半导体存储器教师讲义

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1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器作作业业题题7.1题题7.2题题7.6题题7.7题题7.8题题7.10 题题7.11 题题7.14内容提要内容提要本章介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方本章介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方 法。法。半导体存储器包括只读存储器（半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机）和随机 存储器（存储器（RAM）。）。着重着重介绍存储器扩展容量的连接方法以及用存储介绍存储器扩展容量的连接方法以及用存储 器设计组合逻辑电路器设计组合逻辑电路。本章内容本章内容7.1 概述概述7.2 只读存储器（只读存储器（ROM）7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）7.4

2、存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.5 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数7.1 概述概述1. 半导体存储器的定义半导体存储器的定义半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作 二值数据）的半导体器件。二值数据）的半导体器件。输 入输 入 出 电 路出 电 路I/O输入输入/ /出控制出控制图图7.1.12.存储器的性能指标存储器的性能指标存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指 标。标。目前动态存储器的容量已达目前动态存储器的容量已达109位位/片，一些高速片，一些高速 存储器的存取存储器的存取

3、时间时间达纳秒级达纳秒级。7.1 概述概述7.1 概述概述3.半导体存储器的分类半导体存储器的分类（1）从存取功能上分类）从存取功能上分类从存取功能上可分为只读存储器（从存取功能上可分为只读存储器（Read-Only Memory，简称，简称ROM）和随机存储器（）和随机存储器（Random Access Memory，简称，简称RAM）。）。ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据， 不能快速地随时修改或重新写入数据。不能快速地随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，而且断电后数据也不会丢失。其电路结构简单，而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能

4、用于存储一些固定数据的场合。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。7.1 概述概述a. ROM7.1 概述概述ROM，分为：，分为：掩模掩模ROM可编程可编程ROM（Programmable Read-Only Memory，简，简 称称PROM）可擦除的可编程可擦除的可编程ROM（Erasable Programmable Read- Only Memory，简称，简称EPROM）。）。a. ROMb.随机存储器随机存储器RAM（读写存储器）（读写存储器）随机存储器为在正常工作状态下，可以随时向存随机存储器为在正常工作状态下，可以随时向存 储器里写入数据或从中读出数据。储器里写入数据或从中读

5、出数据。根据采用的存储单元工作原理不同，随机存储器，根据采用的存储单元工作原理不同，随机存储器， 分为：分为：静态存储器（静态存储器（Static Random Access Memory，简称，简称 SRAM）动态存储器（动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简，简 称称DRAM）7.1 概述概述（2）从制造工艺上分类）从制造工艺上分类从制造工艺上存储器可分为：从制造工艺上存储器可分为：双极型和单极型（双极型和单极型（CMOS型）。型）。由于由于MOS电路（特别是电路（特别是CMOS电路），具有功耗低、电路），具有功耗低、 集成度高的优点，所以目前大容量存储器

6、采用集成度高的优点，所以目前大容量存储器采用MOS工工 艺制作。艺制作。7.1 概述概述7.2 只读存储器（只读存储器（ROM） 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器1. ROM的组成的组成图图7.2.1a. 存储矩阵存储矩阵图图7.2.17.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器b. 地址译码器地址译码器c. 输出缓冲器输出缓冲器2. 二极管二极管ROM电路电路7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器图图7.2.2其中：其中：地址译码器是由地址译码器是由4个二极个二极 管与门组成。管与门组成。A1、A0称为地址线称为地址线W0W3叫做字线。叫做字线。7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器

7、存储矩阵是由存储矩阵是由4个二极管个二极管 或门组成的编码器。或门组成的编码器。D0D3称为位线（或数称为位线（或数 据线）。据线）。图图7.2.2图图7.2.27.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器A0An-1W0W(2n-1)字线字线位线位线图图7.2.27.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器当当EN=0时时，iidD D1= d3 = A0 D0= W1+ W0= A1D2= W1= A1+A0D3= W1+W3= A1A0+A1A0=A0地地 址址A1A0数数 据据 D3D2D1D0000110110101101101011100表表7.2.

8、1译码输出译码输出W0W1W2W31000010000100001图图7.2.27.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器A1A 1A0A 0W0W1W2W3D3D2D1D0图图7.2.4 二极管掩模二极管掩模 ROM的简化画法的简化画法图图7.2.2a. 字线、位线相交叉的点为一个存储单元。字线、位线相交叉的点为一个存储单元。其中有二极管的相当于存其中有二极管的相当于存1，没有二极管相当于存，没有二极管相当于存0。交叉点的数目为存储单元数。交叉点的数目为存储单元数。用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量）用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量） 即即b. 二极管二极管ROM的电

9、路结构简单，故集成度可以做得很的电路结构简单，故集成度可以做得很 高，可批量生产，价格便宜。高，可批量生产，价格便宜。c. 可以把可以把ROM看成一个组合逻辑电路，每一条字线就看成一个组合逻辑电路，每一条字线就 是对应输入变量的最小项。位线是最小项的或，故是对应输入变量的最小项。位线是最小项的或，故 ROM可实现逻辑函数的可实现逻辑函数的标准标准与或式。与或式。7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器存储容量字数位数存储容量字数位数如上述如上述ROM的存储量为的存储量为4416位位 。掩模掩模ROM的特点：的特点：出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产；出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产；

10、 简单，便宜，非易失性。简单，便宜，非易失性。7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器7.2.2 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM） 在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量 生产产品时，由于需要的生产产品时，由于需要的ROM数量有限，设计人员经数量有限，设计人员经 常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的ROM。 这就出现了这就出现了PROM可编程只读存储器。可编程只读存储器。图图7.2.6为了能够经常修改存储的内容，满足设计的要求，为了能够经常修改存储的内容，满足设计的要求， 需要能多次修改的需

11、要能多次修改的ROM，这就是可擦除重写的，这就是可擦除重写的ROM。7.2.3 可擦除的可编程只读存储器（可擦除的可编程只读存储器（EPROM）可擦除可擦除ROM分为：分为：紫外线擦除（紫外线擦除（EPROM）；）；电擦除（电擦除（E2PROM）；）；快闪存储器（快闪存储器（Flash Memory）。）。7.3 随机存储器随机存储器（RAM）其特点是：读、写方便，使用灵活。其特点是：读、写方便，使用灵活。缺点是：存入的数据易丢失（即停电后数据随之丢缺点是：存入的数据易丢失（即停电后数据随之丢 失）。失）。分类：静态随机存储器（分类：静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器）和动态随机存储器

12、 （DRAM）。）。7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）一一 、 SRAM的结构和工作原理的结构和工作原理 RAM的结构的结构 1.存储矩阵存储矩阵 2.地址译码：双译码。地址译码：双译码。 3.读写控制电路：读写控制电路： 片选信号片选信号CS： 控制控制I/O端是否处在高阻状态。端是否处在高阻状态。读写控制信号读写控制信号R/ W： 控制电路处于控制电路处于读出读出还是还是写入写入状态。状态。7.3 随机存储器随机存储器（RAM）其中：其中：*存储矩阵：它是由许多存储单元排列而成，每个存存储矩阵：它是由许多存储单元排列而成，每个存 储单元都能存储储单元都能存储1位二值数据

13、（位二值数据（1或或0)，在译码器和读，在译码器和读/ 写电路的控制下，即可写入数据，也可读出数据。写电路的控制下，即可写入数据，也可读出数据。7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）图图7.3.1*地址译码器：地址译码器：一般 都分为行地址译码器 和列地址译码器两部 分。行地址译码器行地址译码器:将输入的地址代码的若干位将输入的地址代码的若干位A0Ai译成某一条字线的输出译成某一条字线的输出 高、低电平信号，从存储矩阵中选中一行存储单元；高、低电平信号，从存储矩阵中选中一行存储单元；7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）列地址译码器列地址译码器:将输入地址代码的

14、其余几位将输入地址代码的其余几位Ai1An1译成某一根输译成某一根输 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 元中再选元中再选1位（或几位），使这些被选中的单元经读位（或几位），使这些被选中的单元经读/ 写控制电路与输入写控制电路与输入/输出接通，以便对这些单元进行输出接通，以便对这些单元进行 读、写操作。读、写操作。7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）*读读/写控制电路写控制电路: 读/写控制电路用于对电 路的工作状态进行控制。当当R/W =1时，执行读操时，执行读操作，将存储单元数据送作，将存储单元数据送到到I/O输入

15、输入/输出端；输出端；当当 R/W 0时，执行写操作，加到输入时，执行写操作，加到输入/输出端上的数输出端上的数 据被写入存储单元中。据被写入存储单元中。7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）片选输入端片选输入端 CS 当当CS 0时，时，RAM为正常工作状态；当为正常工作状态；当CS 1时，所时，所 有的输入有的输入/输出端均为高阻态，不能对输出端均为高阻态，不能对RAM进行读进行读/写操写操 作。作。7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）一个一个RAM有三组线：有三组线：地址线是单向的，它地址线是单向的，它 传送地址码（二进制），传送地址码（二进制）， 以便

16、按地址访问存储单以便按地址访问存储单 元。元。数据线是双向的，它数据线是双向的，它 将数据码（二进制数）将数据码（二进制数） 送入存储矩阵或从存储送入存储矩阵或从存储 矩阵读出。矩阵读出。读读/写控制线传送读写控制线传送读 （写）命令，即读时不（写）命令，即读时不 写，写时不读。写，写时不读。图图7.3.2为为10244位的位的RAM2114的工作原理图的工作原理图7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）图图7.3.2A9地址译码器：地址译码器：10根地址线根地址线A0A9，分，分2组。组。6根行地址输入线根行地址输入线A8A3加到行地址译码器上，其输出为加到行地址译码器上，其输出为 2664根行地址输出线根行地址输出线X0X63；4根列地址输入线根列地址输入线A2A0、A9加到列地址译码器上，译加到列地址译码器上，译 出出24