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1、2019/8/6,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,1,第11章 半导体存储器及其应用,11.1 半导体存储器简介 11.2 只读存储器 11.3 随机存取存储器 11.4 闪存,11.1.1 半导体存储器的发展 11.1.2 半导体存储器的发分类 11.1.3 半导体存储器的一般结构 11.1.4 半导体存储器主要性能指标,2019/8/6,2,11.1 半导体存储器简介,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.1 半导体存储器的发展,半导体存储器是由半导体器件组成，存储二值信息的大规模集成电路。半导体存储器主要用于数字和计算机系统中程序、数据、资料等
2、的存放。相对于磁介质存储器（如硬盘、磁带等）和光介质存储器（如DVD光盘），半导体存储器具有集成度高、读写速度快、功耗小、可靠性高、价格低、体积小和便于自动化批量生产的特点。,2019/8/6,3,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.1 半导体存储器的发展,存储器不同于触发器和寄存器，它是将大量存储单元按一定规律结合起来的整体，如何有效提高存储器的存储能力是半导体存储器的发展趋势。随着集成电路制造工艺的提升和微电子技术的突破，半导体存储器的集成度越来越高，存储密度越来越大，性能也越来越好，相应的外围电路也日益复杂。如随机存取存储器RAM的单个存储单元由最初需要6个晶体
3、管构成发展到了仅需1个晶体管就可实现，在单个存储器芯片上集成数吉（G）存储单元已是现实。,2019/8/6,4,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.1 半导体存储器的发展,各类半导体存储器根据其应用领域的核心需求，在不断提高存储密度的同时又出现了不同的演进路线。如非易失性存储器（指断电后保存其上的信息不会丢失的存储器）应用领域，提高存储数据擦写次数和易用性是该类存储器的发展重点，其发展已经历了熔丝型ROM、可编程PROM、紫外线可擦除EPROM和电可擦除E2PROM，直到现在被广泛使用的闪存Flash Memory等数代产品，擦写更新存储器上的数据更加简单方便和快捷可
4、靠。,2019/8/6,5,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.2 半导体存储器的分类,半导体存储器的分类方法有很多种。按制造工艺可分为双极型半导体存储器和金属场效应管型半导体存储器；按存取方式（或读写方式）可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按信息传送方式可分为并行存储器（字长的所有位同时存取）和串行存储器（按位逐位存取）。按在微机中的作用可分为主存储器（内存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器（Cache）。 近年来英特公司推出名为闪速存储器(Flash Memory)的新型半导体存储器，其特点是既具有RAM易读易写、集成度高、速度快和体积小等
5、优点，又具有ROM断电后信息不丢失等优点，是一种很有前途的半导体存储器。,2019/8/6,6,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.3 半导体存储器的一般结构,半导体存储器一般由存储矩阵（存储体）和外围电路两部分组成。存储矩阵是存储信息的部分，由大量基本存储电路组成。外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲、控制逻辑组成的读/写控制电路。 半导体存储器电路组成示意图如图11-1所示。它由地址寄存器、译码驱动电路、存储矩阵、读写电路、数据寄存器和控制逻辑等6部分组成。 随着大规模集成电路的发展，已将地址译码驱动电路，读写电路和存储体集成在一个芯片内，称为存储器芯片。
6、芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU相连接。,2019/8/6,7,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.3 半导体存储器的一般结构,2019/8/6,8,图11-1 半导体存储器电路组成示意图,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.1.4 半导体存储器主要性能指标,半导体存储器一般由存储矩阵（存储体）和外围电路两部分组成。存储矩阵是存储信息的部分，由大量基本存储电路组成。外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲、控制逻辑组成的读/写控制电路。 半导体存储器电路组成示意图如图11-1所示。它由地址寄存器、译码驱动电路、存储矩阵、读写电路、
7、数据寄存器和控制逻辑等6部分组成。 随着大规模集成电路的发展，已将地址译码驱动电路，读写电路和存储体集成在一个芯片内，称为存储器芯片。芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU相连接。,2019/8/6,9,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,10,存储容量：存储二值信息的总量。 设每个字有m位，则 存储容量字数位数2nm。如 2568，1K4， 1M1等。,字数：字的总量。字数=2n （n为存储器外部地址线的线数）。 通常用K、M、G为单位，1K 210 1024， 1M 220 1024K， 1G 230 1024M。,字：表示一个信息的多位二进制码称为
8、一个字，字的位数称为字长。,地址：每个字的编号。地址线的数量n。,1、存储容量,11.1.4 半导体存储器主要性能指标,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,11,（1）存取时间 存取时间是反映存储器工作速度的一个重要指标。,存储器的存储速度可以用两个时间参数表示。一个是“存取时间”，定义为从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间；另一个是“存储周期”，定义为启动两次独立的存储器操作之间所需的最小时间间隔。,2、存储速度,11.1.4 半导体存储器主要性能指标,（2）存取周期 存取周期是指连续启动两次独立的存储器读写操作所需要的最小间隔时间，对于读操作，就是
9、读周期时间；对于写操作，就是写周期时间。,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,12,3可靠性 存储器的可靠性用平均故障间隔时间（MTBF）来衡量。MTBF越长，可靠性越高。 4性能价格比 这是一个综合性指标，性能主要包括存储容量、存储速度和可靠性3项指标，对不同用途的存储器有不同的要求。,11.1.4 半导体存储器主要性能指标,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.2.1 只读存储器的电路结构和工作原理 11.2.2 可编程只读存储器 11.2.3 可擦除可编程只读存储器 11.2.4 ROM的应用,11.2 只读存储器,2019/8/6,
10、13,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,11.2.1 只读存储器的电路结构和工作原理,只读存储器（ROM）结构简单，集成度高，断电后信息不会丢失，是一种非易失性器件，可靠性比较高。 1ROM的电路结构 ROM由地址译码器和存储矩阵组成，ROM的电路结构示意图如图11-2所示。,2019/8/6,14,图11-2 ROM的电路结构,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,15,2 ROM的基本工作原理,a) 二极管构成的44位ROM电路结构图 b) 简化的ROM存储矩阵阵列图 图11-3 44位ROM电路结构示意图,电子技术（电工学） 第11章 半
11、导体存储器及其应用,2019/8/6,16,A1=1A0=0,W0=0,W1=0,W2=1,W3=0,D3=1,D1=0,D0=0,D2=1,2 ROM的基本工作原理,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,17,44位ROM,地址译码器,存储体,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,18,ROM的简化画法,地址译码器 产生输入变量的全部最小项,存储体 实现有关最小项的或运算,与阵列固定,或阵列可编程,连接,断开,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,19,功能说明 从存储器角度看，A1A0是地址码，
12、D3D2D1D0是数据。表11-1说明在00地址中存放的数据是0101；01地址中存放的数据是1010，10地址中存放的是0111，11地址中存放的是1110。 从函数发生器角度看，A1、A0是两个输入变量，D3、D2、D1、D0是4个输出函数。表11-1说明：当变量A1、A0取值为00时，函数D30、D21、D10、D01；当变量A1、A0取值为01时，函数D31、D20、D11、D00。 从译码编码角度看，与门阵列先对输入的二进制代码A1A0进行译码，得到4个输出信号W0、W1、W2、W3，再由或门阵列对W0W3 4个信号进行编码。表1-1说明W0的编码是0101；W1的编码是1010；W
13、2的编码是0111；W3的编码是1110。,11.2.1 只读存储器的电路结构和工作原理,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,20,对于上述ROM来说，具有4个储存单元，每个储存单元的数据为4位，储存容量为44位。前者4代表4个存储单元，对应位线的数量；后者4代表一个储存单元数据位数（即字长），对应数据线的数量。位线的数量由地址译码器地址输入端地址线的数量决定，该存储器的地址线为2。该存储器的容量可以记为224位，代表该存储器地址线有2根，字线4根，数据线4根，储存容量为16，即存储元总数为16个。类似的，如存储器容量为10248位可以记为2108位，代表该存
14、储器地址线有10根，字线1024（210）根，数据线8根，储存容量为10248，即存储元总数为8192。,11.2.1 只读存储器的电路结构和工作原理,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,21,可编程只读存储器（PROM）是一种用户可直接向芯片写入信息的存储器，这样的ROM称为可编程ROM，简称PROM。向芯片写入信息的过程称为对存储器芯片编程。存储单元多采用熔丝低熔点金属或多晶硅，写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。可编程只读存储器的电路结构示意图如图11-4所示。,11.2.2 可编程只读存储器,图11-4 可编程只读存储器的电路结构示意图,电子技
15、术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,22,可擦除可编程只读存储器允许对芯片进行反复改写，根据对芯片内容擦除方式的不同，可分为紫外线擦除方式和电擦除可编程方式。（1） EPROM紫外线擦除方式。,11.2.3 可擦除可编程只读存储器,图11-5 Intel 2716引脚排列及逻辑功能示意图,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,23,（2） E2PROM紫外线擦除方式。,11.2.3 可擦除可编程只读存储器,图11-6 Intel 2816引脚排列及逻辑功能示意图,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,2
16、4,ROM的应用广泛，如用于实现组合逻辑函数、进行波形变换、构成字符发生器以及存储计算机的数据和程序等。 从ROM的电路结构示意图11-2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。,11.2.4 ROM的应用,电子技术（电工学） 第11章 半导体存储器及其应用,2019/8/6,25,用ROM实现组合逻辑函数可按以下步骤进行： 1列出函数的真值表。 2选择合适的ROM，对照真值表画出逻辑函数的阵列图。 用ROM来实现组合逻辑函数的本质就是将待实现函数的真值表存入ROM中，即将输入变量的值对应存入ROM的地址译码器（与阵列）中，将输出函数的值对应存入ROM的存储单元（或阵列）中。电路工作时，根
