数字电路与逻辑设计 第6讲

1、第六讲第六讲 半导体存储器半导体存储器 按存储介质分类按存储介质分类 半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器 按存储器的读写功能分类按存储器的读写功能分类 只读存储器（只读存储器（ROM）、随机存储器）、随机存储器(RAM） 按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类 非永久性记忆的存储器、永久性记忆的存储器非永久性记忆的存储器、永久性记忆的存储器 按在微机系统中的作用分类按在微机系统中的作用分类 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器 CPU 高速缓存 主存储器 I/O 控制电路 高速缓存 辅存 磁盘 光盘 磁带 存储

2、系统的多级层次结构存储系统的多级层次结构 随机存储器（随机存储器（Random Access Memory RAM）半导体存储器能存储大量二值信息，是数字半导体存储器能存储大量二值信息，是数字系统不可缺少的部分。系统不可缺少的部分。只读存储器（只读存储器（Read-Only Memory ROM） 按存取特性分：按存取特性分： 按制造工艺分按制造工艺分双极型双极型MOS型型半导体存储器半导体存储器随机存储器随机存储器（RAM）静态静态RAM（Stantic RAMSRAM）动态动态RAM（Dynamic RAMDRAM）只读存储器只读存储器 (ROM)掩模掩模ROM（Mask ROM）可编程可

3、编程ROM（PROM）可擦可编程可擦可编程ROM（EPROM）现场可改写的非易失性存储器现场可改写的非易失性存储器（E2PROM，Flash Memory）1、只读存储器、只读存储器ROM（1 1） 掩模只读存储器掩模只读存储器ROMROM根据根据用户要求专门设计的掩模板把数据用户要求专门设计的掩模板把数据“固化固化”在在ROM中。中。电路结构电路结构地址输入存储矩阵地址译码器输出缓冲器数据输出YBABY=ABVCCRAVCCW0W2W1W3A1A011W0=A1A0地址译码器真值表地址译码器真值表 地址译码器的等效电路地址译码器的等效电路A11A01W0W2W1W3A1 A0W0 W1 W2

4、 W3 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1地址译码器的函数表达式地址译码器的函数表达式013012011010AAWAAWAAWAAW， 存储矩阵存储矩阵W0W2W1W3D3D0D1D2A1 A0D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 交叉点处接有二极管时相当于存交叉点处接有二极管时相当于存1，没接二，没接二极管时相当于存极管时相当于存0。ROM中存放的数据中存放的数据位线地址线字线 掩模掩模ROM系统构成图系统构成图ENW3W1W2W0VDDD3D2D1

5、D01EN1EN1EN1EN00101111 熔丝熔丝 找到要输入找到要输入0 0的单元地址，输入地址代码，的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出高电平使相应字线输出高电平 在相应位线上加高电压脉冲，大电流通在相应位线上加高电压脉冲，大电流通过该过该MOS管，使熔丝熔断管，使熔丝熔断（3） EPROM（Erasable PROM） EPROM与与PROM的不同之处就是在存储矩阵的不同之处就是在存储矩阵中采用了浮栅技术生成的中采用了浮栅技术生成的MOS器件代替了器件代替了PROM中中的熔丝的熔丝MOS器件。器件。W0SIMOS管本身是一个管本身是一个N N沟道增强型沟道增强型MOS管，其管，其

6、结构如图所示：结构如图所示： DSN+N+P+当浮置栅内无电荷时，在控制栅加入正常的高当浮置栅内无电荷时，在控制栅加入正常的高电平能够使漏源之间产生导电沟道；反之，在浮电平能够使漏源之间产生导电沟道；反之，在浮栅内注入电荷以后，栅内注入电荷以后，在控制栅加入正常的高电平时在控制栅加入正常的高电平时管子不能导通管子不能导通。浮置栅浮置栅当漏源之间加以较高的电压（约当漏源之间加以较高的电压（约+20+25V）时，发生雪崩击穿现象。如果同时在控制栅上加以高压时，发生雪崩击穿现象。如果同时在控制栅上加以高压脉冲（幅度约脉冲（幅度约+25V，宽度约，宽度约50ms），则在栅极电场的），则在栅极电场的作用

7、下，一些速度较高的电子便穿过作用下，一些速度较高的电子便穿过SiO2层到达浮栅，层到达浮栅，被浮栅俘获而形成注入电荷。如果要对被浮栅俘获而形成注入电荷。如果要对EPROM重复使重复使用或重复编程，可以使用用或重复编程，可以使用IC顶部的特设石英窗口，将紫顶部的特设石英窗口，将紫外光（外光（UV）直接照射到）直接照射到EPROM芯片的窗口上面大约芯片的窗口上面大约520分钟左右，当紫外光照射时，浮栅上的电子形成分钟左右，当紫外光照射时，浮栅上的电子形成光电流而被释放。光电流而被释放。浮栅上注入了电荷相当于写入了浮栅上注入了电荷相当于写入了1，未注入电荷，未注入电荷相当于写入相当于写入0。EPRO

8、M示意图（4） E2PROM（ Electrically Erasable PROM） +3V+20V0V0V+20V（5）快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)(Flash Memory)快闪存储器的结构与快闪存储器的结构与EPROMEPROM中的中的SIMOSSIMOS管极为相管极为相似，两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度似，两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同。在不同。在EPROMEPROM中这个氧化层的厚度一般为中这个氧化层的厚度一般为303040nm40nm，而在快闪存储器中仅为而在快闪存储器中仅为101015nm15nm。而且浮栅与源区重。而且浮栅与源区

9、重叠的部分是由源区的横向扩散形成的，面积极小，因叠的部分是由源区的横向扩散形成的，面积极小，因而浮置栅源极的电容要比浮置控制栅间的电容小而浮置栅源极的电容要比浮置控制栅间的电容小得多。当控制栅和源极间加上电压时，大部分电压都得多。当控制栅和源极间加上电压时，大部分电压都将降在浮置栅与源极之间的电容上。快闪存储器的存将降在浮置栅与源极之间的电容上。快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的。储单元就是用这样一只单管组成的。0V+5V0V+12V+6V+12V0V0V快闪存储器技术的分类快闪存储器技术的分类NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍

10、是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。NOR技术Flash Memory具有以下特点： （程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行； 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和

11、擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。 NAND技术 Flash Memory具有以下特点： 以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有编程和擦除较快的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。 芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每百兆字节1美

12、元的价格限制。 芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。 Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。 基于NAND的存储器可以取代硬盘或其他块设备。快闪存储器技术之争快闪存储器技术之争 NOR NOR与与NANDNAND之争之争对于对于NORNOR型和型和NANDNAND型快闪存储器，组成它们的型快闪存储器，组成它们的晶体管结构是相同的，和普通晶体管结构是相同的，和普通MOSMOS晶体管相比，多了晶体管相比，多了一个称为浮栅的，由多晶硅作成的控制极，周围由一个

13、称为浮栅的，由多晶硅作成的控制极，周围由二氧化硅绝缘。两种类型快闪存储单元的区别只是二氧化硅绝缘。两种类型快闪存储单元的区别只是连接方法不同。连接方法不同。 简单的说，简单的说，NORNOR型型FlashFlash的内部结构和逻辑电路中的内部结构和逻辑电路中的的NORNOR门电路类似，存储单元的晶体管都并连到一个门电路类似，存储单元的晶体管都并连到一个位线。任何一个晶体管导通，存储单元的位线都变位线。任何一个晶体管导通，存储单元的位线都变为为0 0。而。而NANDNAND型型FlashFlash中的晶体管都串接到一个位线，中的晶体管都串接到一个位线，和和NANDNAND门电路相同。只有当单元中

14、所有的晶体管都门电路相同。只有当单元中所有的晶体管都导通，位线才为导通，位线才为0 0。NOR型随机读取的速度比较快，擦除和写入速度比较慢。因此适合用于程序的读取。一般NOR闪存的接口和EPROM相同，都有单独的地址，数据和控制线，便于直接读取；可以和微处理器连接，直接执行程序编码。而NAND结构的闪存，相对来说读取速度较慢，而擦除和写入速度则比较快。因此NAND闪存往往用来传送整“页”的数据，即将存储阵列中的数据直接传至微处理器内部的容量达528字节的寄存器。闪存直接和8位数据总线连接，一次传一个字节。这样如果一次读出一个扇面，总的读取时间和NOR闪存相差不多。NAND闪存的集成度比较高，主

15、要设计用作固态文件存储，没有专门的地址线和数据线，只有控制线和8位I/O端口。和硬盘驱动器的IDE接口相似，当NAND闪存更新换代成倍增加容量时，对外物理连接可以保持不变。由于集成度高，写入和擦除速度快，NAND闪存适合用作大容量存储器。 NOR NAND随机读取时间随机读取时间 80 ns / 16位字位字 15 s / 528字节（页）字节（页）扇面读取速度扇面读取速度 132兆字节兆字节/秒秒 127兆字节兆字节/秒秒写入速度写入速度 0.2兆字节兆字节/秒秒 2.1 兆字节兆字节/秒秒擦除速度擦除速度 008兆字节兆字节/秒秒 53兆字节兆字节/秒秒随着数码相机产业的迅猛发展，与随着数

16、码相机产业的迅猛发展，与NAND相比，相比，近年来近年来NOR闪存由于缺乏关键的应用市场，销售收入闪存由于缺乏关键的应用市场，销售收入增长缓慢。增长缓慢。2004年，年，NAND闪存的成长在闪存的成长在70%以上，以上，态势迅猛。态势迅猛。iSuppli认为认为NAND闪存市场仍处于形成阶闪存市场仍处于形成阶段，数据存储是段，数据存储是NAND的重大应用领域，由于现在预的重大应用领域，由于现在预期的应用增加，期的应用增加，NAND闪存市场还会有巨大的增长。闪存市场还会有巨大的增长。 SLC SLC与与MLCMLC之争之争什么是什么是SLCSLC或或MLCMLC？无论是无论是NORNOR还是还是

17、NANDNAND闪存，又分为两类：闪存，又分为两类： 其一叫做其一叫做SLCSLC（Single Level CellSingle Level Cell），单层单元闪），单层单元闪存；存； 其二叫做其二叫做MLCMLC（Multi Level CellMulti Level Cell），多层单元闪），多层单元闪存。存。两者的主要区别是两者的主要区别是SLCSLC每一个单元储存一位数每一个单元储存一位数据，而据，而MLCMLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储通过使用大量的电压等级，每一个单元储存多位数据。存多位数据。 MLC是闪存发展的一个重要方向。绝大多数存储器存储一位信息至少需要一个晶体

18、管。在晶体管中两种状态（1或0）的区分依靠电位，一个阈电压区分了两个状态。而闪存区分状态是依靠浮栅上的电荷数量。如果能够区分四种电荷量，每只晶体管就可以用四个状态来存储两位信息。如果能够区分八种电荷量，也就是可以区分八种状态，那么每只晶体管就可以存储3位信息。这样，闪存的集成度就可以成倍增加，成本也可以成倍降低。但是由于片内除了存储单元以外还有许多辅助线路，效益并不是完全的线性关系。此外，MLC的写入时间也增加了3到4倍。写入的数据能够保存的时间也有所降低。这是MLC的缺点。三星及东芝分别以SLC及MLC产品独领风骚。就目前的情况来看，在产品方面，MLC虽有相当大的成本优势，但在应用上，读写速

19、度相对较慢，无法在连拍数码相机以及摄像机上应用。Sandisk与东芝均在大力改进其制程技术及提升控制器效能，来改善读写速度，在04年第四季度已有较大突破，但仍然不及SLC的速度。可以看出，存储卡厂商选用SLC闪存还是MLC闪存，对于所生产存储卡的性能、参数都有很大的影响。就拿SD卡来说，目前知名的存储卡厂商中，像Sandisk、Kingston等大多数厂商使用的是MLC闪存，而像Kingmax、ADATA等少数厂商使用的是SLC闪存。其中值得一提的是，由于Kingmax将独家专利的PIP封装技术应用到存储卡产品上，可以在一片存储卡里堆叠两颗闪存芯片，形成双通道数据传输，在传输速度上更胜一筹。项

20、目 SLC MLC 生产商 三星 东芝 制程 0.09微米 0.13微米 电压 3.3V/1.8V 3.3V 读写速度 10MB/S 2.5MB/S 能耗 低 高 读写寿命 10万次 1万次 SLCSLC与与MLCMLC的技术参数对比的技术参数对比2、随机存储器（、随机存储器（RAM）（1）静态RAM（Static RAMSRAM）选择线VccT1T2T3 T4T5T6QQI/OI/O 六管静态 RAM 存储电路 0 1（2）动态）动态RAM（Dynamic RAMDRAM） 动态RAM的基本存储单元是一个晶体管和一个电容，因而集成度高，成本低，耗电少，但它是利用电容存储电荷来保存信息的，电容

21、通过MOS管的栅极和源极会慢慢放电而丢失信息，必须定时对电容充电，称为刷新。当T导通时，电容CS上的信息被传送到位线上，或者位线上的数据写入CS中。读出时，由于CW的存在，且CW CS，使位线上得到的电压远小于CS上原来存储的电压。因此，需经读出放大器对输出信号进行放大。同时，由于CS上的电荷会减少很多，造成破坏性读出，必须每次读出后及时对读出单元进行刷新。 CS T 位位 线线 存储存储电容电容 Xi 字字选择线选择线 CW 杂散杂散电容电容 3、RAM存储容量的扩展存储容量的扩展（1）位数）位数 （字长）的扩展（字长）的扩展D0 D1 D2 D3D12 D13 D14 D15 位扩展可以用多片芯片并联的方式来实现。即地址线、读/写线、片选信号对应并联，各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位。例例 用用4K4位的位的RAM扩展为扩展为4K16位的位的RAMCSA11A0R/WR/WCSA0A114K4位（位（1）I/O0 I/O1 I/O2 I/O3R/WCSA0A114K4位（