第六章半导体存储器

第六章半导体存储器2第6章半导体存储器半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用于计算机的内存及数字系统存储部件。6.1概述6.2只读存储器6.3随机存取存储器

36.1概述

6.1.1半导体存储器的特点及分类

按存储信号的原理不同：分为静态存储器和动态存储器两种。

分成TTL和MOS存储器两大类。TTL型速度快，MOS型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点。按制造工艺不同分类：4静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和1的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电。称为刷新。动态存储器都为MOS型。按工作特点不同：分成只读存储器、随机存取存储器。5

6.1.2半导体存储器的主要技术指标：半导体存储器有两个主要技术指标：存储容量和存取时间。1、存储容量：存储器中存储单元个数叫存储容量，即存放二进制信息的多少。6存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做字长。例如，16位构成一个字，该字的字长为16位。一个存储单元只能存放一位二值代码，要存储字长为16的一个字，就需要16个存储单元。若存储器能够存储1024个字，就得有1024×16个存储单元。通常,存储容量应表示为字数乘以位数。7例如:某存储器能存储1024个字，每个字4位，那它的存储容量就为1024×4=4096，即该存储器有4096个存储单元。存储器写入（存）或者读出（取）时，每次只能写入或读出一个字。若字长为8位，每次必须选中8个存储单元。选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址码来决定。8

地址码的位数n与字数之间存在2n=字数的关系。如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存210=1024个字。

2、存取周期连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。96.2只读存储器半导体只读存储器(Read-onlyMemory,简称ROM)是只能读不能写的存储器。通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符等。只读存储器为非易失性存储器，去掉电源，所存信息不会丢失。10ROM按存储内容的写入方式，可分为固定ROM,可编程序只读存储器，简称（PROM)和可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammableReadOnlyMemory，简称EPROM)。固定ROM：在制造时根据特定的要求做成固定的存储内容，出厂后，用户无法更改，只能读出。11PROM：存储内容可以由使用者编制写入，但只能写入一次，一经写入就不能再更改。EPROM：存储内容可以改变，但EPROM所存内容的擦去或改写，需要专门的擦抹器和编程器实现。在工作时，也只能读出。E2PROM：可用电擦写方法擦写。126.2.1固定只读存储器(ROM)图6-1ROM结构图ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图6-1所示。13图6-2(4×4)的NMOS固定ROM地址译码器存储矩阵输出电路字线14图6-2是一个4×4位的NMOS固定ROM。地址译码器：有两根地址输入线A1和A0，共有4个地址号，每个地址存放一个4位二进制信息；译码器输出线：W0、W1、W2、W3称为字线，由输入的地址代码A1A0确定选中哪条字线。被选中的数据经过输出缓冲器输出。15存储矩阵：是NMOS管的或门阵列。一个字有4位信息，故有四条数据线输出又称为位线。它是字×位结构。存储矩阵实际上是一个编码器，工作时编码内容不变。位线经过反相后输出，即为ROM的输出端D0、D1、D2、D3。16每根字线和位线的交叉处是一个存储单元，共有16个单元。交叉处有NMOS管的存储单元存储“1”，无NMOS管的存储单元存储“0”。例如，当地址A1A0=00时，则W0=1（W1、W2、W3均为0），此时选中0号地址使第一行的两个NMOS管导通，17经输出电路反相后，输出D3D2D1D0=0101。因此，选中一个地址，该行的存储内容输出。四个地址存储的内容如表6-1所示。1100D01011D20101D10101D3内容00011011A1A0地址表6-1ROM中的信息表18固定ROM的编程是设计者根据要求确定存储内容，设计出存储矩阵，即哪些交叉点（存储单元）的信息为1，哪些为0。为1的制造管子，为0的不需制造管子，画出存储矩阵编码图。通常，存储矩阵中有管子处，用“码点”表示，由生产厂制作。图6-2的存储矩阵简化编码图如图6-3所示。19位线与字线之间逻辑关系为：D0=W0+W1D1=W1+W3

D2=W0+W2+W3

D3=W1+W3图6-3ROM的符号矩阵20存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩阵是或矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关系，因此ROM是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）的与或逻辑阵列。

216.2.2可编程只读存储器(PROM)

PROM和ROM的区别在于ROM由厂家编程，PROM由用户编程。出厂时PROM的内容全是0或全是1，使用时，用户可以根据需要编好代码，写入PROM中。22图6-432字×8位熔断丝结构PROM这种电路存储内容全部为0。如果想使某单元改写为1，需要使熔断丝通过大电流，使它烧断。一经烧断，再不能恢复。23

6.2.3可擦可编程只读存储器(EPROM)

可擦除可编程存储器又可以分为：光可擦除可编程存储器UVEPROM(Ultra—VioletEreasableProgrammableRead－OnlyMemory)电可擦除可编程存储器E2PROM(ElectricalEreasableProgrammableRead－OnlyMemory)快闪存储器(FlashMemory)等。24[例6-1]试用ROM设计一个能实现函数y=x2的运算表电路,x的取值范围为0~15的正整数。解：因为自变量x的取值范围为0~15的正整数,所以应用4位二进制正整数,用B=B3B2B1B0表示,而y的最大值是=225,可以用8位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。根据y=x2的关系可列出Y7、

Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0与B3、B2、B1、B0之间的关系如表6-2所示。根据表6-2可以写出Y的表达式：Y7=∑（12，13，14，15）Y6=∑（8，9，10，11，14，15）Y5=∑（6，7，10，11，13，15）Y4=∑（4，5，7，9，11，12）Y3=∑（3，5，11，13）Y2=∑（2，6，10，14）Y1=0Y0=∑（1，3，5，7，9，11，13，15）250149162536496481100121144169196225十进制数注00000000000000010000010000001001000100000001100100100100001100010100000001010001011001000111100110010000101010011100010011100001Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0输出0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111B3B2B1B0输入真值表26根据表达式画出ROM存储点阵如下图。ROM点阵图276.3随机存取存储器

随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）可随时从任一指定地址存入（写入）或取出（读出）信息。在计算机中，RAM用作内存储器和高速缓冲存储器。RAM分为静态RAM和动态RAM；静态RAM又分为双极型和MOS型。28

6.3.1静态RAM

1、双极型RAM存储单元;2、静态MOS型RAM;29

6.3.

2动态RAM

动态RAM与静态RAM的区别在于：信息的存储单元是由门控管和电容组成。用电容上是否存储电荷表示存1或存0。为防止因电荷泄漏而丢失信息，需要周期性地对这种存储器的内容进行重写，称为刷新。动态MOS存储单元电路主要是三管和单管结构。306.3.3集成RAM简介

以Intel公司的MOS型静态2114为例。31图6-14是Intel公司的MOS型静态2114的结构图。1024×4位RAM。可以选择4位的字1024个。采用X、Y双向译码方式。4096个存储单元排列成64行×64列矩阵，64列中每四列为一组，分别由16根Y译码输出线控制。即每一根译码输出线控制存储矩阵中四列的数据输入、输出通路，读写操作在（读/写信号）和（选片信号）的控制下进行。图6-142114RAM1024×4位存储器结构图326.3.4RAM的扩展RAM的种类很多，存储容量有大有小。当一片RAM不能满足存储容量需要时，就需要将若干片RAM组合起来，构成满足存储容量要求的存储器。RAM的扩展分为位扩展和字扩展两种。

1.位扩展字数满足要求，而位数不够时，应采用位扩展。33实现位扩展的原则是：①多个单片RAM的I/O端分别接到数据线上。②多个RAM的CS接到一起，作为RAM的片选端（同时被选中）；③地址端对应接到一起，作为RAM的地址输入端。④多个单片RAM的R/W端接到一起，作为RAM的读/写控制端（读/写控制端只能有一个）；34图6-15是用4片256×1位的RAM扩展成256×4位的RAM的接线图。图6-15RAM位扩展接线图35

2.字扩展在RAM的数据位的位数足够，而字数达不到要求时，需要进行字扩展。字数增加，地址线数就得相应增加。如256×8位RAM的地址线数为8条，而1024×8位RAM的地址线数为10条（接线见图6-16）。实现字扩展的原则是：①多个单片RAM的I/O端并联，作为RAM的I/O端.36②多片构成字扩展之后，每次访问只能选中一片，选中哪一片，由字扩展后多出的地址线决定。多出的地址线经译码器译码，接至各片RAM的CS端；③地址端对应接到一起，作为低位地址输入端。④R/W端接到一起作为RAM的读/写控制端（读写控制端只能有一个）；37图6-16RAM的字扩展接法38[例6-1]试用1024×4位RAM实现4096×8位存储器。解：4096×8位存储器需1024×4位RAM的芯片数39

根据2n=字数，求得4096个字的地址线数n=12，两片1024×4位RAM并联实现了位扩展，达到8位的要求。地址线A11、A10接译码器输入端，译码器的每一条输出线对应接到二片1024×4位RAM的CS端。连接方式见图6-17所示。40RAM的字、位扩展地址总线数据总线41半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存储一位二进制数。根据存取功能的不同，半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，两者的存储单元结构不同。ROM属于