数字电子第7章

第七章半导体存储器§7.1概述§7.2顺序存取存储器(SAM)§7.3随机存取存储器(RAM)§7.4只读存储器(ROM)触发器存储1位二进制信息寄存器存储1组二进制信息存储器存储信息量比寄存器大得多把成千上万个(寄存器)存储单元按一定规则组合起来，并辅以必要的控制电路，形成一个存储阵列，这就是半导体存储器。特点：集成度高、体积小、可靠性高、价格低、外围电路简单且易于接口、便于批量生产等。7.1半导体存储器的特点与分类

用途：在计算机或数字系统中存储数据。1.存储器定义：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。6.1.2半导体存储器的分类

按制造工艺分：双极型和MOS型。速度快、功耗大、价格高，主要用于对速度要求较高的场合（高速缓存用）集成度高、功耗低、价格低，大容量存储器都是用MOS工艺制作的（内存）按存取功能分：顺序存取存储器、随机存取存储器和只读存储器三类。顺序存取存储器(SAM---SequentialAccessMemory)

对信息的存入或取出是按顺序进行的，具有“先进先出”或“先进后出”的特点。随机存取存储器(RAM---RandomAccessMemory)

：可在任何时刻随机地对任一个存储单元直接存取信息。只读存储器(ROM---ReadOnlyMemory)：只读存储器所存储的信息是事先被固化在存储器中的，其信息可以长期保存，断电也不丢失

7.2随机存取存储器（RAM）随机存取存储器(RAM---RandomAccessMemory)

：可在任何时刻随机地对任一个存储单元直接存取信息。读出写入字：若干个二进制存储单元构成一个字。字长：一个字中所含二进制数的位数称为字长容量：存储容量等于字数乘以字长。2048×8表示这个RAM芯片有2048个字每个字的字长是8位则它的容量为16384位存储单元存储器的几个概念7.2.1RAM的结构与工作原理

RAM以字为单位组织内部结构，用若干个二进制存储单元构成一个字。每个字都被赋予一个确定的地址，一个字中所含二进制的位数称为字长。RAM存储容量=字数×字长(位数)=2n×Mn是地址线的条数M是数据线的条数如：一个RAM芯片有2048个字，每个字长是8位，则它的存储容量=2048×8=16384个存储单元。存储器的字数常以210=1024的倍数表示，并把1024称为1K。如：一个有11条地址线和8条数据线的存储器，它的存储容量表示为2K×8bit有一个32K×8的RAM，有多少个基本存储单元？32×1024×8有一个2K×4的RAM，有多少个基本存储单元？2×1024×4

RAM主要由存储矩阵，地址译码器及读/写控制电路三部分组成，如图所示。存储矩阵读写控制电路I/OCSR/W行地址译码器A0Ai+1Ai列地址译码器An–1……地址译码器功能是实现字的选择,每输入一组地址码就选择一个字,在大容量存储器中,通常将输入地址分为行地址和列地址,及读/写控制电路三部分组成，如图所示。存储矩阵读写控制电路I/OCSR/W行地址译码器A0Ai+1Ai列地址译码器An–1……合用一条双向数据线1、存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。每个存储单元存放1位二进制数据。存储器以字为单位组织内部结构，常以字数和字长的乘积表示存储器的容量例:一个容量为256×4（256个字，每字4位）的存储器，有1024个存储单元，这些单元可以排成32行×32列的矩阵，每行有32个存储单元，每4列存储单元连接在相同的列地址译码线上，组成一个字列，即，每行可存储8个字，所以图中有32根行地址选择线和8根列地址选择线。行地址译码器……Y1Y0Y7列地址译码器存储单元字x0x31…例:一个容量为256×1（256个字，每字1位）的存储器，8位二进制地址A7~A0恰好可以编出28=256个地址代码。有256个存储单元，这些单元可以排成16行×16列的矩阵，每行有16个存储单元，所以图中有16根行地址选择线和16根列地址选择线。行地址译码器……Y1Y0Y16列地址译码器存储单元x0x15A0A1A2A3A4A5A6A711111111000011112、地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。上述256个存储单元，可以看做256个房间，为了便于寻找，必须编号，即确定地址。8位二进制A7~A0可以编出28=256个地址代码当地址译码器的输入变量（地址变量）为n时，即译出2n个地址。例如：A7~A0=00001111，便可对15行0列单元进行读写

A7~A0=10010011，便可对3行9列单元进行读写3、读写控制与片选控制。线共用读写控制时,读出状态时,写入状态片选控制表示此片被选中

7.2.2RAM的存储单元按工作原理不同静态存储单元和动态存储单元RAM的核心是存储矩阵中的存储单元。存储单元按所用器件不同有双极型和MOS型两类。静态存储单元——6116（2K

×8位），6264

（8K

×8位），62256（32K

×8位）为采用CMOS管，静态功耗极小。在断电时，可以用小型锂电池供电，长期保存所存储的信息。动态存储单元——用MOS管的栅极电容实现暂存信息，需要刷新。动态存储单元的电路结构比静态存储单元的电路结构简单。但不如静态RAM使用方便，存取速度比静态RAM慢。A0A1A3A5A6GNDCS123456789181716151413121110RAM2114A7A2A4A8A9UCCI/O0I/O1I/O2I/O3R/W2114静态RAM它的容量是4K（1024字4位）；有10条输入地址线A0A9（210=1024），4条数据线I/O3I/O0，数据线都是经三态门输出的。一个片选端CS，一个读写控制端R/W，电源为+5V。7.2.3RAM存储容量的扩展当一片RAM不能满足存储容量需要时，就得将若干片RAM组合起来，扩展成满足存储容量要求的存储器。RAM的扩展分为字扩展和位扩展。用1K×4RAM扩展成1K×8位存储器用1K×4RAM扩展成2K×4位存储器用1K×4RAM扩展成2K×8位存储器位扩展（字长扩展）字扩展(地址扩展)字与位同时扩展用1K×4RAM扩展成1K×8位存储器位扩展（字长扩展）:

字数保持不变，增加每个字的位数方法:1)

把若干片位数相同的RAM芯片地址线共用2）线共用3）每个RAM片的I/O端并行输出用1K×4RAM扩展成1K×8位存储器如:并行输出1)

把原地址线共用,I/O端共用2）线共用3）根据需要再增加适当的地址线去控制2.字扩展(地址扩展)例如:256×4RAM扩展成1K×4N=1K×4256×4=4片282103.RAM的字与位同时扩展

字与位同时扩展，根据上述字和位扩展原理，将两种扩展方法结合起来便可实现。一般最好先进行位扩展，然后再进行字扩展。

用64×2RAM扩展成256×4位存储器2628N=256×464×2=8片7.3只读存储器（ROM）

7.3.1ROM的分类只读存储器可分为以下四类： 固定ROM（或称掩膜ROM）

可编程ROM（PROM）

紫外线可擦除ROM（EPROM）

电可擦除可编ROM（E2PROM）

只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）在存入数据后一般不能用简单的方法将其更改，并且具有掉电后信息不丢失的特点。7.3.2ROM的逻辑结构与工作原理

ROM的基本结构是由一个固定连接的与门阵列和一个可编程连接的或门阵列组成。

只读存储器ROM1.工作原理2－4线译码器A1,A0的四个最小项字线位线以2位地址输入和4位数据输出的ROM为例，其存储矩阵是四组二极管或门：W0=A1A0W1=A1A0W2=A1A0W3=A1A0地址译码器+VCCA1A0W0W0=A1A0地址译码器是与逻辑阵列只读存储器ROM2－4线译码器A1,A0的四个最小项字线位线D0=W3=A1A0存储矩阵，共有16个交叉点，每个交叉点是一个存储单元，交叉点接二极管，表示该单元存“1”，不接，存“0”D3=W1+W2

=A1A0+A1A0D2=W1+W2+

W3=

A1A0+

A1A0+A1A0D1=W0+W1+

W2=

A1A0+

A1A0+A1A0存储矩阵D3=W1+W2

D3W1W0W2W3字线位线=A1A0+A1A0位线与字线是或逻辑阵列位线与地址码之间是与或逻辑关系例如，当输入地址码A1A0=00时，字线W0被选中（输出高电平），其他为低电平，则该字线上的信息就从相应的位线上读出，D3D2D1D0=0010。例如，当输入地址码A1A0=01时，字线W1被选中（输出高电平），其他为低电平，则该字线上的信息就从相应的位线上读出，D3D2D1D0=1110。地址译码器是与逻辑阵列，位线与字线是或逻辑阵列，位线与地址码之间是与或逻辑关系，为了方便，常用简化画法，有二极管的存储单元用一个黑点表示。W0D2D3D1D0A0A1W1W2W3A0A1A0A1A0A1A0A1字线地址译码器位线D3W1W0W2W3地址译码器A0A1D2D1D0A0A1A0A1A0A1A0A1字线位线D0=W3=A1A0D3=W1+W2

=A1A0+A1A0D2=W1+W2+

W3=

A1A0+

A1A0+A1A0D1=W0+W1+

W2