第七章半导体存贮器

1、1第七章第七章 半导体存储器半导体存储器2 7.1 概述概述 一、定义一、定义 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。或者说：或者说：存储器是用来存储二值数字信息的大规模集存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码每个房间有一个号码 （地址码（地址码 ），每个房间内有），每个房间内有一 定 内

2、容 （ 一 个 二 进 制 数 码 ， 又 称 为 一 个一 定 内 容 （ 一 个 二 进 制 数 码 ， 又 称 为 一 个“字字” ” ）。）。 3二、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：（1）只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。 存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。（2）随机存取存储器（RAM）也叫做读/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。RAM的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。三、主要技术指标三、主要技术指标 1.存储器的容量：存储器的容量=字数（N） 位数(M),即存(取)次数

3、 字长 例:256 8 表示字长为8位二进制数、8位为一个字，可存(取)256次。 2.存取时间: 连续二次读/写操作所间隔的最短时间.。4EPROMROMROM可擦除的可编程可编程掩模RAMRAM动态静态5（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）掩模只读）掩模只读ROM

4、。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）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术生产的可编程）。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。存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，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，数据写入方式与中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，相同，一般一只芯片可以擦除一般一只芯片可以擦除/写入写入100次以

5、上。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）。也是采用浮栅技术生产的可编程编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除的电擦除过程就是改写过程，它具有过程就是改写过程，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的功的功能，可以随时改写（可重复擦写能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。万次以上）。6二二ROM的结构及工作原理的结构及工作原理1. ROM的

6、内部结构的内部结构由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成。由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成。0单元1单元i单元单元2 1nWWWWD DD01in2 101b1位线存储单元存储单元.字线输出数据输1AA器.地入址译0n1地码址A.下面是24点阵结构图72. 例二极管的固定例二极管的固定ROM（1）电路组成：）电路组成：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。A1011A11. .ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线WWWW0123字线.与门阵列（译码器）（编码器）门阵列

7、或ENVCC89（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：（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD3211WWWD3202WWWD313WWD(4) 上图也可合并为下图10输出输出电路电路存储存储矩阵矩阵字线字线位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器E: 输出输出控制端控制端W3W0W2W111000101111100110011001001地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容A1A0A1A0A1

8、A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K: 输出输出控制端控制端 给出任意一个给出任意一个地址码，译码器地址码，译码器与之对应的字线与之对应的字线变为高电平，进变为高电平，进而从位线上便可而从位线上便可输出四位数字量。输出四位数字量。字线字线位线位线图中存储器的内容图中存储器的内容如左表如左表12+VCCW3W0W1W2D0D1D2D3 左图是左图是使用使用 MOS 管的管的ROM 矩阵：字线矩阵：字线和位线间有和位线间有 MOS 管的管的单元存储单元存储 “0”，无，无 MOS 管的管的单元存储单元存储 “1”。13三、三、 ROM的应用举例的应用举例1. 用于存储固定的专

9、用程序用于存储固定的专用程序2. 利用利用ROM可实现查表或码制变换等功能可实现查表或码制变换等功能 查表查表功能功能 查某个角度的三角函数查某个角度的三角函数 把变量值（角度）作为地址码，其把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为据，这称为 “造表造表”。使用时，根据。使用时，根据输入的地址输入的地址(角度角度)，就可在输出端得到，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为所需的函数值，这就称为“查表查表”。 码制变换码制变换 把欲变换的编码作为地把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单址，把最终的目的编码作为相应

10、存储单元中的内容即可。元中的内容即可。143. ROM 在波形发生器中的应用在波形发生器中的应用ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A0100000000000111111111110000000000000000000000111111111112481296315ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963tuo0161.作函数运算表电路作函数运

11、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，的运算表电路，x的取值范的取值范围为围为015的正整数。的正整数。4实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 五、五、ROM的应用实例的应用实例【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。根据表示。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152225，可以用，可以用8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。

12、（2）列真值表）列真值表函数运算表函数运算表1718Y7=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+m151920【解】【解】 （1）写出各函数的标准与或表达式

13、：）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、 Y3、Y4扩展成为四变量逻辑函扩展成为四变量逻辑函数。数。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：ABCCBACBACBAY1CABCY2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY3BCDACDABDABCY4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY若以地址线为输入变量，则数据线即为一组关于地址变量的逻辑函数21（2）选用）选用164位位ROM，画

14、存储矩阵连线图：，画存储矩阵连线图：22 在前面介绍的两种存储器中，其存储在前面介绍的两种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为使用时不能变动，称为固定固定 ROM 。 有一种可编程序的有一种可编程序的 ROM ，在出厂时，在出厂时全部存储全部存储 “1”，用户可根据需要将某些，用户可根据需要将某些单元改写为单元改写为 “0”,然而只能改写一次，然而只能改写一次，称其为称其为 PROM。字线字线位位线线熔熔断断丝丝 若将熔丝烧断，若将熔丝烧断，该单元则变成该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后显然，一旦烧断后不能再恢复。不

15、能再恢复。23 PROM 中的内容只能写一次，有时中的内容只能写一次，有时仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多次的写多次的 ROM，简称，简称 EPROM。它所存。它所存储的信息可以用紫外线或储的信息可以用紫外线或 X 射线照射擦射线照射擦去，然后又可以重新编制信息。去，然后又可以重新编制信息。247.2.2 可编程ROM（PROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同写是一次性编程，不能改！编程时将不用的熔断有出厂时，每个结点上都熔丝由易熔合金制成257.2.3 可擦除的可编程ROM（EPROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同一、用紫外线擦除

16、的PROM（UVEPROM）26管叠栅注入MOSMOSInjuctiongateStackedSIMOS)(浮置栅控制栅:fcGG通处正常逻辑高电平下导上未充负电荷，则若导通处正常逻辑高电平下不上充以负电荷，则若工作原理：cfcfGGGG27年）光灯下分钟（阳光下一周，荧紫外线照射空穴对，提供泄放通道生电子“擦除”：通过照射产形成注入电荷到达吸引高速电子穿过宽的正脉冲，上加同时在发生雪崩击穿）间加高压（“写入”：雪崩注入33020,50,25,2520,2fcGSiOmsVG，VSD28二、电可擦除的可编程ROM（E2PROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同)(管浮栅隧道氧化层采用点

17、擦除慢，操作不便的缺为克服MOSFLOTOXUVEPROM“隧道效应”电子会穿越隧道）当场强达到一定大小（厚度之间有小的隧道区，与,/cmVmSiODGf7821010229导通）下，电压（未充电荷时，正常读出截止）下，电压（充电荷后，正常读出工作原理：TVGTVGGCCf33fjCiGBmsVGW电子隧道区接的正脉冲，加充电：01020,上电荷经隧道区放电加正脉冲，接放电：fjiCGBWG,030三、快闪存储器（Flash Memory）为提高集成度，省去T2（选通管）改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）（隧道区）区有极小的重叠区与）更薄（与衬底间SGnmOSGfif15102的正脉冲，加接

18、），加正压（，充电利用雪崩注入方式向工作原理：usVGVVSDGcssf101206*上电荷经隧道区放电的正脉冲加放电，利用隧道效应fsscfGnsVVGG100120,31四四EPROM举例举例2764AA120DD7CS0PGMVppccV引脚引脚功能功能地址输入地址输入芯片使能芯片使能编程脉冲编程脉冲电压输入电压输入数数 据据VVppccCSPGMAADD12007地地2764AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410127PGM(PGM)VIH20CSOECSOE221112131516

19、171819地地址址输输入入数数据据据据输输出出VCCVPP28GND148k 存 储 容 量327.4.存储噐容量的扩展（以存储噐容量的扩展（以ROM为例）为例）（1）位扩展（字长的扩展）位扩展（字长的扩展）现有型号的现有型号的EPROM，输出多为，输出多为8位。位。下图是将两片下图是将两片2764扩展成扩展成8k16位位EPROM的连线图。的连线图。. .AAOO OCSOE00127.AAOO OCSOE00127CSOEA0A1270DD815DD13131388地址总线数据总线8kB88kB827642764UU1233用用8片片2764扩展成扩展成64k8位的位的EPROM：（2）

20、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地址总线地址总线数据总线数据总线343.字位均扩展同时采用字扩展、位扩展的方法。35随机存储器随机存储器又称读写

21、存储器。又称读写存储器。 读写存储器的特点是：在工作过程中，既读写存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器，简称存储器，简称 RAM 。Random Access Memory. RAM 按功能可分为按功能可分为 静态、动态两类；静态、动态两类； RAM 按所用器件又可分为：按所用器件又可分为： 双极型和双极型和 MOS型两种。型两种。7.3 随机存储器随机存储器( RAM )36一一 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

22、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。存储矩阵读/写控制器控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入入37 1. 存储矩阵存储矩阵图中，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。 382地址译码器地址译码器将寄存器将寄存器地址所

23、对应的二进制数译地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单信号，从而选中该存储单元。元。 采用双译码结构。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，输出，输入为输入为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，输出，输入为输入为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。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

24、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。393 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静态存储单元是由静态存储单元是由RSRS锁存噐附加门控管构成锁存噐附加门控管构成之间的联系。、和位线、的以控制锁存噐作模拟开关使用，门控管，、位二值代码，记忆锁存噐，组成jj6541BBQQTT1RSTT40相通、与、导通，时，所在行被选中，jjiBBQQTTX65,1单元与缓冲器相连列第行第导通，这时时，所在列被选中，jiTTYj87,1，读操作截止，与导通，则若时，当OIQAAAWRSC32110,，写操作导通，与截止，则若QOIAAAWR321

25、0,41 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均处于高阻状态，均处于高阻状态，输入输入/输出（输出（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，即不写操作，即不工作；工作；&GGGCSR/W3451GDDI/OG2当当CS0时，时，芯片被选通：当芯片被选通：当 1时，时，G5输出高电平，输出高电平，G3被打开，于被打开，于是被选中的单元所存储的数据出现在是被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；端，存储器执行读操作；

26、当当 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。互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。42 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）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 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；

27、（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。tWC写入单元的地址ADDtWPCSR/WI/O写入数据AStWRtDWtDHt43RAM组件及其连接组件及其连接 常用常用RAM组件的类型很多，以下介绍组件的类型很多，以下介绍两种：两种：RAM2114和和RAM6116。 RAM2114共有共有10根地址线，根地址线，4根数据线。根数据线。故其容量为：故其容量为：1024字字4位（又称为位（又称为1K 4）RAM6116的容量为：的容量为：2048字字8位位 （又称为（又称为2K 8）44 RAM2114、2116的管脚图的管脚图1234567891817161514

28、13121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管脚图管脚图2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管脚图管脚图A2A711112141324A8D5D6D7RDWR45三三 RAM的容量扩展的容量扩展1. 位数的扩展位数的扩展：把各片对应的地址线连接在一起，：把各片对应的地址线连接在一起，数据线并列使用即可。接线如下图：数据线并列使用即可。接线如下图：D7A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2

29、D0. . . . .D6D5D4D1D3D2D0.CSR/WA0A92114 (1)2114 (2)用两片用两片2114 将位数由将位数由 4位扩展到位扩展到 8位位46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。10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O.10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O10241RAMA AA R/WCS019.I/OI/O.AA01R/WCS017999A472. 字数的扩展：字数的扩展： 各片各片RAM对应的数据线联接在一起；对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址低位地址线也

30、并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的选片控制端。按高低位接至各片的选片控制端。 如用如用2114接成接成4096字字4位的存储器时，位的存储器时，需要需要4个个2114组件，共组件，共12根地址线。连接根地址线。连接时，将各片中的低位地址时，将各片中的低位地址A0-A9对应相对应相连；而高位地址连；而高位地址A10、A11经经2-4译码，按译码，按高低位控制高低位控制4片片2114的的CS端。见下图：端。见下图：48A11A10选中片序号选中片序号 对应的存储单元对应的存储单元 0 0 1 1 1 0 0 12114

31、(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000 10231024 20472048 30713072 4095 用用2114接成接成4096字字4位型存储器时，高位位型存储器时，高位地址和存储单元的关系如下表：地址和存储单元的关系如下表：4849CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4译译码码器器A11A10A0A9D3D2D1D02114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)R/WY0Y3503字扩展例题字扩展例题 （适用于每片RAM,ROM位数够用而字数不够时）

32、用用8片片1K8位位RAM构成的构成的8K8位位RAM。01.G2A1274LS138AY+5V.GC7Y.G2BAYA.11A110.B.A.AI/O10248RAM1000R/W7R/W1R/W.9A10248RAM90.A0I/OR/WA10248RAMCS9AACSI/O91AA.A1CS1AA0I/O0I/OI/O0I/O1I/O1I/O17I/O7I/O7I/O.51SCWRAAOIOI片选信号：写信号：读地址线：数据线：/70701024 x 8RAM70OIOI.9870AAAA,.WRWRAAAAOIOI写信号：读地址线：数据线：/987070,例：用四片例：用四片256 x 8256 x 8位位1024 x 81024 x 8位位 RAMRAM52):(110025625670A个地址个字，需要每一片提供SCYYAAAA分别接四片的译成即将两位代码区分四片用,308989102376876751251125625501110010007070707,AAAAAAAA四片的地址分配就是：00011101101110110111111089AA4321SCSCSCSC5354RAM的芯片简介的芯片简介(6116)(6116)61166116为为2K2K8 8位静态位静态CMOSRAMCMOSRAM芯片引脚排列图：芯片引脚排列图：