数字电路--半导体存储器原理

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1、第七章 半导体存储器内容提要本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理 和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（ROM ）和随机存储器（RAM）。在只读存储器中，介绍 了掩模ROM、PROM和快闪存储器等不同类型的 ROM的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍 了静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种 类型。此外，介绍了存储器扩展容量的连接方法，重 点放在这里。本章内容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7.1 概述1. 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 二值数据）

2、的半导体器件。它是属于大规模集成电路 ，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据 ，因此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其 组成框图如图7.1.1所示。输入/出电路I/O输入/出控制图7.1.12.存储器的性能指标由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越 快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将 存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。 目前动态存储器的容量已达109位/片，一些高速存储 器的存取时间仅10ns左右。7.1 概述3.半导体存储器的分类（1）从存取功能上分类从存取功能上可分为只读存储器（ReadOnly Memory，简称ROM）和随机存储器（Random

3、 Access Memory，简称RAM）。ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据， 不能快速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。缺点是只能用于存储 一些固定数据的场合。7.1 概述 a. ROM （非易失性存储器）ROM可分为掩模ROM、可编程ROM（Programmable ReadOnly Memory，简称PROM）和可擦除的可编 程ROM（Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称EPROM）。*掩模ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据 写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固 定不变，无法更改

4、。EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不 但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重 写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需 要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次 全部擦除。电擦除的PROM有 E2PROM和快闪ROM 。7.1 概述PROM在出厂时存储内容全为1（或者全为0),用户可 根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将 某些单元改写为0(或为1)。b.随机存储器RAM（读写存储器） （静态易失性存储器）随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存 储器里写入数据或从中读出数据。根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又 可分为静态存储器（Static

5、 Random Access Memory， 简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）7.1 概述SRAM的特点是数据由触发器记忆，只要不断电 ，数据就能永久保存 。但SRAM存储单元所用的管子 数量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺 点，则产生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多 ，缺点是速度不如SRAM。RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地 址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数 据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。例如：PC机系统上的内存，DDR=Double Data Rate双 倍速率同

6、步动态随机存储器。严格的说DDR应该叫 DDR SDRAM，人们习惯称为DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩 写，即同步动态随机存取存储器。而DDR SDRAM是 Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动 态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基 础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系 。7.1 概述从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型（ CMOS型），由于MOS电路（特别是CMOS电路）， 具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存 储器都是采用MOS工艺制作的。（2）

7、从制造工艺上分类硬盘:（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive 简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储 媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组 成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都 是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。ATA:全称Advanced Technology Attachment，是用 传统的40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的， 外部接口速度最大为133MB/s .IDE: 英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“ 电子集成驱动器”，俗称PATA并口。 SATA:（Serial ATA）

8、口的硬盘又叫串口硬盘，是未 来PC机硬盘的趋势.SATA II:是芯片巨头Intel英特尔与硬盘巨头Seagate希 捷在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输 率从SATA的150MB/s进一步提高到了300MB/s .SCSI:英文全称为“Small Computer System Interface” （小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全 不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而 SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应 用于小型机上的高速数据传输技术。 不同的厂商，不同的组织，各自制定了自己的不同的厂商，不同的组织，各自制定了自己的 FLASHFLA

9、SH存储卡标准，所以就有了现在五花八门的闪存存储卡标准，所以就有了现在五花八门的闪存 卡。目前比较流行的闪存卡种类有卡。目前比较流行的闪存卡种类有CFCF卡、卡、SDSD卡、卡、 MMCMMC卡、卡、MSMS记忆棒、记忆棒、xDxD卡等，为了追求更快的读写卡等，为了追求更快的读写 速度和更小的体积，在这些卡的基础上，又衍生出了速度和更小的体积，在这些卡的基础上，又衍生出了 mini-SDmini-SD、RS-MMCRS-MMC、Ultra CFUltra CF、MS Pro DuoMS Pro Duo、T-FlashT-Flash 等等更快速更小的卡种，使得原本复杂的存储卡卡种等等更快速更小的

10、卡种，使得原本复杂的存储卡卡种 变得更加纷乱了。变得更加纷乱了。FLASHFLASH存储器：存储器：又称闪存，它结合了又称闪存，它结合了ROMROM和和RAMRAM的长的长 处，不仅具备电子可擦除可编程（处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROMEEPROM）的性能，还）的性能，还 不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAMNVRAM的优势的优势 ），），U U盘和盘和MP3MP3里用的就是这种存储器。里用的就是这种存储器。目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用

11、户 可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可 以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没 有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取 一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采 用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行 NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开 发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的 NOR Flash来运行启动代码。 一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用 来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采 用的D

12、OC（Disk On Chip）和我们通常用的“闪盘“，可 以在线擦除。 7.2 只读存储器（ROM） 7.2.1 掩模只读存储器在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是 由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按 照用户的要求专门设计的，因此出厂时数据已经“固化 ”在里面了。 1. ROM的组成：ROM电 路结构包含存 储矩阵、地址 译码器和输出 缓冲器三个部 分，其框图如 图7.2.1所示。图7.2.1a.存储矩阵存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元 可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能 存放1位二值代码（0或1)，而每一个或一组存储单元有 一个相应的地址代码。图

13、7.2.17.2.1 掩模只读存储器b.地址译码器c. 输出缓冲器输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，另外是实 现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。地址译码器是将输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图7.2.17.2.1 掩模只读存储器2. 二极管ROM电路7.2.1 掩模只读存储器图7.2.2是具有2 位地址输入码和4位 数据输出的ROM电 路。其地址译码器 是由4个二极管与门 构成，存储矩阵是 由二极管或门构成 ，输出是由三态门 组成的。图7.2.2其中： 地址译码器是由4个二极 管与门组成，A1、A

14、0称 为地址线，译码器将4个 地址码译成W0W3 4根 线上的高电平信号。 W0 W3叫做字线。图7.2.27.2.1 掩模只读存储器存储矩阵是由4个二极管 或门组成的编码器，当 W0W3每根线分别给出 高电平信号时，都会在 D0D34根线上输出二进 制代码， D0D3称为位 线（或数据线）。7.2.1 掩模只读存储器A0An-1W0W(2n-1)字线位线输出端的缓冲器用来 提高带负载能力，并 将输出的高低电平变 换成标准的逻辑电平 。同时通过给定 EN 信号实现对输出的三 态控制，以便与总线 相联。在读出数据时 ，只要输入指定的地 址代码，同时令 EN 0,则指定的地址内 各存储单元所存数据

15、 便出现在数据输出端 。7.2.1 掩模只读存储器图7.2.2的存储的内容 见表7.2.1图7.2.27.2.1 掩模只读存储器7.2.1 掩模只读存储器图7.2.3也可以用简化画法。凡是有二极管的位置，均 用交叉点“.”表示，并且省略电阻、输出缓冲器和电源 等符号，如图7.2.4所示。图7.2.2注： a. 通常将每个输出的代码叫一个“字”（WORD） ，W0W1为字线，D0D3为位线，其相交叉的点就是一 个存储单元，其中有二极管的相当于存1,没有二极管相 当于存0.因此交叉点的数目即为存储单元数。习惯上用 存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量） 即b. 二极管ROM的电路结构简单，

16、故集成度可以做的很 高，可批量生产，价格便宜。 c. 可以把ROM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，而位线是最小项的或， 故ROM可实现逻辑函数的与或标准式。7.2.1 掩模只读存储器存储容量字数位数如上述ROM的存储量为4416位 。掩模ROM的特点： 出厂时已经固定，不 能更改，适合大量生 产简单，便宜，非易 失性7.2.1 掩模只读存储器7.2.2 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 生产产品时，由于需要的ROM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ROM。 这就出现了PROM可编程只读存储器。PROM的整体结构和掩模ROM一样，也有地址 译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储 矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了 1.如图7.2.6所示在图7.2.6中，三极管的be结接 在字线和位线之间，相当于字线和 位线之间的二极管。快速熔断丝接 在发射极，当想写入0时，只要把相 应的存储单元的熔断丝烧断即可。 但