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1、,第七章 半导体存储器,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电路,存储器概述,存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分； 功能：存放数据、指令等信息。,按材料分类 1) 磁介质类软磁盘、硬盘、磁带 2) 光介质类CD、DVD 3) 半导体介质类ROM、RAM等,按功能分类 主要分RAM和ROM两类，不过界线逐渐模糊。 RAM: SRAM, DRAM, ROM: 掩模ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM,性能指标 1)存储容量一般用字位数表示,即字数位数；如：2568bit=2
2、048位。 2)存取时间存储器操作的速度。,本课主要讲述半导体介质类器件,存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，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，又称为一个“字” ）。,(2) 读写存储器( RAM ),(1) 只读存储器( ROM ),半导体存储器可分为两大类：,7.1 概述,在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器。,只读存储器，工作时其存储的内容固定不变。因此，只
3、能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。,ROM的分类,一、固定ROM的基本结构及工作原理,ROM 的主要技术指标是存储容量。由于ROM有n条地址输入线，2n条字线，因此，存储器能够存储2n个字，每个字的字长是m位，故整个存储器的存储容量是2n字m位。例如：128字 8位、1024字 8位等。,1、基本结构,7.2 只读存储器( ROM ) 7.2.1 掩模只读存储器,A1,A0,W3,W0,W2,W1,2、二极管ROM存储矩阵由二极管构成,D2,D3,D0,D1,A1,A0,W3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,A1,A0,W3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,（1）存
4、储矩阵中的内容，完全取决于用户预先编制好的程序或所要存放的数据，但是，电路一旦做好后，内容就不能再更改，即只能读出，不能写入。,A1,A0,W3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,（2）在存储矩阵中，行线和列线相交的地方，叫做存储单元，单元中有二极管者存储内容为1，无者为0。,A1,A0,W3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,（3）在读取数据时，只要输入指定的地址码，则指定地址内各存储单元所存储的数据便出现在输出数据线上。,A1,A0,W3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,（4）存储器的存储容量的大小=字数位数,3、NMOS-ROM存储矩阵存储矩阵由场效应管构成,W
5、3,W0,W2,W1,D2,D3,D0,D1,字线和位线交叉处是存储单元，有MOS管者存储内容为1，无者为0，只是这里被选中的字线上出现的是高电平，而不是低电平。,A1A0=00, D3D2D1D0=0101,数据表为：,7.2.2 可编程只读存储器(PROM),字线和位线交叉处是存储单元，有三极管者存储内容为1，无者为0，只是这里被选中的字线上出现的是高电平，而不是低电平。,在前面介绍的三种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为固定 ROM 。,有一种可编程序的 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，
6、称其为 PROM。,晶体三极管ROM存储矩阵由晶体三极管构成,存 储 矩 阵,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。,可编程只读存储器(PROM),熔丝,找到要输入0的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出高电平,在相应位线上加高电压脉冲，使DZ导通，大电流使熔断丝熔断,DZ,在存储单元中采用浮置栅雪崩注入的MOS管（FAMOS管）,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器(EPROM),SiO2,S,D,浮置栅,它本身是一个P沟道增强型MOS管，但栅极“浮置”于SiO2层内，与其它部分均不相连，处于完全绝缘的状态。,当D、S间加较高的负电压（-20v-30v）则可使衬底与
7、D极之间产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场的作用下以很高的速度从漏极的P+区向外射出，其中速度最快的一部分将穿过SiO2层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷雪崩注入。,SiO2,S,D,浮置栅,若用紫外线或X射线照射FAMOS管，则可使SiO2层中产生电子空穴对，为浮置栅上的电荷提供临时泻放通路，使之放电，待栅极上的电荷消失后，导电沟道随之消失，FAMOS管又恢复截止状态擦除。,漏源间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上的电荷没有泻放通路，所以能够长久保存下来。而当栅极获得足够多的电荷以后，浮置栅漏源间便可以形成导电沟道，使管子导通。,使用FAMOS管作存储单元时，如图，产品出厂时，
8、所有FAMOS管均截止，用户在进行写入操作时，首先输入选好的地址，使需要写入数据的那些单元所在字线为低电平，然后在应该写入1的那些位线上加入负脉冲，使被选中的单元的FAMOS管发生雪崩击穿，存储单元记入1。,在读出数据时，只需输入指定的地址代码，相应的字线便给出低电平，这根字线所对应一行单元中栅极已注入电荷的FAMOS管导通，使所接的位线变成高电平，读出1，栅极未注入电荷的FAMOS管截止，使所接的位线变成低电平，读出0。,7.3 随机存储器RAM （random access memory ）,RAM在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机
9、存储器(或读写存储器)。读写速度很快。但一般有易失性，数据掉电后就消失。,RAM 按功能可分为,RAM 按所用器件可分为,RAM 优点：读写方便，具有信息的灵活性。缺点：一般有易失性，数据掉电后就消失。,静态(SRAM),动态(DRAM),双极型,MOS型,7.3.1 静态随机存储器(SRAM),1、基本结构,（1）存储矩阵 一个RAM由若干个存储单元组成，每个存储单元存放一位二进制信息（1或0），在译码器和读写控制电路的控制下，既可以写入0或1，又可将存储的数据读出。,2564（256个字，每字4位）=1024个存储单元，排成32行32列，信息的读出和写入是以字为单位进行的。,（1）存储矩阵
10、,32根行选择线,8根列选择线,256 4 RAM存储矩阵,一个字,（2）地址译码器,5根行地址线,3根列地址线,将存放同一个字的存储单元编为一组并赋予一个号码地址.,A5 A6 Y7,例如地址线A9 A0为0000000001时，行选择线中X1=1， 其余都为0，列选择线中Y0=1，其余都为0，所以，存储单元10与数据线D相连通，可以进行读或写。,当输入一个地址码A0A9时，有一对相应的行、 列选择线被选中， 也就有一个相应的“字”被选中，即可对该字的存储单元进行读或写操作。,（3）存储单元,VCC,Wi,D,D,I/O,R / W,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,Q,Q,T1,字
11、线,数据线,数据线,Yj 列线,T7,T8,由增强型 NMOS管T1、 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。,T5T8是门控管，由字线Wi和列线Yj控制其导通或截止：Wi=Yj=1则导通，否则截止。,反之若RW=0时，G1输出高电平，G4、G5被打开， 此时加到IO端的数据以互补的形式出现在D和D上，并被写入到所选中的存储单元， 完成了写操作。,当CE=0时，RAM被选通，根据读写信号（RW）执行读或写操作。,若RW=1时，G2输出高电平，G3被打开，存储器执行读操作；,只有当行、列选择线均为1时，T5T8都导通，触发器的输出与数据线接通，该单元才能通过数据线
12、传送信息。 存储单元能够进行读写操作的条件是与它相连的行、列选择线均为1。 数据由触发器记忆，只要不断电，信息就永久保存。,（4） 结构框图,D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。,（5）片选与读写控制电路,D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。,D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。,（5）片选与读写控制电路,R/,I/O,工作模式,RAM2114共有10根地址
13、线，4根数据线。 故其容量为：1024字4位（又称为1K 4）,2、 RAM组件及其连接,（1）常见的RAM组件,采用5V供电，与TTL电平完全兼容。,RAM6116的容量为：2048字8位 （又称为2K 8）,（1）常见的RAM组件,用两片2114 将位数由 4位扩展到 8位, 位数的扩展：把各片对应的地址线连接在一起，数据线并列使用即可。接线如下图：,（2）RAM容量的扩展, 字数的扩展：,各片RAM对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的选片控制端。,用2114接成4096字4位型存储器时，高位 地址和存储单元的关
14、系如下表：,7.3.2 动态随机存储器(DRAM),1、存储单元,（1）三管动态存储单元,Xi 行选择线,存储单元,读位线,Yj 列选择线,写位线,写入刷新控制,SRAM体积大不易高密度集成，大容量存储器一般都采用DRAM,DRAM存储依赖MOS管栅极的寄生电容效应原理制成的。,C上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容充电，称为再生或刷新。,要求在13ms中周期性地刷新存储单元,信息存储于栅极电容中，若C充有足够的电荷，使T2导通，这一状态为逻辑0，否则，电容未充电或充电很少，不能使T2导通，这时的状态为逻辑1。,（1）三管动态存储单元,工作原理,信息存储于栅极电容中，若C充有足够的电荷
15、，使T2导通，这一状态为逻辑0，否则，电容未充电或充电很少，不能使T2导通，这时的状态为逻辑1。,（1）三管动态存储单元,工作原理,（1）三管动态存储单元,除了读、写操作可进行刷新外，刷新操作也可以通过只加入行地址信号来实现，此时数据不被输出，而一行存储单元被刷新。,刷新的动作就是读出一整行，再把它们写回去，而读出的一行数据并不送到外部的数据线上。它的优点是消耗的电流小，但需要设置外部刷新地址计数器,2. 三管动态存储单元,读操作:,先使读位线预充电到高电平,当读字线为高电平时 T3 导通,若 C 上存有电荷 (1) 使 T2 导通, 则 CB 放电, 使读位变为低电平 (0),若 C 上没有电荷 (0) 使 T2 截止, 则 CB 不放电, 使读位线保持高电平 (1),写操作:,当写字线为高电平时 T1 导通,将输入信号送至写位线，则将信息存储于 C 中,写入信息时，字线为高电平，VT导通，位线上的数据经过VT存入CS。,读出信息时，字线为高电平，VT管导通，这时CS经VT向CO充电，使位线获得读出的信息。这是一种破坏性读出。因此每次读出后，要对该单元补充电荷进行刷新，同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信号加以放大。,
