第二十三~二十四讲半导体存储器

第六章半导体存储器数字电子技术(第二十三~二十四讲)1第二十三讲半导体存储器课题：ROM

课时安排：2重点：用ROM实现组合逻辑函数难点：用EPROM、E2PROM的结构和工作原理教学目标：使同学理解ROM的工作原理；掌握用ROM实现组合逻辑函数的方法及阵列图的画法；掌握ROM级联的方法。教学过程：一、概述二、ROM的结构示意图

1、基本结构

2、内部结构示意图

3、逻辑结构示意图三、ROM的基本工作原理四、用ROM实现组合逻辑函数五、ROM的扩展课后作业：P1936.26.32第六章半导体存储器6.1概述 6.2只读存储器（ROM） 6.3随机存储器（RAM）6.4存储器容量的扩展6.5用存储器实现组合逻辑函数3存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，它是数字系统中非常重要的、不可缺少的组成部分。存储器实际上是将大量存储单元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。每个房间有一个号码（地址码），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一“字”）。6.1概述4一、半导体存储器的特点及分类体积小，集成度高等2.分类:按制造工艺按存储原理双极型MOS型ROMRAM1.特点:5（1）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。（2）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。6ROM只读存储器

SAM—串行存储器半导体存储器进一步详细分类RAM随机存储器双极型RAMMOS型RAM静态RAM动态RAM掩膜ROM—内容由厂家制做可编程PROM—可一次性编程可擦洗EPROM—可多次改写快闪存储器分类（按存储原理）7

1字节（Byte）=8位（bit）字长：一个字所包含的二进制位数称“字长”。为了表示更大的容量，采用MB、GB等单位1KB=210B （B表示字节）1MB=220B1GB=230B64KB=64K8bit存储容量=N（字数）XM（位数）（N个M位的二进制信息）二、存储器的技术指标1.存储容量：8

2.存取周期连续两次读取（写入）操作间隔的时间。

存储器一次读（写）操作后，其内部电路需经一定的时间恢复，才能进行下一次读（写）操作。间隔的时间越短，说明存储周期越短，工作速度越高。9只读存储器(ROM)特点：数据预先存好，在工作时其存储内容是固定不变的。因此，使用时只能读出，不能随时写入。一般用来存放系统启动程序和参数表等，也用来存放常驻内存的监控程序等。ReadOnlyMemory.

.

.固定ROM可编程ROM：PROM可擦写可编程：EPROM电可擦写可编程：E2PROM快闪存储器：FLASHROM分类§6.2只读存储器10（2）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。ROM的分类按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：（1）固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。（如参数表等）（3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。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。11（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS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）。

E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。（5）快闪存储器（FlashMemory）。也是采用浮栅型MOS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EPROM相同，擦除方式与E2PROM相同。12特点：内部信息在芯片制造时由厂家写入（制作过程中使用掩膜技术），用户对这类芯片无法进行任何修改。它由地址译码器、存储矩阵和输出及控制电路三部分组成。一、固定只读存储器（ROM）图6.1ROM的电路结构框图Bm-1Dm-1地址译码器存储矩阵MN输出缓冲器….....W1...A0A1An-1地址输入W2n-1W0B0…D0B1D1三态控制字线位线13ROM矩阵n条地址输入线2n条—字线m条—位线存储容量=2n

mBm-1Dm-1地址译码器存储矩阵MN输出缓冲器….....W1...A0A1An-1地址输入W2n-1W0B0…D0B1D1三态控制14输出缓冲器的作用：1）提高存储器的带负载能力；2）使输出电平与TTL电路的逻辑电平兼容；3）利用缓冲器的三态控制功能可将存储器的输出端直接与系统的数据总线相连。Bm-1Dm-1地址译码器存储矩阵MN输出缓冲器….....W1...A0A1An-1地址输入W2n-1W0B0…D0B1D1三态控制存储矩阵是由许多存储单元排列而成．存储单元存放一位二进制代码０（或１）。存储单元可以由二极管构成，也可以由双极型三极管或ＭＯＳ管构成。15图6.2二极管ROM的电路结构图2２x4EN=016地址字线

数据A1A0Ｗi

D3D2D1D000Ｗ０

010101Ｗ１

101110Ｗ２

010011Ｗ３

1110D0=W0+W1D1=W1+W3D2=W0+W2+W3D3=W1+W3存储单元内容表(EN=0时)：W0=A1A0=m0W1=A1A0=m1W2=A1A0=m2W3=A1A0=m3

17由存储单元内容表可得：ROM与阵列（译码器）或阵列（存储体）18与阵列或阵列译码器 存储体A1A0字输出W0W1W2W3D3D2D1D019点阵图：••••••••A1A1A0A0•••••••••D3D2D1D0W0W1W2W3与阵列或阵列地址译码器实现的是地址输入变量的与运算，即与阵列；存储矩阵实现的是字线的或运算，因此也称其为或阵列。202.TTL—ROM2线/4线译码器W0W1W2W3D3D2D1D0••••A1A0•••••••••••••••VCC••••••••2２x421图6.3用MOS管构成的存储矩阵2２x422二、可编程只读存储器（PROM）特点：存储内容可由用户编写。

该类芯片出厂时在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储单元，即相当于在所有存储单元中都存入了1（或０）。使用前，用户可一次性将所需存入的信息（或程序）用专用的PROM写入器存入PROM中，一旦写入后就不能再次改写，写入的信息也不会丢失。23图6.4熔丝型PROM

的存储单元信息一次编程固定好（用烧断熔丝或击穿ＰＮ结的方法）字线位线图6.５ＰＮ结击穿法PROM的存储单元24图6.6PROM管的结构原理图25

用户根据需要将数据储存在编程单元中，并可以多次写入和擦除。编程元件:EPROM，E2PROM，Flash。特点：1）可多次进行擦除和重写。擦除时用紫外线照射就可以擦去EPROM原存的信息，再用电气的方法将内容进行改写编程。2）停电后，信息可长久保留。三、可擦写可编程只读存储器EPROMEPROM的基本结构

EPROM中的存储元件可分为两种：

1）SIMOS（叠栅注入型MOS）

2）FAMOS（浮栅注入型MOS）以此为例26图６.７SIMOS管的结构和符号叠栅注入ＭＯＳ管（简称ＳＩＭＯＳ）有两个重叠的栅极，即控制栅Gc和浮置栅Gf

。控制栅Gc有引线引出，与字线相接，用于控制读出和写入；浮置栅Gf没有引线引出，用于长期保存注入的负电荷。ＥＰＲＯＭ存储单元如图。叠栅注入型MOS位线字线27图６.７SIMOS管的结构和符号位线字线读出时

如果浮置栅Gf上没有积累电子，则ＭＯＳ的开启电压很低，此时若给控制栅Gc加＋５Ｖ电压，ＭＯＳ导通，位线上读出０。反之，如果浮置栅Gf上积累了电子，则ＭＯＳ管的开启电压很高，控制栅Gc上加＋５Ｖ电压时，ＭＯＳ管截止，位线上读出１。读出时28位线字线这种ＥＰＲＯＭ出厂时全为０（即浮置栅Gf上无电子积累），可根据编程需要再写入１。首先选中需要存储１的单元，在其对应的ＭＯＳ管的漏极上加约几十伏的正脉冲电压，使电子注入到浮置栅Gf中，即在存储单元中写入了１。由于无引线（即浮置栅上的电子无放电通路），所以电子能够长期保存。写入时写入时29ＥＰＲＯＭ的擦除方法：将器件放在紫外线下照射１５～２０分钟，使浮置栅上的电子形成光电流而泄放，从而恢复写入前的状态。ＥＰＲＯＭ可反复擦写多次。ＥＰＲＯＭ的缺点：擦除操作复杂，速度很慢。30图６.８使用SIMOS管的2561位EPROM31四、电可擦写可编程只读存储器E２PROM图６.９

E2PROM的存储单元图６.１０

Flotox管（Ｔ管）的结构和符号

Flotox管也有两个栅极，即浮置栅Gf和控制栅Gc

。与ＳＩＭＯＳ管不同之处是，漏区与浮栅之间有一个氧化极薄的隧道区。在一定条件下，隧道区可形成导电隧道，形成电流－隧道效应。32图６．１１E2PROM存储单元的三种工作状态

（a）读出状态（b）擦除（写1）状态（c）写入（写0）状态33E2PROM（电信号可擦PROM）的主要特性

1）可连机重编程；

2）有用于“擦除/写入”的在片电压倍增器（放大器）；

3）每个字可重复擦除/写入5万次左右；

4）数据可保存10年不挥发；

5）读出次数不受限制；

6）具有程序内容加密保护功能；

7）不但可实现全片，也可实现对位擦除。34

FlashMemory是发展很快的新型半导体存储器。它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。就其本质而言，FlashMemory属于E２PROM类型。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。目前普遍使用的大容量存储器仍为硬盘。硬盘虽有容量大和价格低的优点，但它是机电设备，有机械磨损，可靠性及耐用性相对较差，抗冲击、抗振动能力弱，功耗大。因此，一直希望找到取代硬盘的手段。由于FlashMemory集成度不断提高，价格降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。FlashMemory不足之处仍然是容量还不够大，价格还不够便宜。因此主要用于要求可靠性高，重量轻，但容量不大的便携式系统中。五、快闪存储器（FlashMemory）35快闪存储器中的叠栅MOS管36快闪存储器的存储单元37

易盘（EasyDisk）抗震性能极强，防潮、防磁、耐高低温，可擦写100万次，数据至少可保存10年。易盘（EasyDisk）体积小于一般的打火机，特别适合随身携带。其特点为：◎无需驱动程序，无外接电源◎可靠性好，可擦写超过100万次◎容量大（16M-256M至2GB）◎抗震防潮，耐高低温，携带方便◎体积非常小，重量仅15克◎独特的身份识别技术◎使用简便，即插即用、热插拔◎可支持用户命令◎存取速度快、约为软盘的30倍◎可防止引导区病毒和零磁道损坏38功能：1.

可靠性极高，采用闪速存储器（Flash）为存储介 质，可以确保100万次以上的可靠写入2.

兼容性好，是标准的磁盘驱动器，不需要驱动程序容量大，存储密度高，目前有16MB～１GB，不 久将可以达到2GB存储速度快，写入600KB/S，读出950KB/S，是普 通软驱传输速度的30倍以上支持无限升级，先进的技术可以确保升级用户自 行升级的方便和安全39首创可以支持用户命令的技术，使产品具有丰富的附加功能，且可以随软件的升级而不断扩展。独特的用户身份识别技术，使产品能够具有用户指定的身份识别符号具有磁盘保护功能，可以防止引导区病毒和0磁道损坏使用方便，支持热插拔

10. 抗震，防潮，耐高低温，携带十分方便40第二十四讲随机存储器RAM课题：ROM、RAM课时安排：2重点：ROM的应用难点：RAM的结构和工作原理教学目标：使同学了解RAM结构和工作原理，掌握RAM存贮容量的扩展，阵列图的画法教学过程：一、ROM的应用一、RAM的结构及工作原理

1、基本结构

2、SRAM内部结构及工作原理

3、DRAM逻辑结构及工作原理三、RAM容量扩展课后作业：P1946.156.1641（1）电路组成：与门阵列组成译码器或门阵列构成存储体（2）输出表达式与门阵列输出表达式或门阵列输出表达式六、ROM的应用42（3）ROM存储单元内容的真值表(EN=0)：D0~D3是A1，A0的函数43点阵图••••••••A1A1A0A0•••••••••D3D2D1D0W0W1W2W3与阵列或阵列地址译码器实现的是地址输入变量的与运算，即与阵列；存储矩阵实现的是字线的或运算，因此也称其为或阵列。441、作函数运算表电路【例1】试用ROM构成能实现函数y=x2的运算表电路，x的取值范围为0～15的正整数。【解】（1）分析要求、设定变量

自变量x的取值范围为0～15的正整数，对应的4位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据y=x2的运算关系，可求出y的最大值是152＝225，可以用8位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。（2）列真值表—函数运算表应用举例45真值表46（3）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ROM存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15Y7=m12+m13+m14+m1547【解】（1）写出各函数的标准与或表达式按A、B、C、D顺序排列变量，将Y1~Y4化为最小项表达式（标准与或表达式）2、实现任意多输出组合逻辑函数【例2】试用ROM实现下列函数：48（2）选用16×4位ROM，画存储矩阵连线图：49【例３】图示是用ＲＯＭ构成七段显示译码电路框图。试列出实现上述功能的ＲＯＭ数据表，并ＲＯＭ画出的阵列图。abcdefg

a

dfgbecA0A1A2A3ROM【解】（1）依题材意列真值表。其输入变量是８４２１ＢＣＤ码A３A２A１A０，输出为七段显示译码驱动端abcdefg（2）由真值表写出各输出函数的标准与或表达式(３)画ROM存储矩阵结点连接图多大容量？5051三、RＯM的容量扩展1．位扩展用8片1024（1K）×1位RＯM构成的1024×8位RＯM系统。1024Ｘ１RＯMAAAＯＥCS01...ＤＤ...1024Ｘ１RＯMAAAＯＥCS01...ＤＤ1024Ｘ１RＯMAAAR/WCS019...ＤＤ...AA01ＯＥCS017999A522．字扩展用8片1K×8位RＯM构成的8K×8位RＯM。01.G2A1274LS138AY+5V.GC7Y.G2BAYA.11A110.B.A...AＤ２７６４1000ＯＥ7ＯＥ1ＯＥ...9A２７６４90...A0ＤＯＥA２７６４CS9AACSＤ91AA...A1CS1AA0Ｄ0ＤＤ0Ｄ1Ｄ1Ｄ17Ｄ7Ｄ7Ｄ...............53６.３随机存取存储器（RAM）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。一．

RAM的基本结构

其结构与ＲＯＭ类似，仍由三部分组成54图12.2.2RAM的基本结构

55

RAM的基本结构如下图所示的三个部分：存储矩阵地址译码器读写电路地址输入端片选信号读写控制信号数据输入和输出端56

1.存储矩阵

存储矩阵是由大量的存储单元构成的，每个存储单元可以存储一位二进制数码０或１。与ＲＯＭ不同的是，ＲＡＭ存储单元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入的信息。572．地址译码器将存储器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。存储单元编址方式有两种一种是，适用于小容量在存储器；另一种是双译码地址方式，适用于大容量存储器单译码地址方式58双译码地址方式59存储矩阵

图中，1024个字排列成32×32的矩阵。为了存取方便，给它们编上号。

32行：编号X0、X1、…、X31，

32列：编号Y0、Y1、…、Y31。

这样每一个存储单元都有了一个固定的编号，称为地址。602．地址译码器—将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。采用双译码结构

行地址译码器

5输入32输出，输入为A0、A1、…、A4，输出为X0、X1、…、X31；列地址译码器

5输入32输出，输入为A5、A6、…、A9，输出为Y0、Y1、…、Y31，共有10条地址线61例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线X1＝1、列选线Y0＝1，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。62３．读写控制电路端为读写控制端，用于对电路工作状态的控制Ｒ／Ｗ是芯片选通端，＝０时，ＲＡＭ处于工作状态，＝１非工作状态，主要用于存储器的扩展。ＣＳＣＳＣＳＣＳ

＝０,＝１时，工作在读出状态。ＣＳＲ／Ｗ＝１时，所有的数据端均处于禁止状态ＣＳ＝０,＝０时，工作在写入状态，ＣＳＲ／Ｗ63

4、片选及输入/输出控制电路当选片信号CS＝1时G5、G4输出为0，三态门G1、G2、G3均处于高阻状态，输入/输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作；当CS＝0时，芯片被选通,当＝1时，G5输出高电平，G3被打开，于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；当＝0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加在I/O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。64

二.RAM的工作时序（以写入过程为例）读出操作过程如下：（1）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；（2）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。（3）在线上加低电平，进入写工作状态；（4）让选片信号CS无效，I/O端呈高阻态。65（一）静态RAM（SRAM）这是一种常见的RAM。这种RAM的存取速度非常快，几乎是后面介绍的DRAM的10倍。静态RAM（SRAM）基本存储元二、RAM的存储单元１、电路结构以六管NMOS静态RAM存储单元为例介绍其电路结构、工作原理及特点。66基本ＲＳ触发器行选线控制门列选线控制门六管NMOS静态存储单元673.静态RAM的优、缺点：优点：

☆数据由F-F记忆，不需另设电路定期刷新；

☆存取速度很快。缺点：

☆所用元件较多，集成度比DRAM低；

☆功耗较大；

☆体积较大，制造成本比DRAM高。2.工作原理：

1）写入:☆信号从I/O输入☆Xi=Yj=1

2）读出:选中存储单元，信号送I/O。68图7.3.8单管动态MOS存储单元69动态RAM（DRAM）

因为这种RAM的构造最为简单，单位制造成本最低，使用最为广泛。但是这种RAM的存取速度并不快，虽然可以用一些方法来改善，但毕竟有限。70DRAM中采用信息再生技术。预充刷新再生工作原理：1）写入☆信号从I/