数字电子技术基础（第五版）：第七章 半导体存储器

第七章半导体存储器介绍半导体存储器的工作原理和使用方法只读存储器（ROM）掩模ROM；可编程ROM（PROM）；可擦除的可编程ROM（EPROM）随机存储器（RAM）静态随机存储器（SRAM）动态随机存储器（DRAM）扩展存储容量位扩展字扩展用存储器设计组合逻辑电路存储容量

—指一个存储器所能存放的最大信息量。通常用B（Byte字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）表示。存取时间

—指完成一次存储器读/取操作所需的时间（又称读写时间）。可靠性—指存储器在规定时间内无故障工作的情况。一般采用平均无故障时间间隔（MTBF）衡量。MTBF长，存储器可靠性好。价格—由存储器容量、性能决定。

存储器的主要指标半导体存储器：能存储大量二值信息的半导体器件。优点：存储密度高，体积小，容量大，读写速度快，功耗低性能指标：存储量和存储速度硬盘光盘7.1

概述分类：掩模ROM可编程ROM(PROM)可擦除的可编程ROM(EPROM)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)静态存储器SRAM动态存储器DRAM按功能特点只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)按制造工艺双极型

MOS型：低功耗、集成度高的特点7.2只读存储器(ROM)特点：只能从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据。优点：电路结构简单，断电后数据不会丢失。缺点：适用于存储固定数据。返回*掩膜式ROM___数据已确定,无法更改。*快闪存储器

___电可擦除类ROM,具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特点*可编程ROM(PROM)___数据可以由用户根据自己的需要写入,但一经写入就不能更改。*紫外线可擦除ROM(EPROM)___数据可由用户写入,并能擦除重写。*电可擦除ROM(E2PROM)___数据可由用户写入,并能擦除重写。只读存储器的分类:7.2.1

掩模ROM一、结构存储矩阵：由二极管、双极型三极管或MOS管构成存储单元。地址译码器：将输入的地址代码译成相应的控制信号。输出缓冲器：提高存储器的带负载能力；实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。特点：数据在制作时已经确定，无法更改控制信号数据二、举例字线地址线位线三态控制数据线地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110D0DmA0~An-1W0W(2n-1)10100001000100存储矩阵：存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”；交叉点接二极管==存入“1”交叉点没接二极管==存入“0”交叉点数目=存储单元数目=存储量（容量）存储器的容量：“字数x位数”用二极管构成的存储矩阵用MOS管构成的存储矩阵1000导通01000111返回7.2.2可编程ROM（PROM）编程时VCC和字线电压提高IP存储矩阵的所有交叉点上制作了存储元件；熔丝由易熔合金制成编程时将存入0的熔丝烧断一次性编程，不能改写返回7.2.3可擦除的可编程ROM（EPROM）存储的数据可以擦除重写分类用紫外线擦除的PROM(EPROM)电信号可擦除的PROM(E2PROM)快闪存储器(FlashMemory)一、用紫外线擦除的PROM（UVEPROM）控制栅浮置栅控制栅：控制读出和写入浮置栅：长期保存注入电荷二、电可擦除的可编程ROM（E2PROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同控制栅浮置栅读出状态导通浮置栅没有负电荷：T1导通，Bj读出0；浮置栅有负电荷：T1截止，Bj读出1；可延长隧道区超薄氧化层的寿命。特点：系统正常工作状态下，E2PROM只能工作在读出状态擦除状态隧道区产生强电场；漏区的电子通过隧道区到达浮置栅，形成存储电荷；Flotox管的开启电压提高到+7V以上；读出时GC上的电压为+3V，Flotox管不会导通；一个字节擦除后，所有的存储单元均为1状态。特点：需要加高电压脉冲，擦除的时间较长写入状态使写入0的存储单元的Flotox管浮置栅放电；浮置栅通过隧道区放电；开启电压降为0V读出时Ge上加+3V电压，Flotox管导通特点：需要加高电压脉冲，写入的时间较长三、快闪存储器（FlashMemory）为提高集成度，省去T2（选通管）改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程次数都是有限的，典型次数为100万次(NANDFlash)。U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为芯片内部往往有电荷泵（chargepump

）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高电压的要求。优点：编程和擦除操作不需要使用编程器；写入和擦除的控制电路集成于存储器芯片中5V的低压电源工作，使用方便缺点：编程次数有限返回ROM图的简化结构图:

地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110对应的数据表:存储容量：——用“字数位数(即字长)”表示存储器中存储单元的数量。存储容量及其表示:用“M”表示“1024K”，即1M=1024K=210K=220例如，一个328的ROM，表示它有32个字,地址线为5位，字长为8位，存储容量是328=256。对于大容量的ROM

常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210

例如，一个64K8的ROM，表示它有64K个字，

字长为8位，存储容量是64K8=512K。例如，一个存储容量为102412的ROM

。表示它有1024个字，10位地址线，字长为12位。

存储容量:

字数×

位数例1:如图所示ROM的存储容量为:例2:

已知某个ROM的存储容量为:16×2

则其地址线为:字线为:数据线为:例3:ROM的存储容量为:1024×8

则其地址线为:字线为:数据线为:416210102484×47.3

随机存储器(RAM)优点：读、写方便，使用灵活缺点：停电后存储的数据丢失分类静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM返回7.3.1静态随机存储器SRAM（一）SRAM的结构读/写控制电路：对电路的工作状态进行控制读/写控制信号R/W’=1,读数据

R/W’=0,写数据片选输入端CS’=0，RAM正常工作

CS’=1，所有的输入/输出端均为高阻态（二）SRAM的静态存储单元静态存储单元：在SR锁存器的基础上附加门控管而构成六管CMOS静态存储单元六管N沟道增强型MOS管（二）SRAM的静态存储单元返回单管存储单元7.3.2

动态随机存储器DRAM原理：

MOS管栅极电容可以存储电荷写数据：字线高电平，T导通，位线上的数据经T存入CS中读数据：字线高电平，T导通，CS经T向CB提供电荷，位线获得读出的信号电平256MBDDRSDRAM原理图DRAM芯片组成的内存模块返回7.4存储器容量的扩展7.4.1位扩展方式例：用八片1024x1位→1024x8位的RAM一片ROM或RAM不能满足容量的要求字数够用，位数不够用接法：将各片的地址线、读写线、片选线并联7.4.2字扩展方式1024x8RAM例：用四片256x8位→1024x8位RAM位数够用，字数不够用000111011011101101111110RAM的字扩展接法1000111011011101101111110RAM的字扩展接法2位、字扩展:扩展地址线和数据线

例1:将1024×2的RAM扩展成2048×4的RAM

位、字扩展方式:ROM的分析——例题1例题1:分析如图所示电路的逻辑功能。解：DCBAF3F2F1F0

00000011

00010100

00100101

00110110

0100011101011000011010010111101010001011

10011100

10100000

10110000

11000000110100001110000011110000*由图写表达式：*由表达式列真值表:*逻辑功能：实现8421BCD码到余3码的转换。ROM的分析——例题2例题2：分析如图所示电路的逻辑功能。解:*由图写表达式:*由图列真值表:(见P193表4.3.9)*逻辑功能:一位全加器7.5用存储器实现组合逻辑函数一、基本原理 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地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110译码器的输出包含了输入变量全部的最小项每一位数据输出是若干个最小项之和二、举例固定的m0m15可变的存储器件用ROM的设计逻辑函数例题1:用ROM设计逻辑函数:例题2:用ROM设计一个一位全减器.例题3：用ROM实现多输出函数用ROM的设计逻辑函数ROM的设计——例题1例题1:用ROM设计逻辑函数:解：*将函数整理成最小项表达式：*画ROM的连接图ROM的设计——例题2例题2:用ROM设计一个一位全减器.解：*列真值表ABCICOSABCICOS0000010001001111010001011110000111011111（减法A

–B

–CI=COS）*由真值表写表达式*由表达式画ROM的连接图ROM的设计——例题2（续）例题2:用ROM设计一个一位全减器.解：*由真值表写表达式*由表达式画ROM的连接图ROM的设计——例题3例题3:用ROM实现多输出函