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1、第7章 半导体存储器,7. 1 只读存储器 ( ROM ),7. 2 随机存取存储器 ( RAM ),7. 3 存储器容量的扩展,概述,在电子计算机以及其他一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。 半导体存储器就是一种能存储大量二值数据的半导体器件。通常把存储器的存储量和存取速度作为衡量存储器性能的重要指标。,半导体存储器是将大量存储单元按照一定规律组合起来的整体。由于其内存储单元的数目极其庞大，因而不可能像寄存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。 在存储器中给每个存储单元编了一个地址，只有被输入地址代码指定的那些存储单元才能与公共的输入/输出引脚接通，进行数据的读出或写入
2、。 半导体存储器可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码 ( 地址码 )，每个房间内有一定内容( 一个二进制数码，又称一个“字” )。,电路结构特点：,概述,7. 1 只读存储器( ROM ),只读存储器在正常工作状态下，其存储内容是固定不变的，因此，只能读出，不能随时修改或重新写入数据，所以称为只读存储器。,7. 1.1 ROM的分类,（1）固定ROM。也称掩膜ROM，这种ROM在制造时，厂家利用利用掩膜技术直接把数据写入存储器中，ROM制成后，其存储的数据也就固定不变了，用户对这类芯片无法进行任何修改。 （2）一次性可编程ROM（PROM）。PROM在出厂时，存储内容全为
3、1（或全为0），用户可根据自己的需要，利用编程器将某些单元改写为0（或1）。PROM一旦进行了编程，就不能再修改了。 （3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管，信息的存储是通过MOS管浮栅上的电荷分布来决定的，编程过程就是一个电荷注入过程。编程结束后，尽管撤除了电源，但是，由于绝缘层的包围，注入到浮栅上的电荷无法泄漏，因此电荷分布维持不变，EPROM也就成为非易失性存储器件了。 当外部能源（如紫外线光源）加到EPROM上时，EPROM内部的电荷分布才会被破坏，此时聚集在MOS管浮栅上的电荷在紫外线照射下形成光电流
4、被泄漏掉，使电路恢复到初始状态，从而擦除了所有写入的信息。这样EPROM又可以写入新的信息。,EPRM,7. 1.1 ROM的分类,（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。E2PROM也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，隧道MOS管也是利用浮栅是否存有电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是用电擦除的，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。 E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有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
5、读、擦除/写操作，这为数字系统的设计和在线调试提供了极大方便。 （5）快闪存储器（Flash Memory）。快闪存储器的存储单元也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，需要输入一个较高的电压，因此要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为200微秒，一般一只芯片可以擦除/写入100次以上。,ROM的电路结构：,7. 1.2 ROM的结构及工作原理,1、存储矩阵：由许多存储单元（二极管、双极型三极管或MOS管）排列而成。 每个存储单元能存放1位二值代码（0或1）； 每一个或每一组存储单元有一个对应的地址代码。,电路结构：,2、地址译码器：将输
6、入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。,7. 1.2 ROM的结构及工作原理,电路结构：,3、输出缓冲器：其作用是提高存储器的带负载能力；实现对输出状态的控制，以便与系统的总线联接。,7. 1.2 ROM的结构及工作原理,掩模只读存储器( ROM )电路,地址译码器：将地址输入端输入的2位地址输入码分别译成W0W3四根线上的高电平信号。,掩模只读存储器( ROM )电路,地址译码器：将地址输入端输入的2位地址输入码分别译成W0W3四根线上的高电平信号。,A1 A0,W3 W2 W1 W0,0 0,0 0 0 1,掩模只读存储
7、器( ROM )电路,地址译码器：将地址输入端输入的2位地址输入码分别译成W0W3四根线上的高电平信号。,A1 A0,W3 W2 W1 W0,0 0,0 1,0 0 0 1,0 0 1 0,掩模只读存储器( ROM )电路,地址译码器：将地址输入端输入的2位地址输入码分别译成W0W3四根线上的高电平信号。,A1 A0,W3 W2 W1 W0,0 0,0 1,1 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 1 0 0,掩模只读存储器( ROM )电路,存储矩阵：当W0W3每根线上给出高电平信号时，都会在D0D3四根线上输出一个4位二值代码，每个输出代码叫一个字。,1,1,0,0,0,0,0,1,A1
8、 A0,W3 W2 W1 W0,0 0,0 1,1 0,1 1,0 0 0 1,0 0 1 0,0 1 0 0,1 0 0 0,0,1,1,1,掩模只读存储器( ROM )电路,1,1,0,0,0,0,0,1,A1 A0,W3 W2 W1 W0,0 0,0 1,1 0,1 1,0 0 0 1,0 0 1 0,0 1 0 0,1 0 0 0,0,1,1,1,0,0,1,1,1,掩模只读存储器( ROM )电路,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,地址线,字线,位线,字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元。交叉处接有二极管相当于存1，没有接二极管相当于存0。交叉点数
9、目就是存储单元数。,掩模只读存储器( ROM )电路,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,地址线,字线,位线,字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元。交叉处接有二极管相当于存1，没有接二极管相当于存0。交叉点数目就是存储单元数。,存储量：用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称容量），并写成“字数位数”的形式。,掩模只读存储器( ROM )电路,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,地址线,字线,位线,存储量：用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称容量），并写成“字数位数”的形式。,此ROM的存储量为：4 4位,掩模只读存储器(
10、ROM )电路,特点： 1、电路结构简单； 2、集成度很高； 3、批量生产，价格便宜。,7. 1.3 ROM的应用举例,从ROM的逻辑结构示意图和ROM的输出信号真值表可知，只读存储器的基本部分是与门阵列和或门阵列，与门阵列实现对输入变量的译码，产生变量的全部最小项，或门阵列完成有关最小项的或运算，因此从理论上讲，利用ROM可以实现任何组合逻辑函数。,7. 1.3 ROM的应用举例,结论：,1、如果把输入地址A1和A0看作两个输入变量，把输出数据D3、 D2、 D1、 D0作为输出变量，则D3、 D2、 D1、 D0就是A1和A0的组合逻辑函数。,ROM数据表,结论：,2、地址译码器的输出（字
11、线）对应地址输入变量的所有最小项。,7. 1.3 ROM的应用举例,ROM数据表,结论：,3、ROM的每位数据输出是若干个最小项之和。,7. 1.3 ROM的应用举例,ROM数据表,结论：,4、用具有n位输入地址、m位数据输出的ROM可以获得一组（最多为m个）任何形式的n变量组合逻辑函数。只要根据函数的形式向ROM中写入相应的数据即可。,7. 1.3 ROM的应用举例,例1、用掩模ROM设计一个八段字符显示的译码器。,定义： 1、地址输入端A0 、 A1 、 A2 、 A3为A、B、C、D 2、数据输出端D0D7为ah,各输出变量等于值为1的最小项之和,例1、用掩模ROM设计一个八段字符显示的
12、译码器。,黑点表示接入二极管,实现上述逻辑函数的ROM电路图,例1、用掩模ROM设计一个八段字符显示的译码器。,由表可见，数据中“1”的数目比“0”的数目多得多，如果按照接入二极管为“1”设计，则需要大量的二极管。这样既浪费器件，又提高了成本。因此，在这种情况下，通常在存储矩阵中，采用接入二极管表示“0”的方案设计。,例2、用掩模ROM产生如下一组多输出逻辑函数。,解：,1、将各逻辑函数写成最小项和的形式,例2、用掩模ROM产生如下一组多输出逻辑函数。,2、根据表达式列出ROM的数据表,ROM的地址输入端：A0A3与A、B、C、D对应 ROM的数据输出端：Y1、Y2、Y3、Y4,例2、用掩模R
13、OM产生如下一组多输出逻辑函数。,7. 2 随机存取存储器( RAM ),随机存取存储器简称RAM，也叫做读/写存储器，它可随时从任何一个制定地址的存储单元中取出（读出）数据，也可以随时将数据存入（写入）任何一个指定地址的存储单元中。RAM的最大优点是读/写方便，但RAM的缺点是数据的易失性，一旦掉电，所存的数据全部丢失。,RAM的结构和工作原理,RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（输入/输出电路）三部分组成。,7. 2 随机存取存储器( RAM ),RAM的结构和工作原理,1024 4位RAM（2114）的结构框图,RAM的结构和工作原理,存储矩阵：由许多存储单元排列而成，
14、每个存储单元能存储1位二值数据（1或0）。在译码器和读/写电路的控制下，既可以写入数据，也可以将存储的数据读出。,4096个存储单元排列成6464的矩阵。,RAM的结构和工作原理,地址译码器：一般分成行地址译码器和列地址译码器两部分。行地址译码器将输入的地址代码的若干位译成某一条字线的高、低电平信号，从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入的地址代码的其余几位译成某一根输出线上的高、低电平信号，从字线选中的一行存储单元中再选中一位（或几位）存储单元，使这些被选中的存储单元经读/写控制电路与输入/输出端接通，以便对这些单元进行读、写操作。,RAM的结构和工作原理,被选中的存储单元,10位
15、输入地址代码分成两组译码。字线数为210=1024。A3A8六位地址码加到行地址译码器上，用它从64行存储单元中选出其中一行。其余4位地址码加到列地址译码器上，用它从已选中的一行里再选出4个存储单元。,RAM的结构和工作原理,读/写控制电路：控制电路的工作状态。,六管CMOS静态存储单元,3RAM的操作与定时 读操作时序： (1)欲读取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； (3)在R/W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，本次读出结束。,tAA ：地址存取时间 tACS：从片选信号有效到数据稳
16、定输出的时间 tRC：读周期，它表示该芯片连续进行两次读操作必须的时间间隔。,写操作时序： (1)将欲写入单元的地址加到存储器的地址输人端； (2)在片选信号CS端加上有效逻辑电平，使RAM工作； (3)将待写入的数据加到数据输入端； (4)在RW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。,tAS：地址建立时间 tWR：写恢复时间 tWP：写脉冲宽度 tWC：写周期,下图所示是2K8位静态CMOS RAM6116的引脚排列图,7.3 存储器容量的扩展,当使用一片ROM或RAM器件不能满足对存储容量的要求时，就需要将若干片ROM或RAM组合起来，形成一个容量更大的存储器。存储器容量的扩展,1、 位扩展,如果每一片ROM或RAM中的字数已经够用而每个字的位数不够用时，应采用位扩展的连接方式，将多片ROM或RAM组合成位数更多的存储器。,例：用4片10241位的RAM接成一
