND：+5 V 工作电源工作电源和地。和地。VPP 为编程高电平输入端。编程时加为编程高电平输入端。编程时加 +25 V 电压，工作时加电压，工作时加 +5 V 电压。电压。 ( (一一) ) 引脚图及其功能引脚图及其功能 CS 有两种功能：有两种功能： ( (1) )

18、工作时为片选使能端，低电工作时为片选使能端，低电 平有效。平有效。CS = 0 时，芯片被时，芯片被 选中，处于工作状态。选中，处于工作状态。 ( (2) )编程时为编程脉冲输入端。编程时为编程脉冲输入端。OE 为允许数据输出端，低电为允许数据输出端，低电平有效。平有效。OE = 0 时，允许读出数时，允许读出数据；据；OE = 1 时，不能读出数据。时，不能读出数据。存储容量为存储容量为 2 K 字字 半导体存储器半导体存储器 ( (二二) )由由 CS、OE 和和 VPP 的不同状态，确定的不同状态，确定 2716 的下列的下列 5 种工作方式种工作方式 ( (1) )读方式：读方式： 当

19、当 CS = 0、OE = 0，并有地址码输入时，并有地址码输入时， 从从 D7 D0 读出读出该地址单元的数据。该地址单元的数据。( (2) )维持方式：当维持方式：当 CS = 1 时，数据输出端时，数据输出端 D7 D0 呈高阻呈高阻 隔离态隔离态，此时芯片处于维持状态，电源电，此时芯片处于维持状态，电源电 流下降到维持电流流下降到维持电流 27 mA 以下。以下。 半导体存储器半导体存储器( (3) )编程方式：编程方式：OE = 1，在，在 VPP 加入加入 25 V 编程电压，在地址编程电压，在地址 线上输入单元地址，数据线上输入要写入的线上输入单元地址，数据线上输入要写入的 数据

20、后，在数据后，在 CS 端送入端送入 50 ms 宽的编程正脉宽的编程正脉 冲冲， 数据就被写入到由地址码确定的存储单数据就被写入到由地址码确定的存储单 元中。元中。( (4) ) 编程禁止：编程禁止： 在编程方式下，如果在编程方式下，如果 CS 端不送入编程正脉端不送入编程正脉 冲，冲，而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编程禁止方式，数据端为高阻隔离态。程禁止方式，数据端为高阻隔离态。( (5) ) 编程检验：编程检验： 当当 VPP = +25 V，CS 和和 OE 均为有效电平时，均为有效电平时， 送入地址码，可以读出相应存储单元中的送入地址码

21、，可以读出相应存储单元中的 数据，以便检验。数据，以便检验。 半导体存储器半导体存储器 下面将根据二极管下面将根据二极管 ROM 的的 结构图加以说明结构图加以说明 ( (已编程二极管已编程二极管 PROM 的的 结构与之同理结构与之同理) ) ： 四、用四、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数1. 为什么为什么用用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？ D3D2D1D044 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地址址译译码码器器A1A0地地址址码码输输入入3103210211010100WAAmWA AmWAAmWA Am 字字 线线 信信 号号位线输出信号位线输出

22、信号D3D2D1D04 4 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地址址译译码码器器A1A0地地址址码码输输入入3103210211010100WAAmWA AmWAAmWA Am 字字 线线 信信 号号位线输出信号位线输出信号 地址译码器地址译码器能译出地址码的全部最小项能译出地址码的全部最小项图中图中 当当 A1 A0 = 11 时，只有时，只有 W3 =1 ，而，而 W0、W1、W2 = 0， 即译出最小项即译出最小项 m3 ； 当当 A1 A0 = 10 时，只有时，只有 W2 =1 ，而，而 W0、W1、W3 = 0， 即译出最小项即译出最小项 m2 ； 其余类推。其余类推。存储矩阵

23、构成或门阵列存储矩阵构成或门阵列图中图中 D3 = m3 + m2 +m0 D2 = m2 + m1 D1 = m3 + m0 D0 = m3 + m2 由于由于 PROM 的地址译码器能译出地址码的的地址译码器能译出地址码的全部最小项，全部最小项， 而而PROM 的存储矩阵构成了可编的存储矩阵构成了可编程或门阵列，因此，通过编程可从程或门阵列，因此，通过编程可从 PROM 的位的位线输出端得到任意标准与线输出端得到任意标准与 - - 或式。由于所有组或式。由于所有组合逻辑函数均可用标准与合逻辑函数均可用标准与 - - 或式表示，故理论或式表示，故理论上可用上可用 PROM 实现任意组合逻辑函

24、数。实现任意组合逻辑函数。 1. 为什么为什么用用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？ 五、用五、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 半导体存储器半导体存储器 为了便于用为了便于用 PROM 实现组合逻辑函数，实现组合逻辑函数，首先需要理解首先需要理解 PROM 结构的习惯画法。结构的习惯画法。2. PROM 结构的习惯画法结构的习惯画法AB与与门门和和或或门门的的习习惯惯画画法法CY&ABCY1ABCY&ABCY1 半导体存储器半导体存储器A1A0地址译码器地址译码器( (为与阵列为与阵列) )D3D2D1D0W3W2W1W0&A1 A0

25、= m3A1 A0 = m2A1 A0 = m1A1 A0 = m01存储矩阵存储矩阵( (为或阵列为或阵列) )1&A1地址译码器地址译码器( (为与阵列为与阵列) )W3W2W1W0D3 = m3 + m2 + m0D3 = m2 + m1D3 = m3 + m0D3 = m3 + m2 &1&1A0 m3 m2 m1 m01111存储矩阵存储矩阵( (为或阵列为或阵列) )PROM 结构的习惯画法结构的习惯画法 半导体存储器半导体存储器3. 怎样用怎样用 PROM 实现组合逻辑函数？实现组合逻辑函数？ 例例 试用试用 PROM 实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数 B

26、CACABYCBCAY21解：解：( (1) ) 将函数化为标准与将函数化为标准与 - - 或式或式 )7 , 6 , 5 , 3()6 , 5 , 4 , 1(21mYmY( (2) ) 确定存储单元内容确定存储单元内容由函数由函数 Y1、Y2 的标准与的标准与 - - 或式知：或式知： 与与 Y1 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W1、W4、W5、W6 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1；对应对应 m1、m4、m5、m6与与 Y2 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W3、W5、W6、W7 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1。 半导体存储器半导体存储器(

27、 (3) ) 画出用画出用 PROM 实现的逻辑图实现的逻辑图A11B1C1&1m0m1m2m3m4m5m6m7地地址址译译码码器器Y1Y2 半导体存储器半导体存储器主要要求：主要要求： 了解了解 RAM 的类型、结构和工作原理。的类型、结构和工作原理。 了解集成了解集成 RAM 的使用。的使用。 了解了解 RAM 和和 ROM 的异同的异同。 9.3 随机存取存储器随机存取存储器 了解了解 RAM 的扩展方法。的扩展方法。 半导体存储器半导体存储器一、一、RAM 的结构、类型和工作原理的结构、类型和工作原理 地地址址译译码码器器存储矩阵存储矩阵读读/ 写控制电路写控制电路2n m R

28、AM 的结构图的结构图 A0A0An-1I/O0I/O1I/Om-1R/WCS 半导体存储器半导体存储器RAM 与与 ROM 的比较的比较 相相同同处处 都含有地址译码器和存储矩阵都含有地址译码器和存储矩阵 寻址原理相同寻址原理相同 相相异异处处 ROM 的存储矩阵是或阵列，的存储矩阵是或阵列，是组合逻辑电路是组合逻辑电路。 ROM 工作时工作时只能读出不能写入。掉电后数据只能读出不能写入。掉电后数据 不会丢失不会丢失。 RAM 的存储矩阵由触发器或动态存储单元构的存储矩阵由触发器或动态存储单元构 成，成， 是时序逻辑电路是时序逻辑电路。RAM 工作时工作时能读出，能读出， 也能写入也能写入。

29、读或写由读。读或写由读 / 写控制电路进行控制。写控制电路进行控制。 RAM 掉电后数据将丢失掉电后数据将丢失。 半导体存储器半导体存储器RAM 分类分类静态静态 RAM( (即即 Static RAM，简称，简称 SRAM) )动态动态 RAM( (即即 Dynamic RAM，简称，简称 DRAM) )DRAM 存储单元结构简单，集成度高，存储单元结构简单，集成度高，价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较慢，且需要慢，且需要刷新刷新及读出放大器等外围电路。及读出放大器等外围电路。 DRAM 的存储单元是利用的存储单元是利用 MOS 管具有极高的输入电阻

30、，管具有极高的输入电阻，在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。SRAM 存储单元结构较复存储单元结构较复杂，集成度较低，但速度快。杂，集成度较低，但速度快。 半导体存储器半导体存储器二、集成二、集成 RAM 举例举例 A0 A9 为地址码输入端。为地址码输入端。4 个个 I/O 脚为双向数据线，用脚为双向数据线，用于读出或写入数据。于读出或写入数据。VDD 接接 +5 V。R/W 为读为读/写控制端。当写控制端。当 R/W

31、 = 1 时，从时，从 I/O 线读出数据；当线读出数据；当 R/W = 0 时，将从时，将从 I/O 线输入的数线输入的数据写入据写入RAM。VDDIntel 2114A7A8A9I/OI/OI/OI/OR/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND1234567891817161514131211101 K 4 位位 SRAM Intel 2114 引脚图引脚图信号与信号与 TTL 电平兼容。电平兼容。CS 为片选控制端，低电平有为片选控制端，低电平有效。效。CS = 1 时，读时，读/写控制电路处写控制电路处于禁止状态，不能对芯片进行读于禁止状态，不能对芯片进行读/写操作。当写操作。当 C

32、S = 0 时，允许芯片时，允许芯片读读/写操作。写操作。存储矩阵有存储矩阵有 1 K 个字，每个字个字，每个字 4 位。位。1K = 1024 = 210，故需，故需 10 根地址输入线。根地址输入线。 半导体存储器半导体存储器三、三、RAM 的扩展的扩展 RAM的扩展动画演示的扩展动画演示 半导体存储器半导体存储器半导体存储器由许多存储单元组成，每个存半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存储一位二进制数储单元可存储一位二进制数 。根据存取功能。根据存取功能的不同，的不同，半导体存储器分为只读存储器半导体存储器分为只读存储器( (ROM) )和随机存取存储器和随机存取存储器( (RAM) )，两者的存，两者的存储单元结构不同。储单元结构不同。ROM 属于大规模组合逻辑属于大规模组合逻辑电路，电路，RAM 属于大规模时序逻辑电路属