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1、1 1 第第3章 存储系统2章 存储系统2 2 只读存储器只读存储器ROM 闪速存储器闪速存储器 3.4 只读存储器和 闪速存储器 只读存储器和 闪速存储器 3 只读存储器只读存储器ROM ROM (Read Only Memory) 只能读出，不能写入只能读出，不能写入 具有不易失性具有不易失性 只读存储器写入数据的过程，称为对其进行编程只读存储器写入数据的过程，称为对其进行编程 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 4 只读存储器分类（只读存储器分类（1） 根据编程方法的不同来划分根据编程方法的不同来划分 掩模式只读存储器掩模式只读存储器 一次编程只读存储器（一次编程只读存储器（P
2、ROM） 多次编程只读存储器多次编程只读存储器 光擦编程只读存储器（光擦编程只读存储器（EPROM） 电擦编程只读存储器（电擦编程只读存储器（EEPROM） 电改写只读存储器（电改写只读存储器（EAROM） 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 5 掩模式只读存储器掩模式只读存储器 在芯片制造过程中确 定其内容 在芯片制造过程中确 定其内容 使用时，只能读出， 不能再进行修改 使用时，只能读出， 不能再进行修改 优点：可靠性高、集 成度高、价格便宜、 适宜大批量生产 优点：可靠性高、集 成度高、价格便宜、 适宜大批量生产 缺点：不能重写缺点：不能重写 只能专用，用户可向 生产厂家定做
3、只能专用，用户可向 生产厂家定做 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 6 一次编程只读存储器（一次编程只读存储器（PROM） 产品出厂时，所有存储元均制成“产品出厂时，所有存储元均制成“0”（或均为 “ （或均为 “1”） 用户根据需要可自行将其中某些存储元改为 “ 用户根据需要可自行将其中某些存储元改为 “1”（或改为“（或改为“0”） 双极型双极型PROM 熔丝烧断型熔丝烧断型PROM PN结击穿型结击穿型PROM 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 2 7 多次编程只读存储器多次编程只读存储器 EPROM：可以用紫外光照射擦除原来写入的 数据，编程（即：写入数据）时需
4、要相对较高 的电压 ：可以用紫外光照射擦除原来写入的 数据，编程（即：写入数据）时需要相对较高 的电压 EEPROM：可以用电擦除原来写入的数据，但 擦除、编程时均需要相对较高的电压 ：可以用电擦除原来写入的数据，但 擦除、编程时均需要相对较高的电压 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 8 MOSFET概念复习概念复习 G-栅极；栅极；D-漏极；漏极；S-源极源极 VT-开启电压开启电压 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 U UGS GS=0时无沟道 =0时无沟道0U0UGS GSV VT T时出现耗尽层 U 时出现耗尽层 UGS GSV VT T时出现N沟道时出现N沟道
5、 9 光擦可编程只读存储器（光擦可编程只读存储器（EPROM） 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 Schematic symbol G S D 工作原理：存储单元为MOSFET浮空栅，浮空栅被氧化层包裹隔离，可利用 雪崩注入（Avalanche Injection）效应向其注入电荷。未注入电荷时存贮 单元为1，注入负电荷后为0。 编程：在漏、源极加高压（如+20V）、控制栅极加高压正脉冲（如50ms宽、 20V）后，电子获得能量变热，穿过氧化层进入浮栅，注入负电荷可长期保 存。 读出：凡注入负电荷的单元，其开启电压V 工作原理：存储单元为MOSFET浮空栅，浮空栅被氧化层包裹隔离，
6、可利用 雪崩注入（Avalanche Injection）效应向其注入电荷。未注入电荷时存贮 单元为1，注入负电荷后为0。 编程：在漏、源极加高压（如+20V）、控制栅极加高压正脉冲（如50ms宽、 20V）后，电子获得能量变热，穿过氧化层进入浮栅，注入负电荷可长期保 存。 读出：凡注入负电荷的单元，其开启电压VT T变高，因此，在正常+5V电压下不 能使其导通，经反相后输出为0。 变高，因此，在正常+5V电压下不 能使其导通，经反相后输出为0。 浮栅浮栅 Floating Gate GGG 10 光擦可编程只读存储器（光擦可编程只读存储器（EPROM） 这种这种EPROM做成的片子封装 上方
7、有一个石英玻璃窗口。 做成的片子封装 上方有一个石英玻璃窗口。 在强紫外线光照射下，使氧化 层变得具有导电性，且浮栅上 的电子变得更活跃，从而穿过 氧化层回到衬底中，使电路恢 复起始状态，即把原先写入的 “ 在强紫外线光照射下，使氧化 层变得具有导电性，且浮栅上 的电子变得更活跃，从而穿过 氧化层回到衬底中，使电路恢 复起始状态，即把原先写入的 “0”信息擦去。信息擦去。 擦除过程是对所有存储单元进 行的。不能实现选择性的擦除。 擦除过程是对所有存储单元进 行的。不能实现选择性的擦除。 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 11 示意图示意图 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中
8、心 12 EPROM实例实例 Intel2716 容量2k8容量2k8 片子正常工作电源为5V，脱机编程时给Vpp加25V电源片子正常工作电源为5V，脱机编程时给Vpp加25V电源 11条地址线中，7条用于行译码，4条用于列译码11条地址线中，7条用于行译码，4条用于列译码 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 X译码译码X译码译码 2K8位 存储矩阵 位 存储矩阵 2K8位 存储矩阵 位 存储矩阵 Y译码译码Y译码译码Y门门Y门门 片选，功率下 降 片选，功率下 降/编程逻辑编程逻辑 片选，功率下 降 片选，功率下 降/编程逻辑编程逻辑 输出缓冲器输出缓冲器输出缓冲器输出缓冲器 D0
9、-D7数据数据 CS PD/PGM A0-A10 地址输入地址输入 Vcc Vcc 地地 Vpp 3 13 举例（举例（1） CPU的地址总线的地址总线A15-A0，数据总线，数据总线D7-D0，控制总线 中与主存有关的信号有 ，控制总线 中与主存有关的信号有MREQ，R/W信号。 主存地址空间分配如下： 信号。 主存地址空间分配如下：0-8191为系统程序区， 由 为系统程序区， 由ROM芯片组成；芯片组成；8192-32767为用户程序区；最后为用户程序区；最后 (最大地址最大地址)2K地址空间为系统程序工作区。上述地址 为十进制，按字节编址。 现有如下存储器芯片： 地址空间为系统程序工作
10、区。上述地址 为十进制，按字节编址。 现有如下存储器芯片：EPROM：8K8位位(控制 端仅有 控制 端仅有CS); SRAM：16K1位，位，2K8位，位，4K8位，位， 8K8位。请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算 机主存储器，画出主存储器逻辑框图，注意画出选片 逻辑 位。请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算 机主存储器，画出主存储器逻辑框图，注意画出选片 逻辑(可选用门电路及可选用门电路及3:8译码器译码器74LS138)与与CPU 的连 接，说明选哪些存储器芯片，选多少片。 的连 接，说明选哪些存储器芯片，选多少片。 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 14 举例（举例（2
11、） 解：根据给定条件，选用解：根据给定条件，选用EPROM：8K8位芯片位芯片1片。片。 SRAM：8K8位芯片位芯片3片，片，2K8位芯片位芯片1片。片。 地址区间：地址区间： 081910000 0000 0000 00000001 1111 1111 1111 8192327670010 0000 0000 00000111 1111 1111 1111 63488655351111 1000 0000 00001111 1111 1111 1111 选择选择EPROM时，需要用到时，需要用到3:8译码器的译码器的Y0输出端 选择 输出端 选择3片片8K8位位SRAM时，用时，用Y1/Y
12、2/Y3输出端 选择 输出端 选择2K8位位SRAM时，用时，用Y7输出端以及输出端以及A11和和A12地址线地址线 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 15 举例（举例（3） 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 MREQY0 Y1 Y2Y3 Y7 16 UV EPROM的型号举例的型号举例 2716 16kbit 2k8bit 2732 32kbit 4k8bit 2764 64kbit 8k8bit 27128 128kbit 16k8bit 27256 256kbit 32k8bit 27512 512kbit 64k8bit 27010 1024kbit 128k8
13、bit 27020 2048kbit 256k8bit 27040 4096kbit 512k8bit 27c040 CMOS EPROM 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 17 EEPROM（1） Electrical Erasable PROM，简称，简称E2PROM 存储单元称为存储单元称为Floating-Gate Tunnelling Oxide Transistor (FLOTOX) 结构与普通的浮栅晶体管类似，关键改进点为： 浮栅的一小部分区域与沟道及漏极的距离小于 结构与普通的浮栅晶体管类似，关键改进点为： 浮栅的一小部分区域与沟道及漏极的距离小于 10nm 计算机
14、学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 Floating gate Source Substrate p Gate Drain n+n+ 2030 nm 10 nm 18 EEPROM（2） 大约大约10v的的VGD加载到薄的绝缘层上，电子就可以利用 这种 加载到薄的绝缘层上，电子就可以利用 这种F-N隧道（隧道（ Fowler-Nordheim Tunnelling ）效应 进入浮栅或从浮栅中释放出来。 ）效应 进入浮栅或从浮栅中释放出来。 注入电子到浮栅将升高开启电压注入电子到浮栅将升高开启电压VT；反之，则降低。 因此，开启电压 ；反之，则降低。 因此，开启电压VT的大小依赖于浮栅中初始
15、电荷和施 加的编程电压大小。 的大小依赖于浮栅中初始电荷和施 加的编程电压大小。 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 4 19 EEPROM（3） 在实现中，增加相邻的场效应管来实现存取在实现中，增加相邻的场效应管来实现存取 与与EPROM相比，集成度低相比，集成度低 2 晶体管晶体管/per cell 寿命长寿命长 105erase/write cycles. 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 WL BL VDD 20 示意图示意图 计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心 21 闪速存储器（闪速存储器（1） 闪存分为两类闪存分为两类 NOR闪存闪存 NAND闪存闪
16、存 1988年年Intel公司发明了公司发明了NOR闪存，擦除写入时间较长，但有完 整的地址 闪存，擦除写入时间较长，但有完 整的地址/数据接口，能随机存取任一擦除单元。适用于存储 那些偶尔需要修改的程序代码。擦除次数为 数据接口，能随机存取任一擦除单元。适用于存储 那些偶尔需要修改的程序代码。擦除次数为10,000到到100,000次。 是在 次。 是在EPROM和和EEPROM的基础上发展起来的，既有传统的热 电子隧道效应的变成机制，又有 的基础上发展起来的，既有传统的热 电子隧道效应的变成机制，又有EEPROM的的F-N隧道效应的擦 除特点。存储单元比 隧道效应的擦 除特点。存储单元比EEPROM小小10倍倍
