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1、第七章 半导体存储器,7.1 概述 7.2顺序存取存储器（SAM） 7.3随机存取存储器（RAM） 7.4只读存储器（ROM）,7.1 存储器概述,存储器：专用于存放大量二进制数码的器件,按材料分类 1) 磁介质类软磁盘、硬盘、磁带、 2) 光介质类CD、DVD、MO、 3) 半导体介质类SDRAM、EEPROM、FLASH ROM、,按功能分类 主要分RAM和ROM两类，不过界限逐渐模糊 RAM: SDRAM, 磁盘， ROM: CD, DVD, FLASH ROM, EEPROM,存储器一般概念,讨论学习半导体介质类存储器件的结构功能和使用特点,存储器分类：,RAM (Random Acc
2、ess Memory) 随机存取存储器,ROM (Read Only Memory) 只读存储器,随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作 RAM信息易失： 芯片必须供电才能保持存储的数据,SRAM,DRAM,只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出 ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失,ROM (工厂掩膜),PROM(一次编程),7.1 存储器概述,PROM(多次编程),双极型,MOS型,存储器的主要性能指标：,容量：存储单元总数（bit）,存取时间：表明存储器工作速度,其它：材料、功耗、封装形式等等,7.1 存储器概述,1Kbit=1024bit=210b
3、it 128Mbit=134217728bit=227bit,字长：一个芯片可以同时存取的比特数,1位、4位、8位、16位、32位等等,标称：字数位数 如4K8位=2128=215单元（bit）,读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系,字数 （通常以字节个数为单位）,字长 （通常以字节为单位）,存 储 器,不同的存储器芯片，其存储容量是不同的。例如某一半导体存储器芯片，共有4K个存储单元，每个单元存储8位二进制信息，则该芯片的存储容量是4K8bits或4K字节，简称4KB。,字节数 （4K个字节数）,字节长B （一个字节8bits）,存 储 器,7.2 顺序存取存储器（SAM）,7.2.1
4、 动态CMOS反相器,7.2.2 动态CMOS移存单元,7.2.3 动态移存器和顺序存取存储器,Sequential Access Memory,7.2.1 动态CMOS反相器,由传输门和CMOS反相器组成。电路中T1、T2栅极的寄生电容C是存储信息的主要“元件”。,MOS管栅电容C的暂存作用,栅电容C充电迅速，放电缓慢，因此可以暂存输入信息。若每隔一定时间对C补充一次电荷，使信号得到“再生”，可长期保持C上的1信号，这一操作过程通常称为“刷新”。 CP的周期不能太长，一般应小于ms。,7.2.2 动态CMOS移存单元,动态CMOS移存单元由两个动态CMOS反相器串接而成。,当CP=1时，主动
5、态反相器接收信息，从动态反相器保持原存信息；CP=0时，主动态反相器保持原存信息，从动态反相器随主动态反相器变化。每经过一个CP，数据向右移动一位。,7.2.3 动态移存器和顺序存取存储器,动态移存器 动态移存器可用动态CMOS移存单元串接而成，主要用来组成顺序存取存储器(SAM)。,由于需要读出的数据必须在CP的推动下，逐位移动到输出端才可读出，所以存取时间较长，位数越多，最大存取时间越长。,(1) 循环刷新 片选端为0。只要不断电，信息可在动态中长期保存。,先入先出(FIFO)型SAM,特点： 每次对外读(或写)一个并行的位数据，即一个字。 SAM中的数据字只能按“先入先出”的原则顺序读出
6、。,逻辑图,动画示意,1,G20,G30,1024位动态移存器,CP,CP,O0,G40,I0,1,G21,G31,1024位动态移存器,CP,CP,O1,G41,I1,1,G27,G37,1024位动态移存器,CP,CP,O7,G47,I7,&,写/循环,片选,读,图7-2-4 10248位FIFO型SAM,返回,G1,图7-2-5 m4位FILO型SAM,I/O控制电路,1,EN,Q0,Qm-1, ,m位双向移存器,SL/SR,CP,G2,G1,I/O0,R/W,CP,EN,EN,I/O3,EN,1,1,1,Q0,Qm-1, ,m位双向移存器,SL/SR,CP,先入后出(FILO)型SAM
7、,7.3 RAM,7.3.1 RAM的基本结构,7.3.2 RAM芯片介绍,7.3.3 RAM容量扩展,二、 RAM的存储单元（SRAM、DRAM）,一、 RAM的结构框图,一、 字长（位数）的扩展,二、字数的扩展,地址译码器：对外部输入的地址码进行译码，唯一地选择存储矩阵中的一个存储单元,输入/输出控制电路：对选中的存储单元进行读出或写入数据的操作,存储矩阵：存储器中各个存储单元的有序排列,7.3.1 RAM的结构,一、RAM的结构框图,7.3.1 RAM的结构,三组输入信号：地址输入、控制输入和数据输入 一组输出信号：数据输出 大容量RAM数据输入输出合为双向端口,存储单元数量多，将存储单
8、元排列成矩阵形式（存储器阵列） 阵列中各单元的选择称地址译码,单译码:n位地址构成 条地址线。若n=10，则有1024条地址线,行列（双）译码:将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码 ,其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择 的地址单元。,1地址译码,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。,例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线 X11、列选线Y01，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。,采用双译码结构。 行地址译码器：5输入32输出，输入为A0、A1 、A4， 输出为X
9、0、X1、X31； 列地址译码器：5输入32输出，输入为A5、A6 、A9，输出为Y0、Y1、Y31， 这样共有10条地址线。,2. 存储矩阵,图中，1024个字排列成3232的矩阵。 为了存取方便，给它们编上号。 32行编号为X0、X1、X31， 32列编号为Y0、Y1、Y31。 这样每一个存储单元都有了一个固定的编号，称为地址。,8根列地址选择线,32根行地址选择线,1024个存储单元，排成3232的矩阵,7.3.1 RAM的结构,图中的每个地址译码选通时有四个存储单元同时输入输出；存储器容量为256字4位1024bit,存储器存储矩阵结构,3. 片选及输入/输出控制电路,当选片信号CS1
10、时，G5、G4输出为0，三态门G1、G2、G3均处于高阻状态，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作。,从RAM的结构再看RAM指标的意义：,容量：指存储矩阵的大小，即阵列中所有存储单元的总数,字数2n ：指地址单元的总数为2n ，n为RAM外部地址线的 根数,字长：指每个地址单元中的数据位数；也即是每次寻址后 从存储器中读出（或写入）的数据位数,7.3.1 RAM的结构,存储容量字数（2n ）字长（数据位数）,静态MOS RAM（SRAM）,基本RS触发器,7.3.1 RAM的结构,二、RAM存储单元,二. RAM存储单元,Xi =1，T5、T6导通，触发器与位线接通,
11、Xi =0，T5、T6截止，触发器与位线隔离,Yj =1，T7 、T8均导通，触发器的输出才与数据线接通，该单元才能通过数据线传送数据,来自行地址译码器的输出,来自列地址译码器的输出,7.3.1 RAM的结构,动态MOS RAM（DRAM）,二、RAM存储单元,DRAM存储数据原理：,基于MOS管栅极电容的电荷存储效应,DRAM三个工作过程：,写入数据,读出数据,刷新数据,存储数据的电容,存储单元,写入数据的控制门,读出数据的控制门,写入刷新控制电路,来自行地址译码器的输出,来自列地址译码器的输出,7.3.1 RAM的结构,写入数据,若DI0，电容充电；,若DI1，电容放电。,当Xi Yj 0
12、时，写入的数据由C保存。,G1开通，,G2被封锁，输入数据DI经G3反相，被存入电容C中。,&,&,DRAM工作描述,7.3.1 RAM的结构,读位线信号分两路，一路经T5 由DO 输出 ；,另一路经G2、G3、T1对存储单元刷新。,G2开通，,G1被封锁，,读出数据,若C上充有,电荷且使T2导通，则读位线获得低电平，输出数据0；反之， T2截止，输出数据1。,&,&,DRAM工作描述,7.3.1 RAM的结构,若读位线为低电平，经过G3反相后为高电平，对电容C充电；,刷新数据,&,&,若读位线为高电平，经过G3反相后为低电平，电容C放电；,当,且Xi=1时，,C上的数据经T2 、T3到达“读
13、”位线，然后经写入刷新控制电路对存储单元刷新,此时,Xi有效的整个一行存储单元被刷新。由于列选择线Yj无效，因此数据不被读出,DRAM工作描述,7.3.1 RAM的结构,利用触发器保存数据 写入时在D和/D上加上反相信号，引起触发器的翻转即可 数据读出非破坏性，一次写入，可以反复读出 存储单元占用管元多，每比特面积大、功耗高,动态存储单元,利用栅级电容上的存储电荷保存数据 写入过程是给电容充电或放电的过程 破坏性读出 存储单元管元少、面积小、功耗低、利于海量存储 需要刷新时序控制,存储单元特点比较：,静态存储单元,7.3.1 RAM的结构,SRAM芯片M6264：,地址线13根（ A12A0
14、），数据线8根（DQ7DQ0） 容量为：8192字8位（常称为8K 8）,7.3.2 RAM产品介绍,M6264内部结构和外引脚,7.3.2 RAM产品介绍,SRAM芯片：2114,地址线10根，数据线4根 容量为：1024字4位（1K 4）,7.3.2 RAM产品介绍,7.3.3 RAM的容量扩展,1位扩展: 位数扩展利用芯片的并联方式实现 用8片1024（1K）1位RAM构成的10248位RAM系统。,2字扩展,例：用8片1K8位RAM构成的8K8位RAM。,（2）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。,7.4 只读存
15、储器(ROM),一 ROM的分类 按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种： （1）固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。,（3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。,（5）快闪存储器（Flash Memory）。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，一般一只芯片可以擦除/写入100万次以上。,（4）电可擦除可编程ROM（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，是用电擦除，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）。,二ROM的结构及工作原理,1. ROM的内部结构 由地址译码器和存储矩阵组成。,2. ROM的基本工作原理： 由地址译码器 和或门存储矩阵组成。,例：存储容量为4
