数字电子技术 教学课件 作者 包晓敏第7章 大规模数字集成电路（7.1～7.4）

数字电子技术书号：978-7-111-36240-1机械工业出版社本书课件及答案下载网页链接为：http:///book/book!webDetails.do?book_id=2011536第7章大规模数字集成电路7.1存储器概述

7.2存储器的分类和性能指标

7.3随机存取存储器7.4只读存储器7.1存储器概述半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路，它可以用于存储大量的数据、程序和各类资料，是数字电子系统中必不可少的组成部分。具有集成度高、功耗小、可靠性高、体积小、价格低、便于自动化批量生产等优点。目前在数字通信、数据采集与处理、工业自动控制以及人工智能等领域都得到了广泛应用。7.2存储器的分类和性能指标7.2.1存储器的分类

7.2.2存储器的性能指标7.2.1存储器的分类按制造工艺分类：双极型存储器：以双极型触发器为基本存储单元，工作速度快，但功耗大、集成度低、成本较高，主要用于对速度要求较高而存储容量不大的场合，如在计算机系统中用做高速缓冲存储器。MOS型存储器：以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，功耗低、集成度高、成本低，但访问速度比双极型存储器慢，主要用于对存储容量要求较高的场合，如在计算机系统中用做主存储器。7.2.1存储器分类按存取方式分类：只读存储器(ROM)：在正常工作时只能读出制造厂商事先存入的数据，而不能随时修改或重新写入数据，断电后数据不会丢失。常用的ROM有掩膜ROM、PROM、EPROM和FlashMemory等多种类型。随机存取存储器(RAM)：在工作中可以随时从任何指定地址读出数据，也可以随时把数据写入任何指定的存储单元。最大优点是读写方便，使用灵活。但是RAM中存储的数据不能长期保留，断电后数据立即消失。7.2.1存储器分类RAM又可分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）两种：SRAM：其存储单元为触发器，数据一旦被写入就能够稳定地保持下去，工作时不需要刷新，但存储容量较小。DRAM：其存储单元为电容，利用对电容器的充放电来存储信息。为了保证DRAM内部信息的正确性，电容内部的电荷量需要维持在一定的水平。因此，在工作时需要周期性地进行信息刷新。DRAM电路简单，功耗低，集成度高，常用于大容量存储器。7.2.2存储器的性能指标半导体存储器的主要性能指标是存储容量和存取时间。存储容量：是指存储器可以存储的二值信息量。存储器中的一个基本存储单元能存储1bit（位）的信息，存储器中的一个字是一个多位二进制数，其位数被称为字长。存取时间：是指完成一次读或者写操作所需要的时间，即从存储器收到一个新的地址输入开始，到它读出或者写入数据为止所需要的时间。连续两次读（或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期。读（或写）周期越短，存储器的工作速度就越快。7.3随机存取存储器7.3.1RAM的结构

7.3.2SRAM存储器原理7.3.3DRAM存储器原理7.3.4SRAM扩展方法7.3.1RAM的结构RAM通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成。图7-1RAM的结构示意图7.3.1RAM的结构存储矩阵：是存储单元的集合体。存储矩阵中的每个存储单元只能存储1位二进制数，由若干个存储单元可构成一个字存储单元（简称字单元），每个字单元中所包含的存储单元个数称为字长。整个存储矩阵中所包含的字单元个数称为字数，存储矩阵的存储容量就等于字数和字长的乘积。例如，有一个RAM的存储容量为128M×8，表示该RAM的存储矩阵中有128M个字单元，每个字单元的字长为8，存储单元的总数为128M×8个。7.3.1RAM的结构地址译码器：是实现地址选择的译码电路。RAM为存储矩阵中的每个字单元赋予了一个由多位二进制数构成的地址编号，称为地址码。RAM进行每次读/写都是针对一个字单元的数据。地址译码器的功能就是将RAM的输入地址码译成相对应的字线的输入信号，从而将存储在相应字单元中的数据读出到数据线上，或者将数据线上的数据存入到相应的字单元中。7.3.1RAM的结构假设存储矩阵中含有32个字单元，则需要使用5位二进制数A4A3A2A1A0来表示其地址码。当A4A3A2A1A0=00011时，字线W3输出高电平，即选中了字单元3。图7-2地址译码器原理图图7-31024×1位RAM的结构示意图7.3.1RAM的结构读/写控制电路：访问RAM时，对被选中的字单元是进行读操作还是写操作，是通过读/写控制线进行控制的。在图7-1所示的RAM中，读/写控制线是分开的，一根为读()，另一根为写()。当存储器读操作时，读使能信号，片选信号，内部总线D上的信息被送到外部I/O引脚上；当存储器写操作时，写使能信号，片选信号，I/O线上的数据以互补的形式出现在内部总线和上，并被写入指定的字单元。7.3.2SRAM存储器原理图7-46管静态存储单元7.3.3DRAM存储器原理图7-5单管动态存储单元DRAM的存储单元：DRAM的存储单元有单管电路、3管电路和4管电路等不同形式，都是利用MOS管栅极电容存储电荷的原理制成。其中，单管存储电路最为简单，只由一只MOS管和一个电容构成，如图7-5所示。7.3.3DRAM存储器原理图7-6DRAM的基本结构DRAM的基本结构：图7-6所示为DRAM的基本结构示意图。由于DRAM的存储容量很大，它所需的地址位数也比较多，因此通常采用双译码结构，以时分复用的方式输入地址。7.3.4SRAM扩展方法单个SRAM存储芯片的存储容量有限，为了构成更大容量的存储器，可以将多片SRAM按一定的方式连接起来，以达到增加字数、位数或两者同时增加的目的，这就是SRAM的容量扩展。所谓位扩展，就是将多片存储器适当地连接起来，构成字长更大而字数不变的存储器。这种扩展方式适用于单片存储器的字数够用而字长不够用的情况。所谓字扩展，就是将多片存储器适当地连接起来，构成字长不变而字数增加的存储器。字扩展方式适用于单个RAM芯片的字长够大，而地址范围不够大的场合。7.3.4SRAM扩展方法【例】试用4K×8的RAM芯片组成一个4K×16的存储器。解：需要使用的RAM芯片数目为N=存储器容量/芯片容量=(4K×16)/(4K×8)=27.3.4SRAM扩展方法【例】试用4K×8的RAM芯片组成一个32K×8的存储器。解：需要使用的RAM芯片数目为N=存储器容量/芯片容量=(32K×8)/(4K×8)=87.4只读存储器7.4.1ROM的分类及其结构7.4.2掩膜ROM7.4.3可编程ROM结构原理7.4.4其它类型的存储器7.4.1ROM的分类及其结构ROM的分类：掩膜ROM(MaskROM)，也称为固定ROM。掩膜ROM中的信息是制造时写入的，产品出厂之后用户无法改动。可编程ROM(ProgrammableROM，PROM)。PROM是一种具有编程能力的ROM，它是由掩膜ROM发展而来，总体结构与掩膜ROM类似。但是，PROM只能编程一次，一旦编程错误，该芯片就会即刻报废。紫外光擦除可编程ROM（UltraVioletErasablePROM，UVEPROM）。UVEPROM支持反复的擦除和重写，通过芯片上方的一个石英窗口，利用紫外线照射EPROM，能够擦除其中存储的所有内容。7.4.1ROM的分类及其结构电擦除可编程ROM（ElectricallyErasableProgrammableROM，E2PROM）是为了克服EPROM的缺点而研制的，E2PROM的擦除和重写可以在电路中完成，无需配置专用的擦除设备，而且可以针对单个字进行擦除和重写。闪烁存储器（FlashMemory）把EPROM集成度高、成本低的优点与E2PROM的电擦除特性结合在了一起，同时还保留了两者快速访问的优点。7.4.1ROM的分类及其结构ROM的基本结构：

如图7-9所示，ROM的内部结构比较简单，它由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。图7-9ROM的内部结构示意图7.4.2掩膜ROM掩膜ROM的地址译码器：图7-10掩膜ROM的地址译码器电路图7.4.2掩膜ROM掩膜ROM的存储矩阵和输出缓冲电路：图7-11掩膜ROM的存储矩阵和输出缓冲器7.4.3可编程ROM结构原理可编程ROM（PROM）具有用户可编程的特点，其结构与掩膜ROM相似，不同之处在于PROM的存储矩阵是由带金属熔丝的存储元件组成的。7.4.4其它类型的存储器为了克服PROM只能编程一次的局限，又研制出了可反复写入和擦除数据的ROM器件，称为可擦可编程只读存储器(ErasablePROM，EPROM)。

根据擦除数据的方式不同，EPROM又可以分为UVEPROM、E2PROM和FlashMemory这3种常见类型。7.4.4其它类型的存储器紫外光擦除可编程ROM：图7-14UVEPROM芯片示例7.4.4其它类型的存储器E2PROM：E2PROM的存储