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1、7.1 概述 7.2 只读存储器( ROM ) 7.3 随机存储器( RAM ) 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数,第七章 半导体存储器,内容提要,本章系统地介绍各种半导体存储器的工作原理及其应用。重点内容有: 1、存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点; 2、扩展存储器容量的方法; 3、用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。,7.1 概 述,半导体存储器是能存储二值信息(0、1)的半导体器件,属大规模集成电路,是进一步完善数字系统功能的重要部件。,存储器的重要指标:存储量和存取速度。,结构特点:给每个存储单元编一个地址,只有被输入地址代码指定的那些单元才能
2、与公共的输入/输出引脚接通,进行数据的读出和写入。,半导体存储器从制造工艺上分为: (1)双极型存储器 (2)MOS型存储器,鉴于MOS电路具有功耗低、集成度高的优点,目前,大容量的存储器都是采用MOS工艺制作的。,(2) 随机存储器( RAM ),(1) 只读存储器( ROM ),半导体存储器从存、取功能上分为:,7. 2 只读存储器( ROM ),按工艺分,按存储机理分,只读存储器在正常工作状态下只能读取数据,不能快速修改或写入数据。,优点:电路结构简单,断电数据不会丢失。,7. 2 只读存储器( ROM ),7. 2. 1 掩模只读存储器,ROM的电路结构主要由地址译码器、存储矩阵和输出
3、缓冲器三部分组成。,图7.2.1 ROM的电路结构框图,图7.2.2 二极管ROM的电路结构图,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,EN,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,假设 :,A1A0 11,1,1,1,0,0,EN,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,1,1,0,0,及 时归 纳,1,当某一字线被选中时,,这个字线与位线间若接有二极管,,则该位线输出为 1 ,否则为0。,EN,假设 :,A1A0,A1
4、A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,1,0,1,A1A0 10,EN,假设 :,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,1,0,1,A1A0 01,EN,假设 :,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,0,1,1,A1A0 00,EN,位线,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,字线,输入任意一个地址码,译码器就可使与之对应的某条字线为高电平,进而可以从位线上
5、读出四位输出数字量。,EN,图7.2.3是使用 MOS 管的ROM 矩阵:,字线与位线的交叉点上有 MOS 管时相当于存1,无 MOS 管时相当于存0。,7. 2. 2 可编程只读存储器(PROM),是一种可编程序的 ROM ,在出厂时全部存储 “1”,用户可根据需要将某些单元改写为 “0”, 然而只能改写一次,称其为 PROM。,若将熔丝烧断,该单元则变成“0”。显然,一旦烧断后不能再恢复。,图7.2.4 熔丝型PROM的存储单元,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器,EPROM:紫外线可擦除的可编程只读存储器 (简称UVEPROM),E2PROM:电可擦除的可编程只读存储器,Flash M
6、emory:快闪存储器,1) 存储单元-叠栅MOS管(SIMOS),原理:利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。在写入数据前:浮栅无电子,SIMOS管同正常MOS管,开启电压为VT ;写数据时,需在漏、栅极之间加足够高的电压(如25V)使漏极与衬底之间的PN结反向击穿,产生大量的高能电子。这些电子穿过氧化绝缘层堆积在浮栅上,从而使浮栅带有负电荷。浮栅有电子后,控制栅需要加更大正压才能使管子开启,开启电压为VT。,1. EPROM:紫外线可擦除只读存储器,1. EPROM:,擦除时,用紫外光照射其透明的石英盖板1020分钟,浮栅上的电子形成光电流而泄放,其内部的数据将全部擦除了,这时可以再通过专用的
7、编程器写入希望的数据。,由于浮栅被绝缘二氧化硅包围,浮栅上电荷没有放电回路,信息不会丢失,这种存储的信息可能安全保存20年以上,但为了防止平时日光中的紫外线的照射,在其石英窗口上帖上黑纸。,2. E2PROM: 电可擦除的PROM,E2PROM是在EPROM的基础上开发出来的,可以在加电的情况下以字节为单位进行擦除和改写,并可直接在机器内进行擦除和改写,方便灵活。,E2PROM内部电路与EPROM电路类似,在SIMOS中的结构进行了一些调整,在浮栅延长区与漏区N+之间的交叠处的薄绝缘层相当于一个遂道二极管(见图7.2.10),该MOS管也称为隧道MOS管。,E2PROM不需要紫外光激发放电,即
8、擦除和编程只须加电就可以完成了,且写入的电流很小。,原理:利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。在D、G正向电压作用下,漏极电荷通过该二极管流向浮栅,使管子导通;若D、G加反向电压,浮栅上的电荷流回漏极,起擦除作用,擦除电压大小与工作电压相同,是80年代末推出的新型存储芯片,它的主要特点是在掉电情况下可长期保存信息,具有非易失性,原理上看象ROM;但又能在线进行快速擦除与改写,功能上象RAM,因此兼有E2PROM和SRAM的优点。,3、快闪存储器(Flash Memory),内部电路与EPROM电路类似,在SIMOS中的结构进行了一些调整。,原理:利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。数据写入与EPR
9、OM 相同;数据擦除,在源极加正电压,使浮栅放电,按扇区擦除。,Flash有单片应用和固态盘应用,固态盘分卡式和盘式两种。闪速卡,用在可移动计算机中,如数字相机,手机,CD-ROM等。闪速固态盘,用于恶略环境中代替硬盘。,读取速度较快(100ns左右),低功耗,改写次数目前达100万次,价格接近EPROM。存储容量从几十KB, 到几十MB、几GB等。体积小,可靠性高,内部无可移动部分,无噪声,抗震动力强,是小型硬盘的代替品。,7. 3 随机存储器( RAM ),随机存储器又称读写存储器。,随机存储器的特点是:在工作过程中,可随时从存储器的任何指定地址读出数据,也可以随时将数据写入任何一个指定的
10、存储单元中去。,按存储机理主要可分为 静态RAM 、动态RAM两类;静态和动态RAM是易失性存储器,在供电电压中断时,存储内容丢失。,7. 3. 1静态随机存储器(SRAM),(1) 存储矩阵:,存储器容量= 字数字长,如一个1024 4存储器,有4096个存储单元。,可设计成64 64的矩阵形式。,(2) 地址译码:,存储单元中每个字有唯一的地址,利用地址译码器进行地址选择。,大容量的 存储器中,一般采用双译码结构:,行地址译码器 + 列地址译码器,存储器的容量指的是每个存储芯片所能存储的二进制数的位数。,行地址译码器,行选择线,列地址译码器,列选择线,1024 4(64 16 4)的存储器
11、的地址线:,6根行地址线:(A8A7A6A5A4A3),4根列地址线: (A9A2A1A0),译码产生64根行选择线,译码产生16根列选择线,若A9A8A7A6A5 A4A3A2A1A0=0111111000,,则选中Y0和X63。,图7.3.2 1024 4位RAM(2114)的结构框图,二、 SRAM静态存储单元:,1,介绍静态RAM存储单元的工作原理:,由增强型 NMOS管T1和 T2、T3和T4 构成一个基本 R-S触发器,,它是存储信息的基本单元。,静态RAM特点是: 数据由触发器记忆!,1,T5和T6是门控管,,由字线Wi控制其导通或截止:,Wi1 ,,否则就截止。,两管导通;,门
12、控管T5和T6导通时可以进行“读”或“写”的操作。,1,VGG,Wi,D,D,I/O,R / W,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,T1,字线,数据线,数据线,R / W的控制作用:,而门2处于高阻状态,,0,三态门1、3接通,,0,0,使 I/O 信号得以经过门1、3送到数据线上,以便写入 。,VGG,Wi,D,D,I/O,R / W,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,T1,字线,数据线,数据线,R / W的控制作用:,门1、3处于高阻状态,,1,门2接通,,1,将数据线上信号送到 I / O,以便读出。,1,*7.3.2 动态随机存储器(DRAM),为减少MOS管数目,提高
13、集成度和降低功耗,出现了动态RAM器件。,常见的动态RAM存储单元有三管和单管动态存储电路。,见书图7.3.7、图7.3.8,动态RAM存储数据的原理是基于MOS管栅极电容的电荷存储效应。,即存放信息靠的是电容,由于电容会逐渐放电,故需对动态RAM不断进行读出和再写入,这就是所谓刷新。,静态RAM(即SRAM),其存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失,但集成度低。,动态RAM(即DRAM),存储单元电路以电容为基础,电路简单,集成度高,功耗低,因电容漏电,需定时刷新。,小 结,7.4 存储器容量的扩展,(1K4),(2K8),7.4.1 位扩展 方式,用两片2114
14、( 1024 4 )构成 1024 8,只要把各片地址线、各控制线对应并联在一起,,要达到这个目的方法很简单,,示范接线如下图:,7.4.2 字扩展 方式,思路:,( 1) 访问4096个字单元,必然有 12 根地址线;,( 2) 访问 RAM2114,只需 10 根地址线,尚余 2根地址线 ;,( 3) 设法用剩余的 2根地址线去控制4个2114的片选端 。,通过用10244 ( 4片2114 ) 构成40964为例,介绍 解决这类问题的办法。,用四片 RAM 2114 构成 4096 4 的存储容量,A11,A10,选中片序号,对应的存储单元地址,0 0,1 1,1 0,0 1,2114(1),2114(2),2114(3),2114(4),00 0000000000 00 1111111111,1024 2047,2048 3071,3072