第7章数字电子技术及应用杨志忠

1、链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器第第 7 章半导体存储器章半导体存储器 只读存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器随机存取存储器（RAM）本章小结本章小结链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器主要要求：主要要求： 了解存储器的作用和分类，理解它们的用途。了解存储器的作用和分类，理解它们的用途。引引 言言链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器随机存取存储器随机存取存储器( (RAM，即即Random Access Memory) ) RAM是是随机存取随机存取存储器，存储器，既能读出既能读出信息信息又能写入又能写入信息。信息。但

2、但断电后其数据将全部丢失。断电后其数据将全部丢失。它用于存放一些临时数据和中它用于存放一些临时数据和中间处理数据结果，如计算机内间处理数据结果，如计算机内存。存。 主要由地址译码器、存储矩主要由地址译码器、存储矩阵、读阵、读 / 写控制电路等部分组成，写控制电路等部分组成，为大规模时序逻辑电路。为大规模时序逻辑电路。 主要由主要由与与阵列、阵列、或或阵列、阵列、输出缓冲级等部分组成，为大输出缓冲级等部分组成，为大规模组合逻辑电路。规模组合逻辑电路。 ROM 是是只读存储器只读存储器，在正，在正常工作时，其存储的数据只能常工作时，其存储的数据只能读出，不能写入。但读出，不能写入。但断电后其断电后

3、其存储的数据不会丢失存储的数据不会丢失。常用于。常用于存放一些不变的数据，如一些存放一些不变的数据，如一些重要的常数、系统管理程序等。重要的常数、系统管理程序等。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) )一、一、半导体存储器的作用半导体存储器的作用 存放二进制信息存放二进制信息链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.1 只读存储器（只读存储器（ROM）主要要求：主要要求： 理解理解 ROM 的电路结构、工作原理。的电路结构、工作原理。 理解用理解用 ROM 实现组合逻辑函数的方

4、法。实现组合逻辑函数的方法。 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.1.1 ROM 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理一、一、ROM的基本结构的基本结构由地址译码器和存储矩阵等部分组成由地址译码器和存储矩阵等部分组成 存储器的存储存储器的存储容量为容量为 4 4字位字位。ROM 的电路结构图的电路结构图 字线字线位位线线链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器 二、二、 工作原理工作原理存储矩阵存储矩阵地址译码器地址译码器链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器 二、二、 工作原理工作原理W3=A1A0W2=A1A0W1=A1A

5、0W0=A1A0链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器 二、二、 工作原理工作原理D0=W3+W2+W0=A1A0+A1A0+A1A0D1=W2+W1=A1A0+A1A0D2=W3+W0=A1A0+A1A0D3=W3+W2=A1A0+A1A0链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器 二、二、 工作原理工作原理地址码地址码字字 线线存储内容存储内容A1A0W3W2W1W0D3D2D1D00 00 00 00 00 01 10 01 10 01 10 01 10 00 01 10 00 00 01 10 01 10 00 01 10 00 01 10 01 1

6、1 11 11 11 10 00 00 01 11 10 01 1D0=W3+W2+W0=A1A0+A1A0+A1A0D1=W2+W1=A1A0+A1A0D2=W3+W0=A1A0+A1A0D3=W3+W2=A1A0+A1A0可见，和或门输入端相可见，和或门输入端相连的字线为连的字线为 1 1时，则或时，则或门输出的数据为门输出的数据为1 1，因，因此该连接处相当于存储此该连接处相当于存储1 1，没有和或门输入端，没有和或门输入端相连的字线，相当于存相连的字线，相当于存储储 0 0 。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器 ROM的简化画法的简化画法与与门门或或门门44字位

7、字位ROM链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器想一想（想一想（1）写出下图所示写出下图所示ROM简化逻辑图输出简化逻辑图输出Y的逻辑表达式。的逻辑表达式。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.1.2 ROM的分类的分类一、掩膜型只读存储器一、掩膜型只读存储器 掩膜型掩膜型ROM中存储的信息是由芯片制造商根据中存储的信息是由芯片制造商根据用户要求，采用掩膜技术专门制作的，存储内容在出用户要求，采用掩膜技术专门制作的，存储内容在出厂时已固定，用户无法修改，断电后信息不会丢失。厂时已固定，用户无法修改，断电后信息不会丢失。使用时使用时只能读出，不能写入只

8、能读出，不能写入。常用来存放程序、函数、。常用来存放程序、函数、数据等固定信息。数据等固定信息。 只读存储器只读存储器ROM中的地址译码器为全译码，为固中的地址译码器为全译码，为固定与阵列、不可编程，输出为输入地址变量的全部最定与阵列、不可编程，输出为输入地址变量的全部最小项。存储矩阵为可编程的或阵列，它输出为相应输小项。存储矩阵为可编程的或阵列，它输出为相应输入最小项的和，可由用户编程。入最小项的和，可由用户编程。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器二、二、可一次编程的只读存储器可一次编程的只读存储器(PROM)用户在编程时，可以根据需要将某单元改写为用户在编程时，可以

9、根据需要将某单元改写为0。方法是借助于编程器输出足够大地脉冲电流将所要改方法是借助于编程器输出足够大地脉冲电流将所要改写为写为0的存储单元中的熔丝烧断。显然，熔丝烧断后不的存储单元中的熔丝烧断。显然，熔丝烧断后不可恢复，因此，可恢复，因此，PROM只能进行一次编程。只能进行一次编程。 PROM在使用时只能读出在使用时只能读出,不能写入。不能写入。可编程只读存储器是一种用户可以根据自己的要可编程只读存储器是一种用户可以根据自己的要求直接写入信息的存储器。求直接写入信息的存储器。写入信息的过程称为编程写入信息的过程称为编程。PROM在出厂前已在每个存储单元中都接有快速熔丝，在出厂前已在每个存储单元

10、中都接有快速熔丝，这时所有的存储单元都相当于存储了这时所有的存储单元都相当于存储了1。 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器三、三、紫外线擦除可编程只读存储器紫外线擦除可编程只读存储器(EPROM)FAMOS管的栅极为多晶硅，没有引出线，完全浮管的栅极为多晶硅，没有引出线，完全浮置于置于SiO2绝缘层中。平时不带电，也不导通，相当于绝缘层中。平时不带电，也不导通，相当于熔丝断开。编程时，在编程器的编程信号作用下，可熔丝断开。编程时，在编程器的编程信号作用下，可使使FAMOS管的浮置栅获得足够的电荷而使漏极和源极管的浮置栅获得足够的电荷而使漏极和源极之间产生导电沟道，成为导

11、通状态，与其串接的之间产生导电沟道，成为导通状态，与其串接的MOS管也导通，相当于熔丝连接。管也导通，相当于熔丝连接。 为了使为了使EPROM写入的信息不丢失，需用不透明的写入的信息不丢失，需用不透明的遮光纸将集成芯片上的石英窗口封贴起来。当需要擦遮光纸将集成芯片上的石英窗口封贴起来。当需要擦除原信息时，需要去掉遮光纸，用紫外线照射石英窗除原信息时，需要去掉遮光纸，用紫外线照射石英窗口口1015分钟，才能擦除芯片中全部信息。分钟，才能擦除芯片中全部信息。EPROM的存储单元中采用了浮置栅的存储单元中采用了浮置栅MOS管，简管，简称称FAMOS管，用以代替管，用以代替PROM中的熔丝。它和普通中

12、的熔丝。它和普通MOS管串接后组成了管串接后组成了EPROM中的存储单元。中的存储单元。 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器四、四、电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)E2PROM 存储单元中的信息可边擦除边改写，也存储单元中的信息可边擦除边改写，也可整体擦除，速度比可整体擦除，速度比 EPROM 快得多，写入信息可长快得多，写入信息可长期保存。期保存。 E2PROM 的存储结构和的存储结构和 EPROM 类似，只是在浮类似，只是在浮置栅上加了一个隧道二极管，在编程信号作用下，可置栅上加了一个隧道二极管，在编程信号作用下，可使存储单元导通或截

13、止，从而实现了电写入和电擦除。使存储单元导通或截止，从而实现了电写入和电擦除。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器五、五、快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)同时快闪存储器的编程和擦除控制电路都集成在同时快闪存储器的编程和擦除控制电路都集成在存储器内部，不需要专门的编程工具，使用十分方便。存储器内部，不需要专门的编程工具，使用十分方便。可以预见，在不久的将来，快闪存储器有可能取代计可以预见，在不久的将来，快闪存储器有可能取代计算机中的硬盘和用于开发许多新的电子产品。算机中的硬盘和用于开发许多新的电子产品。 快闪存储器是快闪存储器是 E2PROM 新一代产品，它

14、具有新一代产品，它具有E2PROM 擦除快的优点，而且电路结构简单，集成度擦除快的优点，而且电路结构简单，集成度高，体积小、功耗低、工作速度快，存储容量大，优高，体积小、功耗低、工作速度快，存储容量大，优点十分明显。点十分明显。 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.1.3 ROM的应用举例的应用举例例例 试用试用 ROM 构成一个构成一个 1 位全加器位全加器解：解：(1) 设在第设在第 i 位的二进制数相加，输入变量为被加数位的二进制数相加，输入变量为被加数 Ai 、加数、加数Bi，低位来的，低位来的进位数为进位数为Ci-1。输出为本位和。输出为本位和Si 、向相邻

15、高位的进位数为、向相邻高位的进位数为 Ci。由此可列出全加器。由此可列出全加器的真值表。的真值表。1 11 11 11 11 11 10 00 01 11 11 10 01 10 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 11 10 00 00 00 00 00 00 0CiSiCi-1BiAi输输 出出输入输入Si = Ai Bi Ci-1 + Ai Bi Ci-1 +Ai Bi Ci-1+ Ai Bi Ci-1Ci = Ai Bi Ci-1 + Ai Bi Ci-1 +Ai Bi Ci-1+ Ai Bi Ci-1Si = m

16、1 + m2+ m4 + m7Ci = m3 + m5 + m6 + m7 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器( (2) ) 画出用画出用 PROM 实现的逻辑图实现的逻辑图7653i7421i mmmmCmmmmS链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.2 随机存取存储器随机存取存储器主要要求：主要要求： 理解理解 RAM 的电路结构和工作原理。的电路结构和工作原理。 理解理解 RAM 的扩展存储容量的方法。的扩展存储容量的方法。 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器一、一、RAM的基本结构的基本结构7.2.1 RAM的基本

17、结构和读写过程的基本结构和读写过程 RAM 的电路结构的电路结构 1. 存储矩阵：由存储矩阵：由大量以矩阵形式大量以矩阵形式排列的存储单元排列的存储单元组成。图中存储组成。图中存储器的容量是：器的容量是：字数字数位数位数=32 16=512字位字位链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器一、一、RAM的基本结构的基本结构7.2.1 RAM的基本结构和读写过程的基本结构和读写过程 RAM 的电路结构的电路结构 2. 地址译码器：地址译码器：为了能方便地选为了能方便地选择到存储器中的择到存储器中的任一个存储单元，任一个存储单元，将地址译码器分将地址译码器分为行、列地址译为行、列地

18、址译码器，然后根据码器，然后根据行、列地址去选行、列地址去选通相应的存储单通相应的存储单元进行读出或写元进行读出或写入数据。入数据。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器一、一、RAM的基本结构的基本结构7.2.1 RAM的基本结构和读写过程的基本结构和读写过程 RAM 的电路结构的电路结构 3. I/O 和读和读/写控写控制电路：为了满制电路：为了满足存储容量扩展足存储容量扩展要求，每片要求，每片RAM都设有片选都设有片选CS 端端和读和读/写写R/W 控制控制端，用于对选通端，用于对选通的存储单元写入的存储单元写入或读出数据。或读出数据。链接演示文稿主页面第第 7 章章

19、 半导体存储器半导体存储器二、二、RAM的读的读/写过程写过程当片选端当片选端CS=1时，所有时，所有 I/O 端均为高阻态，使存储端均为高阻态，使存储器和器和I/O线隔离，不能进行读写操作；当线隔离，不能进行读写操作；当CS=0 时，时，RAM工作，可对选通的存储单元进行读出或写入操作。工作，可对选通的存储单元进行读出或写入操作。 当当R/W=1 时，进行读出操作，再通过时，进行读出操作，再通过 I/O 端输出数端输出数据；当据；当R/W=0 时，则进行写入操作，将时，则进行写入操作，将 I/O 端输入的数端输入的数据写入到存储单元中。据写入到存储单元中。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半

20、导体存储器半导体存储器三、三、RAM的存储单元的存储单元1. 静态存储单元：静态存储单元由静态存储单元：静态存储单元由CMOS触发器和触发器和门控管组成，它的工作状态受行、列译码输出的行选择门控管组成，它的工作状态受行、列译码输出的行选择线和列选择线控制。当静态存储单元被选通时，其中的线和列选择线控制。当静态存储单元被选通时，其中的门控管导通，这时可通过读门控管导通，这时可通过读/写控制电路对选通的静态存写控制电路对选通的静态存储单元进行读储单元进行读/写操作。对于没有被选通的静态存储单元，写操作。对于没有被选通的静态存储单元，由于门控管截止，静态存储单元被封锁，不能进行读由于门控管截止，静态

21、存储单元被封锁，不能进行读/写写操作。操作。静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)的优点是：在不断电的优点是：在不断电情况下，可长期保存二进制信息，读情况下，可长期保存二进制信息，读/写控制电路简单，写控制电路简单，存取速度快。缺点是：存储容量小，静态功耗大，适用存取速度快。缺点是：存储容量小，静态功耗大，适用于小容量存储器。于小容量存储器。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器三、三、RAM的存储单元的存储单元2. 动态存储单元：动态存储单元是利用动态存储单元：动态存储单元是利用MOS管栅极管栅极电容的存储效应组成的，由于栅极电容的容量很小，且电容的存储效应组成

22、的，由于栅极电容的容量很小，且存在漏电，因此栅极电容上存储的信息不可能长期保存。存在漏电，因此栅极电容上存储的信息不可能长期保存。为防止信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷，这种为防止信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷，这种补充电荷的过程称为刷新。补充电荷的过程称为刷新。动态存储单元的工作受行选择线和列选择线控制。动态存储单元的工作受行选择线和列选择线控制。当动态存储单元被选通时，门控管导通，这时可对动态当动态存储单元被选通时，门控管导通，这时可对动态存储单元进行写操作和读操作，并对该存储单元进行一存储单元进行写操作和读操作，并对该存储单元进行一次刷新。对于没有被选通的动态存储单元，由于门控

23、管次刷新。对于没有被选通的动态存储单元，由于门控管截止，不能进行读截止，不能进行读/写操作。写操作。动态随机存取存储器动态随机存取存储器(DRAM)的优点是：存储单元的优点是：存储单元电路简单，集成度高，功耗低，在大容量存储器中采用电路简单，集成度高，功耗低，在大容量存储器中采用较多。缺点是：外围电路较复杂。较多。缺点是：外围电路较复杂。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器7.2.2 RAM的扩展的扩展 一、一、RAM的位扩展的位扩展如一片如一片 RAM 的字数已够用，而每个字的位数不够用，的字数已够用，而每个字的位数不够用，则采用位扩展的方法来扩展每个字的位数。其方法是

24、将各片则采用位扩展的方法来扩展每个字的位数。其方法是将各片 RAM 的地址输入端、读的地址输入端、读/写控制端写控制端 R/W 和片选端和片选端 CS 对应地对应地并接在一起。并接在一起。下图为用两片下图为用两片1k4位的位的RAM进行位扩展，扩进行位扩展，扩展后的容量为展后的容量为1k8位。位。RAM 的的 位位 扩扩 展展 接接 法法 链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器RAM的字扩展接法的字扩展接法 二、二、RAM的字扩展的字扩展 如一片如一片RAM的位的位数已够用，而字数不数已够用，而字数不够用，则采用字扩展够用，则采用字扩展的方法来扩展存储器的方法来扩展存储器的

25、字数。字扩展通常的字数。字扩展通常需用外加译码器来控需用外加译码器来控制芯片的片选输入信制芯片的片选输入信号号 CS 实现。实现。如字数和位数都如字数和位数都不够用，则可将字数不够用，则可将字数和位数同时进行扩展，和位数同时进行扩展，便组成了大容量的存便组成了大容量的存储器。储器。链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器想一想（想一想（2） 试问存储容量为试问存储容量为5128字位的字位的RAM有多少地址有多少地址输入线，多少字线和位线？输入线，多少字线和位线？链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器半导体存储器的核心是存储矩阵，它由许多存储半导体存储器的核

26、心是存储矩阵，它由许多存储单元构成，每个存储单元存储一位二进制数。根单元构成，每个存储单元存储一位二进制数。根据功能不同，据功能不同，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)两大类两大类。本本 章章 小小 结结链接演示文稿主页面第第 7 章章 半导体存储器半导体存储器只读存储器只读存储器(ROM)主要由地址译码器、存储矩阵主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲级组成，没有触发器，为大规模集成和输出缓冲级组成，没有触发器，为大规模集成组合逻辑电路。组合逻辑电路。ROM用于存放固定不变的数据，用于存放固定不变的数据，不能随意改写。工作时，只能根据地址不能随意改写。工作时，只能根据地址读出数据。读出数据。工作可靠，断电后其数据不会丢失工作可靠，断电后其数据不会丢失。只读存储器。只读存储器有固定有固定ROM(又称掩模又称掩模 ROM)和可编程和可编程 ROM之之分。固定分。固定ROM由制造商向芯片写入数据，而可由制造商向芯片写入数据，而可编程编程 ROM 则由用户向芯片写入数据。可编程则由用户向芯片写入数据。可编程 ROM 又分为一次可编程的又分为一次可编程的 PROM 和可重复改写、和可重复改写、重复编程的重复编程的 EPROM 和和 E2PRO