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1、第8章 半导体存储器与可编程器件第1讲 半导体存储器一、教学目的：1、 了解半导体存储器的基本概念。2、 正确理解只读存储器，程序存储器。3、 掌握存储器容量的扩展，存储器实现逻辑函数。二、主要内容：半导体存储器的基本概念，只读存储器和程序存储器的特点及分类，存储器容量的扩展及用存储器实现组合逻辑函数。三、重点难点：各类存储器的特点；存储器容量的扩展；存储器实现逻辑函数。四、课时安排：2学时五、教学方式：课堂讲授六、教学过程设计复习，联系，导入新课：逻辑函数回顾；作业讲评；与后续课程（单片机、DSP等）的关联。新课讲解：概 述1、存储器的概念：它是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。存
2、储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。2、存储器的分类：（1）按存储介质分半导体存储器磁介质存储器光介质存储器（2）按存储方式分随机存储器顺序存储器（3）按存储器的读写功能分只读存储器(ROM)随机读写存储器(RAM)（4） 按信息的可保存性分非永久记忆的存储器永久记忆性存储器（5） 按在计算机系统中的作用分可分为主存储器辅助存储器高速缓冲存储器控制存储器等这里主要介绍半导体存储器。8.1 半导体存储器1、半导体存储器的概念：是能够存储大量二值信息的半导体器
3、件，是计算机和许多数字系统的重要组成部分。它是一种通用型LSI。2、优点：容量大、存取速度快、耗电低、体积小、使用寿命长等3、分类：（1）根据存取功能只读存储器（Read Only Memory，简称ROM）：只读存储器正常工作状态下，只能读取数据，不能修改或写入数据。特点是电路结构简单，断电后数据不丢失，只能存储固定数据。随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）：而随机存储器在正常工作状态下可以随时写入或读出数据。（2）根据制造工艺存储器分为双极型：双极型存储器以双极型触发器为基本单元，特点是工作速度快、但功耗大，主要用于对速度要求较高的场合。MOS型：MOS型存储
4、器以MOS触发器或电荷存储结构为存储单元，特点是集成度高、功耗小、工艺简单。由于MOS电路、特别是CMOS电路的显著优点，大容量存储器均采用MOS工艺制成。4、衡量存储器性能的指标：（1）存储容量：存储容量一般用存储的字数和每个字所含位数的乘积表示（2）存取时间：存取时间反映存储器工作速度的快慢。8.1.1 只读存储器ROM1、特点：只读存储器的特点是只能读出、不能写入。适用于计算机和其他数字系统中存储系统软件、应用程序、常数等信息。ROM中的内容一般在产品出厂前由生产厂家写入并存储，不能使用简单的方法将其内容修改。2、分类：（1） 掩模ROM（masked ROM）（2） 可编程ROM（Pr
5、ogrammable ROM，简称PROM）（3） 可擦除的可编程ROM（Erasable Programmable ROM，简称EPROM）（1）掩膜ROM掩模ROM是采用掩模工艺制成的ROM。其中存储的数据由制作过程中的掩模板决定。包括存储矩阵、地址译码器、输出缓冲器三部分组成。电路结构框图见图8.1所示。图8.1 ROM结构框图存储矩阵由存储单元组成，一个存储单元可以存放一位二进制代码。存储单元可以由二极管、双极型三极管或MOS管构成。(a) (b)图8.2 二极管ROM电路地址译码器将输入的地址转换为相应的控制信号，并以此从存储矩阵指定单元中选出数据送至输出缓冲器。由于存储单元数量众多
6、，无法直接将每个存储单元输入/输出直接引出。所以给每个存储单元确定一个地址，只有被输入地址代码选中存储单元的数据才能与公共的输入输出端口连接，进行数据传递。输出缓冲器在提高存储器带负载能力的同时，实现对输出状态的三态控制。图8.2（a）为二极管组成的ROM电路，具有两位地址输入、四位数据输出。地址译码器由二极管与门构成，存储矩阵由二极管组成的编码器构成。输出一个代码称为一个“字”。A1、A0称为地址线；W3W0称为字线；D3D0称为位线。例如：地址线A1A0=00时，字线W0=1，其余字线为低电平。由电路图知，此时为高电平。若使能端，在数据输出端得到D3D2D1D0=0101。字线与位线的交叉
7、点都存放了数据。接有二极管的交叉点存放1，未接二极管的交叉点存放0。交叉点的数目就是存储单元数。用存储单元的数目表示存储器的存储量（容量），表示成“字数位数”的形式。为了简化作图，也可以画出存储矩阵的结点连接图，在存储矩阵的交叉点上画一个圆点，代替存储器件，见图8.2（b）。（2）可编程ROM掩模ROM内容固定，适用于大批量生产、通用内容的存储器；不适用于小批量生产的情况，为此产生了PROM。它在出厂时其中的内容全部为1或0，使用时根据需要将内容自行写入PROM。以双极型PROM为例，它有两种结构：熔丝烧断型PROM和PN结击穿型PROM。图8.3为熔丝烧断型PROM存储单元原理图，由三极管和
8、熔丝组成。在写入数据时只需将要存入0的存储单元上的熔丝烧断即可。图8.3 熔丝烧断型PROM存储单元熔丝一经烧断，不能再恢复，所以它只能写入一次，仍无法满足经常修改存储单元内容的需要，这就产生了可以擦除重写的ROM。(3)可擦除的可编程ROM可擦除的可编程ROM，即EPROM。可以对存储的数据擦除重写，重新进行编程，对需经常修改内容的ROM而言，是一种比较理想的器件。根据投入使用的先后顺序，EPROM可分为：紫外线擦除的可编程ROM（Ultra Violet Erasable Programmable ROM，简称UVEPROM）、电可擦除的可编程ROM（Electrically Erasab
9、le Programmable ROM，简称EEPROM或E2PROM）。从结构上讲，UVEPROM与PROM基本一样，只是存储单元结构不同。UVEPROM的存储单元早期使用了浮栅雪崩注入MOS管（Floating Gate Avalanche Injuction MOS，简称FAMOS管），是一种带有浮置栅的P沟道增强型MOS管；为克服PMOS管开关速度慢等缺点，现在的存储单元一般使用叠栅注入MOS管（Stacked Gate Injuction MOS，简称SIMOS管），是一种具有两个重叠栅极（控制栅Gc与浮置栅Gf）的N沟道增强型MOS管，控制栅Gc用于控制读出与写入、浮置栅Gf用于保
10、存注入的电荷。若需要改写UVEPROM中的内容，只需使用专用紫外线灯对其照射1020分钟，芯片中的信息即全部被擦除，这时就可以使用专用编程器重新写入新的信息。UVEPROM存储芯片的中央有一玻璃窗，用来满足紫外线照射。当需要保存信息时，需用不透光的纸或胶带将玻璃窗遮蔽，防止存储信息丢失。这种存储器存储的信息可以保存20年以上。UVEPROM写入新信息之前必须进行擦除，而且是整体擦除，无法对单个存储单元分别进行擦除，擦除速度较慢、操作复杂。为克服以上缺点，研制了EEPROM。EEPROM的存储单元采用了浮栅隧道氧化层MOS管（Floatiing gate Tunnel Oxide，简称Floto
11、x管），存储单元的工作状态状态可以分为读出、写入、擦除三种，根据Flotox管中浮置栅Gf上是否有存储电荷来区分。由于EEPROM擦除和写入时需要加高电压信号（20V，正常高电平5V），同时存储单元仍然使用两只MOS管，工作时间较长、限制了集成度的进一步提高。为此产生了新的电信号擦除的可编程ROM快闪存储器（Flash Memory）。快闪存储器具有结构简单、编程可靠、擦除快捷、集成度高的优点。8.1.2 随机存储器RAM1、特点：随机存储器也称为随机读/写存储器，工作时可以随时从指定地址读出数据、或将数据写入指定存储单元中。读写方便、使用灵活。但一旦掉电，存储的数据将丢失。2、分类：静态RA
12、M（SRAM）动态RAM（DRAM）（1）SRAMSRAM由存储矩阵、地址译码器、读/写控制电路组成，见图8.4所示。图8.4 SRAM组成框图同ROM一样，SRAM存储矩阵也由多个存储单元组成，一个单元存储一位数据。地址译码器分为行地址译码器和列地址译码器。行地址译码器将部分输入地址译成一条字线上的有效输出信号，从存储矩阵中选择一行存储单元；其余输入地址代码加至列地址译码器，译成一条输出线上的有效电平，从选中的一行存储单元中再选择若干位，使其与输入/输出端接通，以便读写。读/写控制电路对电路工作状态进行控制。大多数RAM利用一根控制线完成读/写控制，读/写控制信号时，进行读出操作；时，进行写
13、入操作。此外，在读/写控制电路上设有片选信号端。，RAM正常工作；，输入/输出端处于高阻状态，不能进行读、写。（2）DRAMDRAM也是由存储矩阵、地址译码器、输入/输出电路组成。其中存储单元利用了MOS管栅极电容存储电荷的原理构成，而且每个存储单元连接的位线上接有灵敏恢复/读出放大器，这里不再赘述。8.1.3 存储器容量的扩展利用单片ROM/RAM无法完成工作时（位数或字数不够），需要将多片ROM/RAM连接起来，形成容量更大的存储器。ROM或RAM的扩展方法类似，这里以RAM的扩展为例进行说明。（1）位扩展如果RAM的字数够用而每个字的位数不够时，需进行位扩展的连接，以组成位数更多的存储器
14、。例如：将4片1024（210）1位的RAM连接，组成10244位的RAM。见图8.5所示。图8.5 RAM的位扩展连接时，将每片10241位RAM的地址线、分别并联即可。每片RAM的I/O端口分别作为10244位RAM的输入/输出数据端口的一位。（2）字扩展如果RAM的位数够用而字数不够时，需进行字扩展的连接，以组成字数更多的存储器。例如：一片RAM的容量是256（28）8位，需要1024（210）8位的容量时，需将4片RAM连接。见图8.6。图8.6 RAM的字扩展由图知，一片RAM具有8位（A0A7）地址，而扩展后具有10位地址（A0A9）。增加的2位地址A8、A9加至译码电路的输入端，其输出分别接至每片RAM的端，用于区分不同的地址单元，见表8.1所示。表8.1 字扩展后RAM的地址分组RAM增加地址译码器输出地址分配A9A8100011102552011011256511310110151276741111107681023当使用的RAM位数、字数均不够时，需同时进行位扩展和字扩展。上述位扩展、字扩展的方法同样适用于ROM。8.1.4 存储器实现组合逻辑函数组合逻辑函数可以表示为最小项之和的表达形式。在图8.2二极管组成的ROM电路中，译码器的输出包含了输入变量的全部最小项，每一位的输出又是若干项最小项的和，所以任何组合逻辑函数均可以
