第六章半导体存储器

《数字电子技术》6-2只读存储器(ROM)6-3随即存储器(RAM)6-1概述第6章半导体存储器第6章半导体存储器本章内容的特点：了解性的内容多、具有一般常识性，重点在于应用（容量扩展）6.1概述

一、半导体存储器的分类只读存储器ROM分类ROM

掩膜ROM内容只能读出，不能改变.半导体厂家用掩膜技术写入程序成本低，适用于批量生产不适用研究工作PROM可编程ROM内容只能读出，不能改变.用户使用特殊方法进行编程，只能写一次，一次编程不能修改。适用于批量生产不适用研究工作EPROM光可擦除PROM固化程序用紫外线光照5～15分钟擦除，擦除后可以重新固化新的程序和数据。用户可以对芯片进行多次编程和擦除。适用于研究工作不适用于批量生产。E2PROM电可擦除PROM实现全片和字节擦写改写，作为非易失性RAM使用。集成度和速度不及EPROM，价格高，擦写在原系统中在线进行。FlashMemory快速电擦写存储器可以整体电擦除（时间1S）和按字节重新高速编程。CMOS低功耗；编程快（每个字节编程100μs

整个芯片0.5s）；擦写次数多（通常可达到10万）与E2PROM比较：容量大、价格低、可靠性高等优势。用于PC机内装操作系统和系统不能丢失初始功能的专门领域。需要周期性地修改被存储的数据表的场合。内存细分信息存取方式特点用途

计算机系统中，一个二进制的取值单位称为二进制位，简称“位”，用b表示（bit的缩写），是表示信息的最小单位。二、计算机中信息的表示方法

1.信息单位

计算机系统中，对信息表示的单位有位、字节、字、字长等，它们是用来表示信息的量的大小以及信息存储传输方式的基本概念。（1）位

通常将8个二进制位称为一个字节，简称B（Byte的缩写），是表示的基本单元。（2）字节1KB＝210B＝1024B1MB＝220B=1024KB1GB=230B＝1024MB1TB=240B＝1024MB

计算机在执行存储、传送等操作时，作为一个整体单位进行操作的一组二进制，称为一个计算机字，简称字。（3）字（4）字长每个字所包含的位数称为字长。一般计算机的字长越大，其性能越高。内存储器是数据和代码的临时存放设备。2.内存储器（主存储器）内存储器可分为RAM（RandomAccessMemory，随机存储器）和ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）。目前，内存储器一般为半导体存储器。RAM的特点：是可读可写，但关机后存储的信息将自动消失。（1）随机存储器RAMRAM分为：动态存储器DRAM和静态存储器SRAM◆动态存储器DRAMDRAM主要用于主存储器（俗称内存条）的制造。◆静态存储器SRAM

SRAM主要用于高速缓存，其存取速度比DRAM分快得多。它存储的信息一般由厂商在制造时写入的。只能读出信息而不能修改，其所存信息在断电后仍能保持。

（2）只读存储器ROM特点：外存储器与内存储器相比，存储容量大，可靠性高，价格低，在脱机情况下可永久保存信息。3.外存储器主要有：软盘存储器、硬盘、光盘等。但速度较内存储器慢得多，它属外部设备。三、存储器的技术指标是指存储器存放数据的多少，即存储单元的总数存储容量＝N（字数）×Ｍ（位数）存储器的字数通常采用K、M、G为单位存储容量也可以用如下的几种形式表示：1K＝210＝10241Ｍ=220＝1024×1024=1024K1G＝230＝1024M256×81K×41Ｍ×1存储容量：三、存储器的技术指标存储容量＝N（字数）×Ｍ（位数）存储容量：存取周期：指两次连续读取（或写入）数据之间的间隔时间间隔时间越短，说明存储周期越短，工作速度越高。例如，一个328的ROM，表示它有32个字，

字长为8位，存储容量是328=256。

6.2只读存储器

只读存储器（ROM），它存储的信息是固定不变的。工作时，只能读出信息，不能随时写入信息。ROM功能存放固定信息程序，常数，指令，......ROM的优点信息非“易失”(Nonvolatile)简单，容量大一、掩膜只读存储器ROM1.ROM结构ROM的电路结构图

2.ROM的工作原理001100011100导通导通存储矩阵是一个“或”逻辑阵列W3=A1A0m3m2W2=A1A0m1W1=A1A0m0W0=A1A0A0A1地址译码器D3D2D1D0有二极管无二极管3.ROM的阵列图地址译码：与阵列A0A1W0W1W2W3A0_A0A1_A1A0A1W3A0A0A1A1W3ROM字数很大时，译码系统很复杂。字数较大，采用多级译码字数很少，一级译码存储电路或阵列可以画为：W0W1W2W3B0B1B2B3W0W1W2W3B0+W0W2B0++PROM——与阵列固定、或阵列可编程W0W1W2W3A0A1++++Y0Y1Y2Y3固定连接可编程连接不连接8x4ROMA0A1A2F0F1F2F3与阵列不可编程或阵列可编程8个存储单元，每个单元存储4位二进制数码。TTL-ROM结构图

MOS-ROM结构图

PROM出厂时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于存储1。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将需要存储0单元的熔丝烧断即可。熔丝烧断后不可恢复，故PROM只能进行一次性编程。

二极管ROM

TTL-ROM

MOS-ROM

Wi

Dj

Wi

Dj

VCC

Wi

Dj

+VDD

1熔丝熔丝熔丝二、可编程只读存储器(PROM)用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。用紫外线擦除信息的，称为EPROM。用电信号擦除信息的，称为EEPROM，即E2PROM。

按擦除方式不同分

EPROM只能整体擦除，擦除时间较长。

E2PROM中的存储单元可逐个擦除逐个改写，它的编程和擦除都用电信号完成，速度比EPROM快得多。三、可擦除可编程只读存储器(EPROM)

EPROM集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。四、集成

EPROM介绍

27系列EPROM是最常用的EPROM，型号从2716、2732、2764一直到27C040。存储容量分别为2K8、4K8一直到512K8。下面以Intel2716为例，介绍其功能及使用方法。

(一)2716的基本结构和引脚图存储容量为211=10242=2K字

,16Kbit

VCCIntel2716A8A9VPPOEA10CSD7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413

A10~A0

为地址码输入端。

D7~D0

为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入端。

VCC

和GND：+5V工作电源和地。

VPP

为编程高电平输入端。编程时加+25V

电压，工作时加+5V

电压。

(二)

引脚功能

CS

有两种功能：

(1)工作时为片选使能端，低电

平有效。CS=0时，芯片被

选中，处于工作状态。

(2)编程时为编程脉冲输入端。

OE为允许数据输出端，低电平有效。OE=0时，允许读出数据；OE=1时，不能读出数据。

(三)由CS、OE

和VPP

的不同状态，确定

2716的下列5种工作方式(1)读方式：当CS=0、OE=0，并有地址码输入时，

从D7~D0

读出该地址单元的数据。(2)维持方式：当CS=1

时，数据输出端D7~D0

呈高阻隔离态，此时芯片处于维持状态，电源电流下降到维持电流27mA以下。(3)编程方式：OE=1，在VPP

加入25V

编程电压，在地址线上输入单元地址，数据线上输入要写入的数据后，在CS

端送入50ms宽的编程正脉冲，数据就被写入到由地址码确定的存储单元中。(4)

编程禁止：在编程方式下，如果CS

端不送入编程正脉冲，而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编程禁止方式，数据端为高阻隔离态。(5)

编程检验：当VPP=+25V，CS

和OE

均为有效电平时，送入地址码，可以读出相应存储单元中的数据，以便检验。五、ROM的应用1、位扩展用4片328ROM扩展成3232ROM。【例】

位扩展（即字长扩展）：将多片存储器经适当的连接，组成位数增多、字数不变的存储器。

方法：用同一地址信号控制n个相同字数的ROM。

将4块32×8的ROM的所有地址线和CS（片选线）分别对应并接在一起，而每一片的位输出作为整个ROM输出的一位。1、位扩展用4片328ROM扩展成3232ROM。【例】即：将所有地址线和CS（片选线）分别对应并接在一起2、字扩展用256片(512x8)ROM芯片扩展成128Kx8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM............16片16片4-164-16译码列选择行选择__CE0__CE1【例1】用2片(32x8)ROM芯片扩展成128x4ROM【例2】【例1】用EPROM实现组合逻辑函数的点阵图如下图。（1）写出函数Y1、Y2的逻辑表达式。（2）说明器件的特点和点阵存储容量大小。3、用存储器实现组合逻辑函数［解］（1）逻辑函数Y1、Y2由EPROM矩阵实现。（2）EPROM为大规模集成电路，用户可根据需要反复改写存储单元的内容，因此可以实现任何复杂的组合逻辑函数。存储容量为6×8＋2×8＝64（个存储单元）根据EPROM的结构特点，与阵列为固定结构，或阵列为可编程结构。【例2】EPROM实现的组合逻辑函数如图所示。（1）分析电路功能，说明当输入X、Y、Z为何值时，函数F1＝1，函数F2＝1。（2）说明X、Y、Z为何种取值时，F1＝F2＝0。［解］由图可知，逻辑函数F1、F2由EPROM矩阵组成。即（2）从F1、F2的逻辑表达式中看出，当XYZ＝010,100时，F1＝F2＝0由上式看出：当XYZ＝000,

001，100,

101时，F1＝1；当XYZ＝011,

101,

110，111时，F2＝1。【例3】如图所示为多输出函数F1、F2、F3、F4的ROM点阵图，写出F1、F2、F3、F4对输入变量A、B、C的逻辑表达式。［解］［设计题1］已知函数F1、F2、F3、F4：试用EPROM实现上述函数，画出相应的点阵图。【解】（1）由本题给定的条件，可知输入变量数为A、B、C、D，（4个）输出为F1、F2、F3、F4（4个）。

用EPROM实现逻辑函数时，一般步骤为如下：（1）确定输入变量数和输出端个数；（2）将函数化为最小项之和的形式；（3）确定EPROM的容量；（4）确定各存储单元的内容；（5）画出相应的点阵图。（4）画出点阵图（2）利用卡诺图将函数F1～F4写成最小项之和的形式，得：F1＝∑（0，1，2，3，7，8，9，10，13，15）F2＝∑（0，2，4，6，9，14）F3＝∑（3，4，5，7，9，13，14，15）F4＝∑（0，1，2，3，4，6，7，8，9，10，11，

12，13，14）（3）矩阵的容量

8×16＋4×16＝192

【例2】试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数Y1=DCB+DCBY2=DCBA+CBA+DCBAY3=DCBA+DCBAY4=DCBA+DCBA解：将原式化为最小项之和的形式Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15点阵图Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15DCBAm0m1m2m14m153、用存储器实现组合逻辑电路【例1】试用ROM设计一个八段字符显示的译码器。100011101111110111101110011110101101000110101100001111101011111110101010111101111001111111111000111000010111101111110110101101110101011001110100111100110011110110110010011000010001111111010000abcdefghDCBA显示输出输入电路图ENA

B

C0十进制最小项被选中字线最小项编号位线SC00000101001110010111011101234567ABC0ABC0ABAC0AC0BC0BC0ABBC0AC0BAW0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70010100110010111表22.1.2全加器逻辑状态及三变量最小项编码【例2】试用ROM构成全加器电路。根据表22.1.2可得：WOm0W1m1W2m2W3m3W4m4W5m5W6m6W7m7SCABC最小项译码器图ROM构成的全加器4、字符发生器字符：0、1点阵组成例如：字母E111111000010000111101000010000111117x5点阵7x5ROM计数器CK译码器图字符显示原理图(b)WOW1W2W3W4W5W6(a)000001010011100101110D4D3D2D1D0行译码器A2A1A0读出电路例：用ROM构成的字符发生器显示字母R。5.ROM构成的序列脉冲发生器

采用计数器和ROM来实现。例：要产生01100010这一八位序列脉冲。在脉冲C的作用下，W0~W7依次被选中，从D依次输出01100010DQ0CQ1Q2RD八进制计数器八取一译码器图22.1.7ROM构成的序列脉冲发生器WOm0W1m1W2m2W3m3W4m4W5m5W6m6W7m71100010011000CD1234567891011121314工作波形脉冲最小项被选中字线最小项编号位线DQ2

Q1

Q000000101001110010111011101234567W0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70C8000二进制数Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0m0W0=1010100016.3随机存储器优点：读/写方便缺点：信息容易丢失，一旦断电，所存储器的信息会随之消失，不利于数据的长期保存。随机存储器:

也叫随机读/写存储器，简称RAM。双极型RAM：工作速度高，但制造工艺复杂，成本高，功耗大，集成度低，主要用于高速场合；◆RAM分为双极型和MOS型两种。MOS型RAM：制造工艺简单，成本低，功耗小，集成度高，但工作速度比双极型RAM低。目前大容量的RAM都采用MOS型存储器。◆MOS型RAM又分为静态SRAM和动态DRAM两种。◆

RAM的优点是读写方便，使用灵活；缺点是断电后存于RAM的信息会丢失。

MOS型RAM静态RAM：管子数目多，功耗大，但只要不断电，信息就永久保存。动态RAM：集成度高，功耗小，但必须定期给电容补充电荷，以防存储信息的丢失。

一般情况下，大容量的存储器使用动态RAM；小容量的存储器使用静态RAM。地址输入An-1A0A1地址译码器存储矩阵数据线读写/控制电路读/写控制(R/W)片选(CS)输入/输出I/O......2.RAM的结构和工作原理图RAM的结构框图1RAM的结构(1)存储矩阵：由存储单元构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。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信息，其存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。(2)地址译码器：也是N取一译码器。(3)读/写控制电路：当R/W=1时，执行读操作，R/W=0时，执行写操作。(4)片选控制：当CS=0时，选中该片RAM工作，CS=1时该片RAM不工作。

RAM的原理结构图

单地址译码方式RAM内部字线Wi选择的是一个字的所有位。由于n个地址输入的RAM，具有2n个字,所以应有2n根字线。

双地址译码方式地址译码器分为两个，即行地址译码器和列地址译码器。2.静态RAM存储单元(SRAM)用六只Ｎ沟道增强型MOS管组成的静态存储单元。特点：存储单元是由触发器构成，只要不失电，数据就不会丢失。缺点：管子数目较多，则功耗大、集成度受到限制。3.动态RAM的存储单元（DRAM）

存储单元由一只Ｎ沟道增强型MOS管T和一个电容CS组成。CB是位线上的分布电容（CB远大于CS）。9GNDCS8A27A16A05A34A43A52A61I/O0A9A8A7UCC121011141315161718I/O1I/O2I/O3R/W2114RAM2114静态RAM外引线排列图容量：1024字4位地址线：A9~A0(210=1024)数据线：I/O3~I/O0RAM与ROM的比较

相同处

★

都含有地址译码器和存储矩阵

★

寻址原理相同

相异处

★

ROM

的存储矩阵是或阵列，是组合逻辑电路。

ROM工作时只能读出不能写入。掉电后数据

不会丢失。

★

RAM

的存储矩阵由触发器或动态存储单元构

成，是时序逻辑电路。RAM工作时能读出，

也能写入。读或写由读/写控制电路进行控制。

RAM掉电后数据将丢失。三、集成RAM2114A介绍

A0~A9

为地址码输入端。

4个I/O

脚为双向数据线，用于读出或写入数据。VDD

接+5V。

R/W为读/写控制端。当R/W=1时，从I/O

线读出数据；当R/W=0时，将从I/O

线输入的数据写入RAM。VDDIntel2114A7A8A9I/OI/OI/OI/OR/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND1234567891817161514131211101K4位SRAMIntel2114引脚图信号与TTL电平兼容。

CS为片选控制端，低电平有效。CS=1时，读/写控制电路处于禁止状态，不能对芯片进行读/写操作。当CS=0时，允许芯片读/写操作。存储矩阵有1K个字，每个字4位。1K=1024=210，故需10根地址输入线。四、RAM的扩展

(一)RAM的位扩展方法：将各片RAM的地址输入端、读/写控制端R/W和片选端CS对应地并接在一起。RAM的位扩展接法

RAM的字扩展接法

(二)RAM的字扩展字扩展通常需用外加译码器来控制芯片的片选输入信号CS实现。如字数和位数都不够用，则可将字数和位数同时进行扩展，便组成了大容量的存储器。4