第9章-半导体存储器

第9章半导体存储器9.1概述9.2只读存储器（ROM）9.3随机存取存储器（RAM）本章学习目的和要求：

1.了解半导体存储器的功能及分类，了解它们在数字系统中的作用。

2.熟悉RAM、ROM的结构特点、工作原理和基本用途。

3.掌握如何用存储器实现组合逻辑的功能。9.1概述9.1.1半导体存储器的分类9.1.2半导体存储器的主要技术指标

存储器是用来存储信息的部件。存储器分为内存储器和外存储器。计算机中把通过系统总线直接与CPU相连、具有一定容量、存取速度快的存储器称为内存储器，简称内存。而把通过接口电路与系统相连、存储容量大而速度较慢的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。外存的容量很大，通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。半导体存储器集成度高，存取速度快，应用广泛。9.1.1半导体存储器的分类半导体存储器的分类RandomAccessMemoryReadOnlyMemory9.1.2半导体存储器的主要技术指标1．存储容量

(1)用字数×位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯片的容量，如1K×4位，表示该芯片有1K个单元(1K=1024)，每个存储单元的长度(一个字的位数)为4位。

(2)用字节数表示容量，以字节(8位)为单位，如128B，表示该芯片有128个单元，每个存储单元的长度为8位。常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小。1KB＝1024B；1MB＝1024KB；1GB＝1024MB；1TB＝1024GB。显然，存储容量越大，所能存储的信息越多，系统的功能便越强2．存取时间存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。显然，存取时间越小，存取速度越快。3．存储周期

连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的最短间隔时间称为存储周期。它是衡量主存储器工作速度的重要指标。一般情况下，存储周期略大于存取时间。4．功耗功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。5．可靠性存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures)来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强。6．集成度

集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来表示。7．性能/价格比

性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。9.2只读存储器（ROM）1.固定ROM

制造时用掩模技术控制存储内容，信息一次性嵌入，厂家做，用户不能更改。

2.PROM

用户可以利用编程器把自己编好的程序写入存储器，用户可以自己做，一旦写入便不能更改。

3.EPROM

用户可以用编程器写入内容，常与微机联用。需要重新写入内容时，可以把曾经编程的EPROM放在紫外线下照射约30分钟，原来的内容即可被擦干净，恢复到原始的状态(全1或全0)。用户可以自己做，能更改，但麻烦。

4.E2PROM

能用电信号擦洗的PROM，写入新内容时，旧内容即被擦除。能很方便地更改，应用广泛。(兼有RAM的特性)9.2只读存储器（ROM）9.2.1ROM的电路结构9.2.2固定ROM的工作原理9.2.4可擦除可编程只读存储器（EPROM）9.2.5PROM的应用9.2.3可编程只读存储器(PROM)9.2.1ROM的电路结构ROM电路结构

存储矩阵：由许多存储单元排列而成，而且每个存储单元都被编为一个地址（地址变量）。

地址译码器：将输入的地址变量译成相应的地址控制信号，该控制信号可将某存储单元从存储矩阵中选出来，并将存储在该单元的信息送至输出缓冲器。

输出(控制电路)缓冲器：作为输出驱动器、实现三态控制输出。9.2.2固定ROM的工作原理

或门阵列构成存储阵列

与门阵列组成译码器

存储矩阵:存储矩阵有四条字线和四条位线,共有16个交叉点,每个交叉点是一个存储单元,共有4×4=16个存储单元,交叉点处接二极管,表示该单元是存“1”,交叉点处不接二极管,表示该单元是存“0”与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：ROM存储内容的真值表：与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：0101101001111110D3D2D1D0存

储

内

容00011011A1A0地

址ROM阵列简化图例9.2.1

用简化的ROM存储矩阵设计全加器。解：首先列出真值表如下表所示全加器的真值表AiＢiCi-1

Ｓi

Ci000

0

0001

1

0010

1

0011

0

1100

1

0

101

0

1110

0

1111

1

1

W0～W7分别对应于A、B、Ci-1的一个最小项。因此得出存储器的简化矩阵阵列图如图所示。全加器阵列图例9.2.2

试用ROM完成格雷码向二进制数的转换。

这个问题是四个输入（G3G2G1G0表示格雷码）、四个输出（B3B2B1B0表示四位二进制数）的代码转换的组合逻辑电路设计，是个多输入函数的设计，直接利用真值表就可以进行了。为此我们将格雷码与二进制数对照作为此例的真值表。需要注意的是，字线对应的最小项转换码和格雷码要相一致。解：格雷码转换为二进制码真值表ROM构成格雷码向二进制数转换阵列图例9.2.3

试用ROM构成能实现函数y=x2的运算表电路，x的取值范围为0～15的正整数。解：（1）分析要求、设定变量

自变量x的取值范围为0～15的正整数，对应的4位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据y=x2的运算关系，可求出y的最大值是152＝225，可以用8位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。（2）列真值表—函数运算表（3）写标准与或表达式（4）画ROM存储矩阵节点连接图ROM的方框图表示方法9.2.3可编程只读存储器(PROM)9.2.4可擦除可编程只读存储器（EPROM）叠栅MOS管1.EPROM的结构和工作原理

存储单元多采用N沟道叠栅MOS管（SIMOS）,SIMOS管可以利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据。浮栅是不带电的，须在SIMOS管的漏、栅极加上足够高的电压（如25V），使漏极及衬底之间的PN结反向击穿，产生大量的高能电子,电子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。当移去外加电压后,浮栅上的电子没有放电回路，能够长期保存。当用紫外线或X射线照射时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，从而恢复写入前的状态。照射一般需要15至20分钟。2.常用EPROM芯片（1）常用的EPROM举例—— 271611条地址输入线,7条用于行译码，4条用于列译码8位数据线。编程写入时是输入线，正常读出时是输出线。

（2）常用的EPROM举例——2764标准28脚双列直插EPROM2764逻辑符号

正常使用时，VCC=+5V、VIH为高电平，即VPP引脚接+5V、引脚接高电平，数据由数据总线输出。在进行编程时，引脚接低电平，VPP引脚接高电平（编程电平+25V），数据由数据总线输入。：输出使能端，用来决定是否将ROM的输出送到数据总线上去，当=0时，输出可以被使能，当=1时，输出被禁止，ROM数据输出端为高阻态。：片选端，用来决定该片ROM是否工作，当=0时，ROM工作;当=1时，ROM停止工作，且输出为高阻态（无论为何值）。ROM输出能否被使能决定于+的结果，当其0时，ROM输出使能，否则将被禁止，输出端为高阻态。另外，当其=1时，还会停止对ROM内部的译码器等电路供电，其功耗降低到ROM工作时的10%以下。3.E2PROM的结构和工作原理

E2PROM也是采用浮栅技术生产的可编程存储器。浮栅延长区与漏区之间的交叠处有一个厚度约为80埃的薄绝缘层，当漏极接地，控制栅加上足够高的电压时，交叠区将产生一个很强的电场，在强电场的作用下，电子通过绝缘层到达浮栅，使浮栅带负电荷。这一现象称为“隧道效应”，故该管也称为隧道MOS管。

相反，当控制栅接地漏极加一正电压，则产生与上述相反的过程，即浮栅放电。与SIMOS管相比，隧道MOS管也是利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是利用电擦除的，并且擦除的速度要快得多。E2PROM电擦除的过程就是改写过程，它是以字为单位进行的。

E2PROM具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。目前，大多数

E2PROM芯片内部都备有升压电路。因此，只需提供单电源供电，便可进行读、擦除/写操作，为数字系统的设计和在线调试提供了极大的方便。4.Intel2816E2PROM芯片ROM，PROM，EPROM及E2PROM，除编程和擦除方法不同外，在应用时并无根本区别。9.2.5PROM的应用1.实现组合逻辑函数例9.2.4

试用PROM实现逻辑函数、、。解：首先将以上函数转换为最小项之和的形式。

根据所用的实现组合逻辑函数的输入和输出变量数，可知选用的PROM的容量最小为23×3位。然后只要将函数的输入变量A、B、C从PROM的地址输入端输入，再根据上述函数最小项之和表达式，通过对阵列编程，就可以实现逻辑函数。例9.2.4的PROM阵列图2.实现数学函数表例9.2.3

试用PROM构成2×2高速乘法器。解：2×2乘法器的输入是两个二位的二进制数A1A0和B1B0,其乘积的最大值为1001（即11×11），因此所选用的PROM的容量为24×4位。PROM阵列图9.3随机存取存储器（RAM）9.3.1RAM的电路结构9.3.2RAM中的存储单元9.3.3RAM的扩展

随机存取存储器是一种既可以存储数据又可以随机取出数据的存储器，即可读写的存储器。随机存取存储器有双极型晶体管存储器和MOS存储器之分。MOS随机存取存储器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）。RAM保存的数据具有易失性，一但失电，所保存的数据立即丢失。9.3.1RAM的电路结构RAM的基本结构1.存储矩阵

一个存储器内有许多存储单元，一般按矩阵形式排列，排成n行和m列。存储器是以字为单位组织内部结构，一个字含有若干个存储单元，一个字所含位数称为字长。实际应用中，常以字数乘字长表示存储器容量。256×4存储矩阵2.地址译码通常存储器以字为单位进行数据的读写操作，每次读出或写入一个字，将存放同一个字的存储单元编成一组，并赋于一个号码，称为地址。不同的字存储单元被赋于不同的地址码，从而可以对不同的字存储单元按地址进行访问。字（存储）单元也称为地址单元。2n个（字）存储单元需要n位（二进制）地址。3.读/写控制控制被选中的存储器的读和写。如读，则被选中单元存储的数据经数据线、输入/输出线输出；如写，则数据经过输入/输出线、数据线存入被选中单元。

一般RAM的读/写控制线高电平为读，低电平为写；也有的RAM读/写控制线是分开的，一根为读，另一根为写。4.输入/输出读出时是输出端，写入时它是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。输入/输出端数据线的条数，与一个地址中所对应的存储器位数相同，例如在1024×1位的RAM中，每个地址中只有1个存储单元（1位存储器），因此只有1条输入/输出线；而在256×4位的RAM中，每个地址中有4个存储单元（4位存储器），所以有4条输入/输出线。也有的RAM输入线和输出线是分开的。RAM的输出端一般都具有集电极开路或三态输出结构。输入/输出控制电路5.片选及输入/输出控制电路

当CS＝1时，G5、G4输出为0，三态门G1、G2、G3均处于高阻状态，输入/输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止操作，即不工作；

当CS＝0时，芯片被选通：当

＝1时，G5输出高电平，G3被打开，于是被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；

当

＝0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加在I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。输入/输出控制电路6.RAM的操作与定时（1）RAM读操作定时：①欲读出单元的地址加到存储器的地址输入端；②加入有效的片选信号CS；在线上加高电平，经过一段延时后，所选择单元的内容出现在I/O端；④让片选信号CS无效，I/O端呈高阻态，本次读出过程结束。读操作时序图①将欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端；②在片选信号CS端加上有效电平，使RAM选通；③将待写入的数据加到数据输入端；④在线上加入低电平，进入写工作状态；⑤使片选信号无效，数据输入线回到高阻状态。写操作时序图（2）RAM写操作定时静态SRAM(StaticRAM)双稳态存储单元电路列存储单元公用的门控制管，与读写控制电路相接Yi＝1时导通本单元门控制管:控制触发器与位线的接通。Xi=1时导通来自列地址译码器的输出来自行地址译码器的输出9.3.2RAM中的存储单元1.六管NMOS静态存储单元静态SRAM(StaticRAM)T5、T6导通T7

、T8均导通Xi=1Yj=1触发器的输出与数据线接通，该单元通过数据线读取数据。触发器与位线接通1.六管NMOS静态存储单元2*.双极型晶体管存储单元双极型晶体管存储单元

在维持状态，字线电位约为0.3V，低于位线电位（约1.1V），因此存储单元中导通管的电流由字线流出，而与位线连接的两个发射结处于反偏状态，相当于位线与存储器断开。处于维持状态的存储单元可以是T1导通、T2截止（称为0状态），也可以是T2导通、T1截止（称为1状态）。

单元被选中时，字线电位被提高到2.2V左右，位线的电位低于字线，于是导通管的电流转而从位线流出。3.四管动态MOS存储单元四管动态MOS存储单元T1和T2交叉连接，信息（电荷）存储在C1、C2上。C1、C2上的电压控制T1、T2的导通或截止。当C1充有电荷（电压大于T1的开启电压），C2没有电荷（电压小于T2的开启电压）时，T1导通、T2截止，我们称此时存储单元为0状态；当C2充有电荷，C1没有电荷时，T2导通、T1截止，我们则称此时存储单元为1状态。T3和T4是门控管，控制存储单元与位线的连接。T5和T6组成对位线的预充电电路，并且为一列中所有存储单元所共用。

在T3、T4导通期间，如果位线没有事先进行预充电，那么位线的高电平只能靠C1通过T4对充电建立，这样C1上将要损失掉一部分电荷。由于位线上连接的元件较多，甚至比C1还要大，这就有可能在读一次后便破坏了G1的高电平，使存储的信息丢失。采用了预充电电路后，由于位线的电位比G1的电位还要高一些，所以在读出时，C1上的电荷不但不会损失，反而还会通过T4对C1再充电，使C1上的电荷得到补充，即进行一次刷新。9.3.3RAM的扩展1、字长（位数）的扩展存储芯片的字长一般有1位、4位、8位和16位等。当存储系统实际字长超过存储芯片字长时，需要进行字长扩展。字长扩展的方法是将存储芯片并联使用。这些存储芯片的地址、读/写、片选信号线应相应地连接在一起；而各芯片的输入/输出（I/O）线作为字节的各个位。例:

用4K×4位的芯片组成4K×16位的存储系统。解:···CS┇A11A0···WED0D1

D2

D3WECSA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CSA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3WE

2.存储器字数的扩展RAM字数扩展一般结构

例9.3.1

试用8片1K×8位RAM构成8K×8位RAM。解：我们可以首先将8片1K×8位RAM的输入/输出线，读/写线和地址线A0～A9并联起来，然后将高位地址码A10、A11和A12经74138译码器8个输出端分别控制8片1K×8位RAM的片选端，以实现字扩展。1K×8位RAM扩展成8K×8位RAM8K×8SRAMMCM6264引脚分布及符号3.