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1、,数字电路与逻辑设计,第七章 半导体存储器,西安邮电学院“校级优秀课程”,第七章 半导体存储器,目的与要求：,1、熟悉存储器的一般结构和工作原理。,2、理解各类RAM的存储原理、读写原理及时序。,3、掌握存储单元、字、位、地址、等基本概念以及 存储容量扩展的一般方法。,4、熟悉存储器设计逻辑电路的原理和方法。,重点与难点：,1、存储器的分类及容量的计算。,2、各类RAM的读写及时序分析,3、用ROM设计组合逻辑电路的方法,第七章 半导体存储器,7.1 概述,7.2 随机存取存储器（RAM）,7.3 只读存储器（ROM）,7.4 存储器的扩展,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,7.1 概述,三、
2、 半导体存储器的主要技术指标,1.存储容量：,存储器所能存放信息的多少，存储容量越大则存储的信息越多，系统的功能越强。,用位(bit)表示存储器容量，位数即存储器所需要的单元数。用字节(byte)或者字节的倍数 ，表示存储容量。,2 读写参数：,存储器的读写参数是存储器最重要的参数之一，只有按照严格的时序对存储器进行读写，才能保证存储器的工作正确。,写入时间：从提出写请求到最终把数据写入到存储器之间的时间间隔；,读出时间：从提出读请求到数据在输出端上数据有效之间的时间间隔；,7.1 概述,读写周期：前后两次读或两次写之间所要求的最小时间间隔。,存储器读写时序示意图,7.2 随机存取存储器（RA
3、M）,一、 存储器的结构,（1）地址译码器：将寄存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。,存储器的结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）存储单元,数字系统中的RAM一般要由多片组成，而系统每次读/写时，只针对其中的一片或几片，因此还应加片选信号 。,（3）片选与读写控制电路,水平选择线可以选择一行单元，称为字线（Word line，也称为数据线）,而把一列单元连接到输出电路的线称为位线(bit line)。,存储矩阵由许多存储单元排列组成，每个存储单元存放一位二值信息。,读/写控制信号用于对电路工作状态进行控制。,时，执行写操作；,时，执行读操作。,7.
4、2 随机存取存储器（RAM）,二、 静态随机存取存储器SRAM,（1）SRAM存储单元, 四管构成的SRAM存储单元,SRAM 4管存储单元结构,位线上的一对互为反相信号可以通过M3和M4向触发器置数，也就是写入过程。,存储的数据也可以通过管子M3和M4向位线B和-B传送，即所谓的读出过程。,7.2 随机存取存储器（RAM）, 六管构成的SRAM存储单元,6T-SRAM CMOS电路,两个反相器（M1,M5和M2,M6构成两只反向器）组成的反馈环路。,解决了4T-SRAM存储单元的静态功耗问题。,CMOS结构提高了存储的可靠性和抗干扰能力。,7.2 随机存取存储器（RAM）,当没有外界信号作用
5、时，双稳态电路可以长久保持其所处的某种稳定状态，所以也就称之为静态存储器。,双稳态电路工作原理,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）SRAM的工作过程,. 数据写入,当写入数据为“1”时，晶体管M3，M4导通，位线将强制对a点电容充电，对b点电容放电， M2和M5导通而M1和M6截止，单元中存储数据“1”。,写“0”时刚好相反，在位线B和-B上分别加低电平和高电平，门管打开，写入数据“0”。,7.2 随机存取存储器（RAM）,. 数据读出,SRAM在进行读操作时，首先要保证两条位线B和-B都预充到相等的高电平。,如果单元存“1”，即M2和M5导通而M1和M6截止，位线B通过导通的MZ和门管
6、M4放电，而位线B保持高电平，从而位线B和-B得到正向的电压差。,如果单元存“0”，则位线通过单元中导通的M1和M3放电，而位线-B保持预充的高电平。这样在两根位线上得到一个反向的电压差。,7.2 随机存取存储器（RAM）,. 保持数据,在写入或者读出操作后，字线WL降为低电平，晶体管M3和M4截止，将上述稳态触发器和位线隔断，这样位线上电平变化不再影响触发器的状态。,7.2 随机存取存储器（RAM）,（3）SRAM的分类,SRAM存在多种类型，但是其种类的区分在接口上。,7.2 随机存取存储器（RAM）, 异步的SRAM（Asynchronous SRAM）,异步SRAM没有的运行与输入信号
7、的状态有关，并不与特定的时钟相关。,一种异步SRAM结构,7.2 随机存取存储器（RAM）, SSRAM（synchronous SRAM）,同步的SRAM有与微处理器同步的读、写周期，具有更快的访问速度。因此，同步SRAM可以应用于个人计算机和工作站上。,一种SSRAM结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发方式（Burst Mode）,突发是指不需要修改地址，可以连续地对SSRAM内的一片地址进行读/写。,SSRAM的时序示意图,第一个数据的地址放在了地址总线上，而其它三个数据块的地址则用内置的计数器改变，这样数据访问的速率与微处理器的时钟一致。,7.2 随机存取存储器（RAM）,流水
8、式SRAM（Pipelined SRAM）,流水线SRAM在存储和输出之间加了一级寄存器，输出通道中的寄存器可以使管线式SRAM比标准的SRAM有更高的时钟频率，但是会造成更大的延时。,流水线 SRAM,7.2 随机存取存储器（RAM）,流水线式SSRAM与同步SRAM,在流水SSRAM中，四字的突发读周期需要5个时钟，而标准的SSRAM则用4个周期,为了避免总线的竞争，从写到读的转换过程，流水SRAM要求有一个周期的延时。,7.2 随机存取存储器（RAM）, 特殊的SRAM,1、FIFO,一种FIFO结构示意图,7.2 随机存取存储器（RAM）,2、多端口SRAM（Multiport SRA
9、Ms）,一个4个端口的SRAM存储器,7.2 随机存取存储器（RAM）,三、 动态存储器DRAM,DRAM 存储单元结构,DRAM（Dynamic RAM, 动态RAM）是利用电容电荷而不是反馈环路来存储信息的，但是所存储的内容会因为电荷的泄漏而丢失，必须对单元进行周期性地读取和刷新。,(1) DRAM的存储单元,根据电压变化量的高低，判定数据线上的“1/0”。,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）基本操作, 存储器读操作,DRAM读操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,. 存储器写操作,DRAM写操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,. DRAM刷新,DRAM存储器单元是电容器，它所
10、包含的电荷可随着时间泄漏掉，导致数据丢失。为了防止这一现象发生，必须对DRAM进行刷新，即必须周期性地在各个存储器单元上再存储电荷。,刷新周期是指特定的时间周期，在这一周期中DRAM阵列中的所有行必须被激活和预充电（刷新）；刷新间隔是各行刷新操作之间的时间周期，这里假设各行刷新操作的时间分配是均匀的。刷新率定义为刷新时间除以所需的周期数。,7.2 随机存取存储器（RAM）,(3) SDRAM,SDRAM的信号沿用了DRAM中的很多信号，但是SDRAM将内部分为若干个存储块，这是SDRAM的一个很重要的特征。,下面以Micron SDRAM 存储器MT48LC128M4A2为例，介绍SDRAM的
11、基本操作。,SDRAM 64Mb8工作模式的内部结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,(1) 输入信号,BA0-BA1：组输入信号，在ACTIVE, READ, WRITE和PRECHARGE命令下，决定四个组中的哪个组工作。,A0-A12：地址输入信号。,RAS#, CAS#：命令输入信号。,CKE：工作时钟使能信号。,DQM：是输入输出屏蔽(mask)信号。,7.2 随机存取存储器（RAM）,Micron SDRAM芯片管脚分配图,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）SDRAM命令及其相关操作,SDRAM命令一览表,7.2 随机存取存储器（RAM）,四、 模式寄存器,在SDRAM芯片
12、中，有一个模式寄存器，该寄存器用于定义SDRAM工作的特定模式。 可定义的参数包括：突发长度BL（Burst Length）选择，突发类型，CAS延时CL(CAS latency)，工作模式和写突发模式等。通过LOAD MODE REGISTER命令可以对模式寄存器进行编程。,7.2 随机存取存储器（RAM）,模式寄存器各位的含义,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发长度(Burst Length)：,对SDRAM的读写访问是面向突发的，突发长度BL是可编程的。突发长度定义了一个READ或者WRITE命令访问SDRAM时候定义的最大的列单元数目。,当发出READ或者WRITE命令时，可以选择
13、BL长度定义的若干列组成的块。当到达这个块的边界时，自动回到这列所设定的位置。在不同的模式和配置方式下，由不同的地址线选择确定块地址，最低地址位用于选择块内的起始地址，全页突发模式下，如果达到一页的边界时，将回到页的起始地址。,7.2 随机存取存储器（RAM）,在不同的模式和配置方式下，列的起始位置,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发方式(Burst Type)：,一次给定的突发访问可以按照交织或者顺序的方式进行，由模式寄存器的第三位决定。一次突发的访问次序由突发长度决定，突发的类型和开始列地址由下表决定。,突发长度、起始地址和类型设置,7.2 随机存取存储器（RAM）,CAS 延时(CA
14、S Latency),CAS延时与READ命令之间的时序关系,7.2 随机存取存储器（RAM）,工作模式（operations mode）,写突发方式(Write Burst),正常的工作模式通过将M7和M8设置为0选择的，M7和M8用于未来的工作模式或者测试模式，不应该使用这些预留或者测试的模式，以免导致未知的操作或者不兼容的工作方式。编程的突发长度可以用于READ和WRITE突发。,当M9=0，BL通过M0-M2编程，可以用于READ和WRITE突发操作。当M9=1，编程的突发长度只用于READ突发操作，而WRITE访问是非突发的，即按单元访问的。,7.2 随机存取存储器（RAM）,五、
15、初始化 SDRAM在上电后，必须按照预先定义的方式进行初始化，否则SDRAM芯片不能正常工作。,（1）Active操作,六 操作,ACTIVE命令和WRITE/READ命令之间的时序关系,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）读操作,（a）读命令,（b）读命令与输出数据间隔,7.2 随机存取存储器（RAM）,连续的READ突发操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,（3）写操作,(a)写命令,(b)写突发,7.3 只读存储器（ROM）,一、 一次性可编程只读存储器PROM(Programmable Read Only Memory),PROM存储单元,只读存储器中存储信息在掉电后仍然存在。这类存储器应用非常广泛。,PROM允许通过专用的编程器，将数据 “烧录”到存储器中，这个过程叫做“编程”，烧录后的数据同样能维持断电后不丢失。,7.3 只读存储器（ROM）,PROM存储阵列,7.3 只读存储器（ROM）,二、 基于EPROM技术,允许用户利用编码器对器件反复编程、擦除，得到广泛地应用。这种器件是通过施加高压信号进行编程，将器件置于紫外线，就可以擦除其内容。,标准的晶体管和EPROM晶体管,增加了另外一个被称为浮栅的多晶硅,7.3 只读存储器（ROM）,浮栅晶体管一个特征就是它的阈值可以编程。,(a) 雪崩注入,（b）浮栅管符号图,(c) 移去电压后仍然
