数字电子技术_半导体存储器

1、2022-5-911 .存储器容量的扩展2EPROM的应用2022-5-92本章内容：本章内容：随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM和只读存储器和只读存储器ROMROM的结构、的结构、工作原理及存储器工作原理及存储器容量扩展容量扩展的方法；的方法； 2022-5-93数字系统中用于存储大量二进制信息的器件是数字系统中用于存储大量二进制信息的器件是存储器。存储器。穿孔卡片穿孔卡片纸带纸带磁芯存储器磁芯存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等。低、存取速度快、使用寿命长等。半导体存储器按照内部信息

2、的存取方式不同分半导体存储器按照内部信息的存取方式不同分为两大类：为两大类：1 1、只读存储器、只读存储器ROMROM。用于存放永久性的、不变。用于存放永久性的、不变的数据。的数据。2 2、随机存取存储器、随机存取存储器RAMRAM。用于存放一些临时性。用于存放一些临时性的数据或中间结果，需要经常改变存储内容。的数据或中间结果，需要经常改变存储内容。2022-5-94随机存取存储器又叫随机读随机存取存储器又叫随机读/ /写存储器，简称写存储器，简称RAMRAM，指的是可以从任意选定的单元读出数据，或，指的是可以从任意选定的单元读出数据，或将数据写入任意选定的存储单元。将数据写入任意选定的存储单

3、元。优点：读写方便，使用灵活。优点：读写方便，使用灵活。缺点：掉电丢失信息。缺点：掉电丢失信息。 分类：分类： SRAM SRAM （静态随机存取存储器）（静态随机存取存储器） DRAM DRAM （动态随机存取存储器）（动态随机存取存储器）2022-5-951. RAM1. RAM的结构和读写原理的结构和读写原理 （1 1）RAM RAM 的结构框图的结构框图图8-1 RAM 的结构框图I/O端画双箭是因为数据即可由此端口读出，也可写入2022-5-96 存储矩阵存储矩阵 共有共有28（256）行）行24（16）列共）列共212（4096）个信息单元（即字）个信息单元（即字） 每个信息单元有

4、每个信息单元有k位二进制数（位二进制数（1或或0） 存储器中存储单元的数量称为存储器中存储单元的数量称为存储容量存储容量（字（字数数位数位数k）。）。 2022-5-97 地址译码器地址译码器 行行地址译码器：输入地址译码器：输入8位行地址码，输出位行地址码，输出256条行条行选择线（用选择线（用x表示）表示） 列列地址译码器：输入地址译码器：输入4位列地址码，输出位列地址码，输出16条列条列选择线（用选择线（用Y表示）表示）2022-5-98 当当R/W =0时，进行时，进行数据操作。数据操作。 当当R/W =1时，进行时，进行数据操作。数据操作。 2022-5-99图图9-2 RAM存储矩

5、阵的示意图存储矩阵的示意图 2564（256个字，每个字4位）RAM存储矩阵的示意图。如果X0Y01，则选中第一个信息单元的4个存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。 2022-5-910 当当CS=时，时，RAM被选中工作。被选中工作。 若若 A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000 表示选中列地址为表示选中列地址为A11A10A9A8=0000、行地址为、行地址为A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存储单元。的存储单元。 此时只有此时只有X0和和Y0为有效，则选中第一个信息单为有效，则选中第一个信息单元的元的k个存储单元，可以对

6、这个存储单元，可以对这k个存储单元进行读出个存储单元进行读出或写入。或写入。 2022-5-911若此时若此时R/W=0时，进行时，进行入数据操作。入数据操作。 当当CS=1时，不能对时，不能对RAM进行读写操作，所有端进行读写操作，所有端均为均为。 2022-5-912 （3）RAM的存储单元按工作原理分为：的存储单元按工作原理分为： 静态存储单元静态存储单元：利用基本：利用基本RS触发器存储信息。触发器存储信息。保存的信息不易丢失。保存的信息不易丢失。 动态存储单元动态存储单元：利用：利用MOS的栅极电容来存储信的栅极电容来存储信息。由于电容的容量很小，以及漏电流的存在，为息。由于电容的容

7、量很小，以及漏电流的存在，为了保持信息，必须定时给电容充电，通常称为了保持信息，必须定时给电容充电，通常称为刷新刷新。 2022-5-913 采用采用CMOS工艺制成，工艺制成，存储容量为存储容量为8K8位，典型位，典型存取时间为存取时间为100ns、电源电压、电源电压5V、工作电流、工作电流40mA、维、维持电压为持电压为2V，维持电流为，维持电流为2A。 8K=213，有，有13条地址线条地址线A0A12； 每字有位，有条数每字有位，有条数据线据线I/O0I/O7； 图8-3 6264引脚图 四条控制线 2022-5-914表9-9- 62646264的工作方式表 2022-5-9151.

8、1. 存储器容量的扩展存储器容量的扩展存储器的容量：字数存储器的容量：字数位数位数 位扩展（即字长扩展）：将多片存储器经适当位扩展（即字长扩展）：将多片存储器经适当的连接，组成位数增多、字数不变的存储器。的连接，组成位数增多、字数不变的存储器。 方法：用同一地址信号控制方法：用同一地址信号控制 n个相同字数的个相同字数的RAM。2022-5-916 例：将例：将2561的的RAM扩展为扩展为 2568的的RAM。 将将8块块2561的的RAM的所有地址线和的所有地址线和CS（片选线）（片选线）分别对应并接在一起，而每一片的位输出作为整个分别对应并接在一起，而每一片的位输出作为整个RAM输出的一

9、位。输出的一位。 2022-5-9172568RAM需2561RAM的芯片数为：812568256一片存储容量总存储容量N图8-10 RAM位扩展 将将2562561 1的的RAMRAM扩展为扩展为2562568 8的的RAMRAM2022-5-918 字扩展字扩展 将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，而位数不变的存储器。而位数不变的存储器。 例：由例：由10248的的 RAM扩展为扩展为40968的的RAMRAM。 共需四片共需四片10248的的 RAM芯片。芯片。 10248的的 RAM有有10根地址输入线根地址输入线A9A0。 40968的的R

10、AM有有12根地址输入线根地址输入线A11A0。选用选用2线线-4线译码器，将输入接高位地址线译码器，将输入接高位地址A11、A10，输出分别控制四片，输出分别控制四片RAM的片选端。的片选端。 2022-5-919 图8-11 RAM字扩展 由10248的 RAM扩展为40968的RAM2022-5-920 (3) 字位扩展字位扩展 例：将例：将10244的的RAM扩展为扩展为20488 RAM。 位扩展需位扩展需2片芯片，字扩展需片芯片，字扩展需2片芯片，共需片芯片，共需4片片芯片。芯片。字扩展只增加一条地址输入线字扩展只增加一条地址输入线A10，可用一反相，可用一反相器便能实现对两片器便

11、能实现对两片RAM片选端的控制。片选端的控制。 字扩展是对存储器输入端口的扩展，字扩展是对存储器输入端口的扩展， 位扩展是对存储器输出端口的扩展。位扩展是对存储器输出端口的扩展。 2022-5-921图9-12 RAM的字位扩展 将10244的RAM扩展为20488 RAM2022-5-9221. 1. 固定固定ROM 只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。ROM组成：地址译码器存储矩阵输出

12、电路图9-4 ROM结构方框图 2022-5-923 地址译码器有地址译码器有n个输入端，有个输入端，有2n个输出信息，每个输出信息，每个输出信息对应一个信息单元，而每个单元存放一个输出信息对应一个信息单元，而每个单元存放一个字，共有个字，共有2n个字（个字（W0、W1、W2n-1称为字线）。称为字线）。 每个字有每个字有m位，每位对应从位，每位对应从D0、D1、Dm-1输输出（称为位线）。出（称为位线）。 存储器的容量是存储器的容量是2nm(字线字线位线位线)。 ROM中的存储体可以由二极管、三极管和中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。管来实现。2022-5-924图9-5 二极

13、管ROM图9-6 字的读出方法 在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由接入或不接入相应的二极管来决定的。 2022-5-925存储存储矩阵矩阵图9-7 44 ROM阵列图 有存储有存储单元单元地址译地址译码器码器图9-5 二极管ROM2022-5-926在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是都是连通的，即每个单元存储的都是1。 用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为内容就变为0，此

14、过程称为编程。，此过程称为编程。 熔丝烧断后不能再接上，故熔丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一只能进行一次编程。次编程。 图9-8 PROM的可编程存储单元2022-5-927 最早出现的是用紫外线照射擦除的最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM。 浮置栅浮置栅MOS管（简称管（简称FAMOS管）的栅极被管）的栅极被SiO2绝缘层隔离，呈浮置状态，故称浮置栅。绝缘层隔离，呈浮置状态，故称浮置栅。 当浮置栅带负电荷时，当浮置栅带负电荷时， FAMOS管处于导通状管处于导通状态，源极漏极可看成短路，所存信息是态，源极漏极可看成短路，所存信息是0。 若浮置栅上不带有电荷，则若浮置栅上不带有电

15、荷，则FAMOS管截止，源管截止，源极漏极间可视为开路，所存信息是极漏极间可视为开路，所存信息是1。 2022-5-928图9- 浮置栅EPROM(a) 浮置栅MOS管的结构 (b) EPROM存储单元带负电-导通-存0不带电-截止-存12022-5-929浮置栅浮置栅EPROMEPROM出厂时，所有存储单元的出厂时，所有存储单元的FAMOSFAMOS管管浮置栅都不带电荷，浮置栅都不带电荷，FAMOSFAMOS管处于截止状态。管处于截止状态。 写入信息时，在对应单元的漏极与衬底之间加写入信息时，在对应单元的漏极与衬底之间加足够高的反向电压，使漏极与衬底之间的足够高的反向电压，使漏极与衬底之间的

16、PNPN结产生结产生击穿，雪崩击穿产生的高能电子堆积在浮置栅上，击穿，雪崩击穿产生的高能电子堆积在浮置栅上，使使FAMOSFAMOS管导通。管导通。当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子没有放电回路能长期保存下来，在的环境温度下，没有放电回路能长期保存下来，在的环境温度下，以上的电荷能保存年以上。以上的电荷能保存年以上。如果用紫外线照射如果用紫外线照射FAMOSFAMOS管分钟，管分钟，浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟道消失，道消失，FAMOSFAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除，管又恢复为截

17、止状态。为便于擦除，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。2022-5-9302EPROM的应用的应用 程序存储器、码制转换、字符发生器、波形发程序存储器、码制转换、字符发生器、波形发生器等。生器等。 例：八种波形发生器电路。例：八种波形发生器电路。 将一个周期的三角波等分为将一个周期的三角波等分为256256份，取得每一点份，取得每一点的函数值并按八位二进制进行编码，产生的函数值并按八位二进制进行编码，产生256256字节的字节的数据。用同样的方法还可得到锯齿波、正弦波、阶数据。用同样的方法还可得到锯齿波、正弦波、阶梯波等不同的八种波形的数据，并将这八组数据共梯

18、波等不同的八种波形的数据，并将这八组数据共20482048个字节写入个字节写入27162716当中。当中。2022-5-931图9-13 八种波形发生器电路图 波形选择开关 256进制计数器 存八种波形的数据 经8位DAC转换成模拟电压。2022-5-932S3 S2 S1波 形A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A00 0 0正弦波000H0FFH0 0 1锯齿波100H1FFH0 1 0三角波200H2FFH1 1 1阶梯波700H7FFH表9-29-2 八种波形及存储器地址空间分配情况 S1、S2和S3：波形选择开关。两个16进制计数器在CP脉冲的作用下，从00

19、HFFH不断作周期性的计数，则相应波形的编码数据便依次出现在数据线D0D7上，经D/A转换后便可在输出端得到相应波形的模拟电压输出波形。 2022-5-933 图9-14 三角波细分图 下面以三角波为例说明其实现方法。下面以三角波为例说明其实现方法。 三角波如图三角波如图9-149-14所示，在图中取所示，在图中取256256个值来代表个值来代表波形的变化情况。波形的变化情况。在水平方向的在水平方向的257257个点顺序取值，按照二进制送个点顺序取值，按照二进制送入入EPROM2716EPROM2716（2K2K8 8位）的地址端位）的地址端A A0 0A A7 7，地址译，地址译码器的输出为

20、码器的输出为256256个（最末一位既是此周期的结束，个（最末一位既是此周期的结束，又是下一周期的开始）。又是下一周期的开始）。由于由于27162716是是8 8位的，所以要将垂直方向的取值位的，所以要将垂直方向的取值转换成转换成8 8位二进制数。位二进制数。2022-5-934表9-3 三角波存储表 将这将这255255个二进制数通过用户编程的方法，写入个二进制数通过用户编程的方法，写入对应的存储单元，如表对应的存储单元，如表8-38-3所示。将所示。将27162716的高三位的高三位地址地址A A1010A A9 9A A8 8取为取为0 0，则该三角波占用的地址空间为，则该三角波占用的地

21、址空间为000H000H0FFH0FFH，共，共256256个。个。 2022-5-9351. 1. EEPROM用电气方法在线擦除和编程的只读存储器。用电气方法在线擦除和编程的只读存储器。 存储单元采用浮栅隧道氧化层存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管。管。写入的数据在常温下至少可以保存十年，擦除写入的数据在常温下至少可以保存十年，擦除/写入次数为万次写入次数为万次 10万次。万次。 2. 2. 快闪存储器快闪存储器Flash Memory 采用与采用与EPROM中的叠栅中的叠栅MOS管相似的结构，管相似的结构，同时保留了同时保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性。用隧道效应擦除的快捷特性

22、。理论上属于理论上属于ROM型存储器；功能上相当于型存储器；功能上相当于RAM。 单片容量已达单片容量已达64MB，并正在开发，并正在开发256MB的快闪的快闪存储器。可重写编程的次数已达存储器。可重写编程的次数已达100万次。万次。 2022-5-936由美国由美国Dallas半导体公司推出，为封装一体化的半导体公司推出，为封装一体化的电池后备供电的静态读写存储器。电池后备供电的静态读写存储器。 它以高容量长寿命锂电池为后备电源，在低功它以高容量长寿命锂电池为后备电源，在低功耗的耗的SRAM芯片上加上可靠的数据保护电路所构成。芯片上加上可靠的数据保护电路所构成。 其性能和使用方法与其性能和使

23、用方法与SRAM一样，在断电情况一样，在断电情况下，所存储的信息可保存下，所存储的信息可保存10年。年。 其缺点主要是体积稍大，价格较高。其缺点主要是体积稍大，价格较高。 此外，还有一种此外，还有一种nvSRAM，不需电池作后备电，不需电池作后备电源，它的非易失性是由其内部机理决定的。源，它的非易失性是由其内部机理决定的。 已越来越多地取代已越来越多地取代EPROM，并广泛应用于通信，并广泛应用于通信设备、办公设备、医疗设备、工业控制等领域。设备、办公设备、医疗设备、工业控制等领域。 3. 3. 非易失性静态读写存储器非易失性静态读写存储器NVSRAM 2022-5-937串行存储器是为适应某些设备对元器件