第七章 半导体存储器

存储器、复杂可编程逻辑器和现场可编程门阵列7.1只读存储器7.2随机存取存储器7.3复杂可编程逻辑器件*7.4现场可编程门阵列*7.5用EDA技术和可编程器件的设计例题教学基本要求：掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址等基本概念。掌握RAM、ROM的工作原理及典型应用。了解存储器的存储单元的组成及工作原理。概述半导体存贮器能存放大量二值信息的半导体器件。可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由用户通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵活、处理速度快、可靠性高等优点。存储器的主要性能指标取快速度——存储时间短存储数据量大——存储容量大7.1只读存储器7.1.1ROM的定义与基本结构7.1.2两维译码7.1.3可编程ROM7.1.4集成电路ROM7.1.5ROM的读操作与时序图7.1.6ROM的应用举例存储器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)RAM(随机存取存储器):在运行状态可以随时进行读或写操作。存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电,数据全部丢失。ROM(只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息（如程序、常数等）。固定ROM可编程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：静态RAMDRAM(DynamicRAM)：动态RAM7.1只读存储器几个基本概念：存储容量（M)：存储二值信息的总量。字数：字的总量。字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，字的位数称为字长。存储容量（M)＝字数×位数地址：每个字的编号。字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）

只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。(Read-OnlyMemory)ROM的分类按写入情况划分

固定ROM可编程ROMPROMEPROME2PROM按存贮单元中器件划分

二极管ROM三极管ROMMOS管ROM7.1.1ROM的定义与基本结构存储矩阵地址译码器地址输入7.1.1ROM的定义与基本结构数据输出控制信号输入输出控制电路地址译码器存储矩阵输出控制电路

例如：容量为256×1的存储器地址译码器8根列地址选择线32根行地址选择线32×8=256个存储单元译码方式单译码双译码---n位地址构成2n条地址线。若n=10，则有1024条地址线---将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。若给出地址A7-A0=00100001，将选中哪个存储单元读/写？

若容量为256×4的存储器，有256个字，8根地址线A7-A0，但其数据线有4根，每字4位。8根列地址选择线32根行地址选择线1024个存储单元

若给出地址A7-A0=00011111，哪个单元的内容可读/写？

1）ROM（二极管PROM）结构示意图存储矩阵位线字线输出控制电路M=44地址译码器字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管相当存1，无二极管相当存0当OE=1时输出为高阻状态000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0内容当OE=0时字线存储矩阵字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有MOS管相当存0，无MOS管相当存1。7.1.2两维译码该存储器的容量=?以上两种称为掩膜ROM，其存储矩阵中的内容在出厂时已被固定，用户不能修改。

PROM字线位线熔断丝

将熔丝烧断，字线、位线在此交叉，该单元变成“0”。

PROM是一种可编程序的ROM，采用熔丝结构，只给用户一次编程机会。在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为“0”。7.1.4集成电路ROMAT27C010，128K´8位ROM

工作模式A16~A0VPPD7~D0读00XAiX数据输出输出无效X1XXX高阻等待1XXAiX高阻快速编程010AiVPP数据输入编程校验001AiVPP数据输出7.1.5ROM的读操作与时序图（2）加入有效的片选信号（3）使输出使能信号有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；（4）让片选信号或输出使能信号无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；（1）用于存储固定的专用程序（2）利用ROM可实现查表或码制变换等功能

查表功能－－查某个角度的三角函数

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据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。

码制变换－－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元中的内容即可。7.1.6ROM的应用举例CI3I2I1I0二进制码O3O2O1O0格雷码CI3I2I1I0格雷码O3O2O1O0二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)二进制码O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷码C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)格雷码O3O2O1O0(D3D2D1D0)二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010C=A4I3I2I1I0=A3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D0用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路

7.2随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器(SRAM)7.2.2同步静态随机存取存储器（SSRAM）7.2.4存储器容量的扩展7.2.3动态随机存取存储器7.2随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器(SRAM)1SRAM的本结构CE

OE

WE

=100高阻CE

OE

WE

=00X输入CE

OE

WE

=010输出CE

OE

WE

=011高阻SRAM的工作模式

工作模式

CE

WE

OE

I/O0~I/Om-1

保持(微功耗)

1

X

X

高阻

读

0

1

0

数据输出

写

0

0

X

数据输入

输出无效

0

1

1

高阻

QQT1~T4

构成基本R-S触发器六管存储单元T5、T6为门控管T7、T8为数据线控制管1、静态RAM存储单元（1）写操作Xi=1有效，T5，T6开通；Yj有效T7，T8开通。数据(D=1)被写入存储单元。（2）读操作Xi有效，T5，T6开通；Yj有效T7，T8开通。数据(Q=1)从存储单元读出。1010010111QQ原存储Q=0（a）（b）

2.SRAM的读写操作及时序图读操作时序图2.SRAM的写操作及时序图写操作时序图7.2.2同步静态随机存取存储器（SSRAM）SSRAM是一种高速RAM。与SRAM不同,SSRAM的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。寄存地址线上的地址寄存要写入的数据ADV=0:普通模式读写ADV=1:丛发模式读写=0:写操作=1:读操作

寄存各种使能控制信号，生成最终的内部读写控制信号；2位二进制计数器,处理A1A0ADV=0:普通模式读写片选无效=0:写操作WE=1:读操作WE普通模式读写模式:在每个时钟有效沿锁存输入信号,在一个时钟周期内,由内部电路完成数据的读(写)操作。读A1地址单元数据I/O输出A1数据;开始读A2数据I/O输出A2数据;开始读A3数据I/O输出A6数据;开始读A7数据开始读A4地址单元数据I/O输入A5数据;开始写A6数据I/O输出A4数据;开始写A5数据,读A2地址单元数据丛发模式读A2+1中的数据丛发模式读A2+2中的数据丛发模式读A2+3中的数据丛发模式重新读A2中的数据

ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写模式：在有新地址输入后,自动产生后续地址进行读写操作,地址总线让出读A1地址单元数据丛发模式读A1+1中的数据丛发模式读A1+2中的数据在由SSRAM构成的计算机系统中，由于在时钟有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到SSRAM内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均在时钟作用下，由SSRAM内部控制完成。此时，系统中的微处理器在读写SSRAM的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个系统的工作速度。

SSRAM的使用特点：

1、动态存储单元及基本操作原理

T

存储单元写操作:X=1=0T导通，电容器C与位线B连通输入缓冲器被选通，数据DI经缓冲器和位线写入存储单元如果DI为1，则向电容器充电，C存1;反之电容器放电,C存0。

-

刷新R行选线X读/写输出缓冲器/灵敏放大器刷新缓冲器输入缓冲器位线B7.2.3动态随机存取存储器读操作:X=1=1T导通，电容器C与位线B连通输出缓冲器/灵敏放大器被选通，C中存储的数据通过位线和缓冲器输出

T

/

刷新R行选线X输出缓冲器/灵敏放大器刷新缓冲器输入缓冲器位线B每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此时刷新控制R也为高电平，则读出的数据又经刷新缓冲器和位线对电容器C进行刷新。7.2.4存储器容量的扩展位扩展可以利用芯片的并联方式实现。···CE┇A11A0···WED0D1

D2

D3WECEA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CEA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3WE1.字长（位数）的扩展---用4KX4位的芯片组成4KX16位的存储系统。7.2.4RAM存储容量的扩展2.字数的扩展—用用8KX8位的芯片组成32KX8位的存储系统。RAM1D0D7A0A12CE1芯片数=4RAM1D0D7A0A12CE1RAM1D0D7A0A12CE1RAM1D0D7A0A12CE1系统地址线数=15系统:A0~A14

A13~A14?2000H2001H2002H┇3FFFH4000H400H4002H┇5FFFH6000H6001H6002H┇7FFFH0000H0001H0002H┇1FFFH芯片:A0~A12

32K×8位存储器系统的地址分配表各RAM芯片译码器有效输出端扩展的地址输入端A14A138K×8位RAM芯片地址输入端

A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0对应的十六进制地址码

Ⅰ

00

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0

0

0

0

100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

10000H0001H0002H┇1FFFH

Ⅱ

01

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0