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1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述概述7.2 只读只读存储器存储器ROM7.3 随机随机存储器存储器RAM7.4 存储器存储器容量的扩展容量的扩展 7.1 7.1 概述概述 半导体存储器能存储半导体存储器能存储大量大量二值信息，是数字系统不可缺二值信息，是数字系统不可缺少的部分。少的部分。 半导体存储器由大量存储单元组成，每个存储单元中存半导体存储器由大量存储单元组成，每个存储单元中存放一位二进制代码，称为放一位二进制代码，称为位位；一个或若干个存储单元构成一；一个或若干个存储单元构成一个个字字。 半导体存储器采用半导体存储器采用公用公用的输入和输出引脚的电路结构，的输入和输出
2、引脚的电路结构，并为每个字分配一个并为每个字分配一个地址代码地址代码。只有输入指定的地址代码时，。只有输入指定的地址代码时，才能通过输入和输出引脚访问该地址所对应的字中的存储单才能通过输入和输出引脚访问该地址所对应的字中的存储单元。元。存储器的主要指标存储器的主要指标 （1）存储器的容量：）存储器的容量：存储器的容量存储器的容量=2nm(bit)n：地址线总数，地址线总数， 2n 称为称为字线字线数。数。m每一地址单元存储每一地址单元存储m位二值数，又称为位二值数，又称为位线位线数。数。8位为一字节（位为一字节（Byte）。）。 210=1024=1K, 220=1024K=1M, 230=1
3、024M=1G， 240=1024G=1T， 例：例：11根地址线，根地址线，8根数据线（根数据线（8位输出），容量为：位输出），容量为： 2118=16Kb=2KB(2)存取时间存取时间按按存存取取方方式式分分随机存储器随机存储器（RAM）静态静态RAM（Stantic RAM）动态动态RAM（Dynamic RAM）只读存储器只读存储器 (ROM)固定固定ROM（Mask ROM）可编程可编程ROM（PROM）可擦可编程可擦可编程ROM（EPROM）现场可改写的非易失性存储器现场可改写的非易失性存储器（E2PROM，Flash Memory）按制造工艺分按制造工艺分双极性型双极性型CMOS
4、型型 只读存储器只读存储器ROMROM：用于存储：用于存储固定信息固定信息的器件，在断电的器件，在断电后所保存的信息不会丢失。把数据写入到存储器以后，后所保存的信息不会丢失。把数据写入到存储器以后，正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能根据地址正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能根据地址读出，不能写入。只读存储器主要应用于读出，不能写入。只读存储器主要应用于数据需要长期数据需要长期保留并不需要经常改变的场合保留并不需要经常改变的场合，如各种函数表、需要固，如各种函数表、需要固化的程序等。化的程序等。 随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM：能够随时根据给出的地址选择：能够随时根据给出的
5、地址选择存储单元，对其中的数据进行存储单元，对其中的数据进行“读读”或或“写写”的操作的操作（数据读出后原数据不变；新数据写入后，原数据自然（数据读出后原数据不变；新数据写入后，原数据自然丢失，并被新数据所替代）。但同时它也存在数据的易丢失，并被新数据所替代）。但同时它也存在数据的易失性，一旦断电所存的数据便会丢失。因此失性，一旦断电所存的数据便会丢失。因此RAMRAM常用于存常用于存放系统中经常变化的数据放系统中经常变化的数据。在一些重要场合还需要与备。在一些重要场合还需要与备用电源配合使用。用电源配合使用。7.2 7.2 只读存储器只读存储器ROMROM电路结构电路结构地址译码器：将输入的
6、地址代码翻译成相应的控制信号，把指定单元选地址译码器：将输入的地址代码翻译成相应的控制信号，把指定单元选 出，其数据送输出缓冲器出，其数据送输出缓冲器输出缓冲器：采用输出缓冲器：采用三态门三态门组成组成v提高存储器带负载的能力提高存储器带负载的能力v实现对输出状态的三态控制，以便与系统总线连接实现对输出状态的三态控制，以便与系统总线连接存储矩阵：由许多存储单元排列而成，每个单元能存放存储矩阵：由许多存储单元排列而成，每个单元能存放1 1位二值代码，每位二值代码，每一个或一组存储单元有一个对应的地址。一个或一组存储单元有一个对应的地址。输输入入/ /出出电电路路I/OI/O输入输入/ /出出控制
7、控制例例1 ：存储容量为：存储容量为22 4位的位的ROM。A1A0：两位地址代码，能指定四两位地址代码，能指定四个不同地址个不同地址地址译码器地址译码器（二极管（二极管与门与门电路）：电路）：将四个地址译成将四个地址译成W0 W3四个高电四个高电平输出信号平输出信号 A1 A0W0 W1 W2 W3 0 0 0 0 0 10 00 01 11 01 00 01 10 01 11 10 00 01 10 00 00 01 10 00 00 07.2.1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器ROMROM根据用户要求根据用户要求专门专门设计的掩模板，把数据设计的掩模板，把数据 “ “固化固化”
8、在在ROMROM中中地址线地址线字线字线位线位线存储矩阵：二极管编码器存储矩阵：二极管编码器（二极管（二极管或门或门电路）电路）输出缓冲器：提高带负载能力输出缓冲器：提高带负载能力当当EN=0EN=0时时D D3 3-D-D0 0才能输出。才能输出。ROMROM的数据表为：的数据表为：D3 D2 D1 D01 10 00 00 00 01 11 10 00 01 11 11 10 01 10 01 1 A1 A0 0 0 0 0 0 11 01 01 11 1d3 = W1+W3d3 = W1+W3d2 = W0+W2d2 = W0+W2d1 = W0+W1+W3d1 = W0+W1+W3d0
9、 = W0d0 = W0例例2 MOS2 MOS管管ROMROM数据表为：数据表为：D3 D2 D1D01 11 1 0 00 01 11 10 0 1 10 00 01 10 01 1 1 10 01 1 W0=1 W0=1 W1=1W1=1 W2=1 W2=1 W3=1 W3=1 存储矩阵的每个交叉点是一个存储矩阵的每个交叉点是一个存储矩阵的每个交叉点是一个存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元存储单元存储单元存储单元”，存储单元中有器件存，存储单元中有器件存，存储单元中有器件存，存储单元中有器件存入入入入“1”1”1”1”，无器件存入，无器件存入，无器件存入，无器件存入“0”0”0”0”。
10、 存储器的容量：存储器的容量：存储器的容量：存储器的容量：“字数字数字数字数 位数位数位数位数”。 无论哪一种结构的固定无论哪一种结构的固定ROMROM，其电路结构都是由生产厂家，其电路结构都是由生产厂家在制造时固定下来的，使用时不能再更改。在制造时固定下来的，使用时不能再更改。地地 址址数数 据据A1A0D3D2D1D00001110110101001001110107.2.4 利用利用ROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 原理：由于地址译码器是一个原理：由于地址译码器是一个与阵列与阵列，它的输出，它的输出包含了输入地址变量的包含了输入地址变量的全部全部最小项，每一条字线对应最小项，每一条
11、字线对应一个最小项；存储矩阵是一个一个最小项；存储矩阵是一个或阵列或阵列，每一位输出数，每一位输出数据都是将地址译码器输出的一些最小项相加。所以任据都是将地址译码器输出的一些最小项相加。所以任何形式的组合逻辑函数都能用何形式的组合逻辑函数都能用ROMROM来实现。来实现。结论：用具有结论：用具有n位输入地址和位输入地址和m位数据输出的位数据输出的ROM可以可以获得一组（最多获得一组（最多m个）任何形式的个）任何形式的n变量组合逻辑函数。变量组合逻辑函数。解：解： 将将原函数化成最小项之和形式：原函数化成最小项之和形式：例例7.5.1 7.5.1 用用ROMROM产生组合逻辑函数：产生组合逻辑函
12、数： Y1=ABC+ABCY1=ABC+ABC Y2=ABCD+BCD+ABCD Y2=ABCD+BCD+ABCD Y3=ABCD+ABCD Y3=ABCD+ABCD Y4=ABCD+ABCD Y4=ABCD+ABCDY1=m2+m3+m6+m7Y1=m2+m3+m6+m7Y2=m6+m7+m10+m14Y2=m6+m7+m10+m14Y3=m4+m14Y3=m4+m14Y4=m2+m15 Y4=m2+m15 列出数据表：列出数据表：实现图：实现图：例例7.5.2 7.5.2 用用ROMROM设计八段字符译码器，以输入地址设计八段字符译码器，以输入地址A A3 3A A2 2A A1 1A A
13、0 0为为DCBADCBA，以输出数据以输出数据D D0 0D D1 1D D7 7作为作为a,b,a,b,g,h,g,h7.2.2 7.2.2 可编程可编程ROMROM产品出厂时，全部数据为产品出厂时，全部数据为1 1要要存入存入0 0：找到要输入找到要输入0 0的单元地址，输的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出入地址代码，使相应字线输出高电平高电平在在相应位线上加高电压脉冲，相应位线上加高电压脉冲，使使D DZ Z导通，大电流使熔丝烧断导通，大电流使熔丝烧断肖特基势垒稳肖特基势垒稳压二极管压二极管快速熔断丝快速熔断丝可见可见PROMPROM的内容一旦写入就无法再更改，的内容一旦写入就无
14、法再更改，所以它属于所以它属于一次性一次性可编程的存储器。可编程的存储器。1.1.紫外线可擦除紫外线可擦除EPROM EPROM （erasable programmable erasable programmable ROMROM） 紫外线可擦除紫外线可擦除EPROMEPROM的存储单元是采用叠栅注入的存储单元是采用叠栅注入MOSMOS管构成。管构成。在出厂时，所有存储单元全为在出厂时，所有存储单元全为“1”1”。用户编程时（即写。用户编程时（即写0 0时），时），通过施加高于正常工作电压的通过施加高于正常工作电压的编程高电压（编程高电压（21V21V）到选中的存储到选中的存储单元来存储单元
15、来存储“0”0”。 要擦除所写入的信息时，要把存储器从工作电路上取下，要擦除所写入的信息时，要把存储器从工作电路上取下，放在放在专用擦除装置专用擦除装置内，用强紫外线或内，用强紫外线或X X光照射来擦除所存内容，光照射来擦除所存内容，使所有存储单元恢复为使所有存储单元恢复为“1”1”，然后再进行改写。由于它写入后，然后再进行改写。由于它写入后还可以反复地擦除再写入，具有很大的灵活性。以前常用于调还可以反复地擦除再写入，具有很大的灵活性。以前常用于调试程序时使用，也用于小批量的电子产品，现在由于新器件的试程序时使用，也用于小批量的电子产品，现在由于新器件的出现，已很少使用。出现，已很少使用。7.
16、2.3 可擦除的可编程可擦除的可编程ROM2.2.电可擦除电可擦除E E2 2PROM PROM （electrically erasable programmable electrically erasable programmable ROM ROM ） E E2 2PROMPROM的存储单元是采用浮栅隧道氧化层的存储单元是采用浮栅隧道氧化层MOSMOS管构成。它的读、写、管构成。它的读、写、擦操作均可擦操作均可在在5V5V电源下电源下进行，且可逐字节进行擦除和改写。可擦除和改写的进行，且可逐字节进行擦除和改写。可擦除和改写的次数也多得多，通常可达次数也多得多，通常可达10106 6次，而
17、次，而E E2 2PROMPROM可以可以在线擦除和改写在线擦除和改写数据，广泛应数据，广泛应用于停止供电后仍需保存的信息。用于停止供电后仍需保存的信息。3.3.快闪存储器（快闪存储器（Flash MemoryFlash Memory） 快闪存储器是快闪存储器是2020世纪世纪8080年代末期问世的。快闪存储器既吸取了年代末期问世的。快闪存储器既吸取了EPROMEPROM结结构简单、编程可靠的优点，又保留了构简单、编程可靠的优点，又保留了E E2 2PROMPROM用电擦除的快捷特性，具有用电擦除的快捷特性，具有RAMRAM随机存储的性能，又兼有随机存储的性能，又兼有ROMROM断电后数据不丢
18、失的性能。能重复使用且非常断电后数据不丢失的性能。能重复使用且非常方便，功耗低，集成度很高，是目前为数不多的同时具备大容量、高速度、方便，功耗低，集成度很高，是目前为数不多的同时具备大容量、高速度、非易丢性可在线擦写特性的存储器，其价格低于非易丢性可在线擦写特性的存储器，其价格低于E E2 2PROMPROM。 在快闪存储器中，编程是对字节或字进行的，但擦除是对片进行的。由在快闪存储器中，编程是对字节或字进行的，但擦除是对片进行的。由于快闪存储器能够以电写入的方式在现场更新存储内容，因此，它广泛应用于快闪存储器能够以电写入的方式在现场更新存储内容，因此，它广泛应用于手持于手持PCPC机、便捷蜂
19、窝移动电话、数码相机、单片机程序存储器、汽车导航机、便捷蜂窝移动电话、数码相机、单片机程序存储器、汽车导航系统、音响系统等领域。系统、音响系统等领域。7.3 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）也称随机读也称随机读/写存储器写存储器根据根据工作原理工作原理的不同，分为：的不同，分为：1. 静态随机存储器（静态随机存储器（static RAM，SRAM） 存储单元是以双稳态锁存器或触发器为基础构成的，在存储单元是以双稳态锁存器或触发器为基础构成的，在电源不变时信息不会丢失。电源不变时信息不会丢失。特点：不需刷新，但集成度较低特点：不需刷新，但集成度较低2. 动态随机存储器（动态随机存储器（d
20、ynamic RAM，DRAM） 存储原理以存储原理以MOS管管栅极电容栅极电容为基础，所以电路简单，集为基础，所以电路简单，集成度高。但因为电容中电荷由于漏电会逐渐丢失，所以成度高。但因为电容中电荷由于漏电会逐渐丢失，所以DRAM需定时刷新。需定时刷新。7.3.1 7.3.1 静态随机存储器静态随机存储器RAMRAM电路结构地址译码器：行地址译码选出一行，列地址译码选出一列（或几列）地址译码器：行地址译码选出一行，列地址译码选出一列（或几列）片选输入端：当片选输入端：当CSCS0 0时时RAMRAM为正常工作状态；当为正常工作状态；当CS=1CS=1时所有的时所有的I/OI/O端都为高阻态，
21、不能对端都为高阻态，不能对RAMRAM进行读进行读/ /写操作。写操作。R/wR/w1 1 执行读操执行读操作作R/wR/w0 0 执行写操作执行写操作( (双译码编址存储器双译码编址存储器) )7.3.2 存储单元6只只N沟道增强型沟道增强型MOS管组成的静态存储单元管组成的静态存储单元集成芯片集成芯片:2114RAM:2114RAM（1024410244位）位）7-4 7-4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7-4-1 7-4-1 位扩展方式位扩展方式用用8 8片片1024110241位的位的RAMRAM，构成构成1024810248位的位的RAMRAM位扩展是指存储器字数不变，只增加存储
22、器的位数。位扩展是指存储器字数不变，只增加存储器的位数。 在扩展时应将各片存储器的地址线、片选信号线和读在扩展时应将各片存储器的地址线、片选信号线和读/ /写信号线对应地并接在一起，而各片的数据线作为扩展后每写信号线对应地并接在一起，而各片的数据线作为扩展后每个字的各位数据线。个字的各位数据线。7.4.2 字扩展方式字扩展方式字扩展是指扩展成的存储器字扩展是指扩展成的存储器字数增加而数据位数不变。字数增加而数据位数不变。1024 x 8RAM例：用例：用例：用例：用4 4片片片片256 x 8256 x 8位位位位RAMRAM1024 x 81024 x 8位位位位 存储器存储器存储器存储器
23、在扩展中芯片原有的地址线用于控制对各片在扩展中芯片原有的地址线用于控制对各片RAMRAM中的字进中的字进行访问，扩展的地址线经行访问，扩展的地址线经译码后控制各片译码后控制各片RAMRAM的片选信号的片选信号。A A9 9 A A8 80 00 0Y Y0 0=0=0A A7 7A A6 6A A5 5A A4 4A A3 3A A2 2A A1 1A A0 00000000000000000001111111111111111CS=0 CS=0 字线字线0 0 255255（1 1）0 10 1Y Y1 1=0=0000000000000000000111111111111111125625
24、6 511511（2 2）1 01 0Y Y2 2=0=00000000000000000001111111111111111512512 767767（3 3）1 11 1Y Y3 3=0=00000000000000000001111111111111111768768 10231023（4 4）应用举例：应用举例：2114(1K4) 2114(1K4) 通过位扩展、字扩展，存储容量为通过位扩展、字扩展，存储容量为2K2K 8 8 在在只只读读存存储储器器（ROM）中中，介介绍绍了了掩掩膜膜ROM、PROM、EPROM和和Flash ROM等等不不同同类类型型ROM的的工工作原理和特点。作原理和特点。 在在随随机机存存储储器器（RAM）中中，介介绍绍了了静静态态随随机机存存储储器器（SRAM）和和动动态态随随机机存存储储器器（DRAM）的的工工作作原原理和特点。理和特点。 本本章章的的重重点点和和难难点点：存存储储器器扩扩展展存存储储容容量量的的方方法法、用存储器设计组合逻辑电路的概念。用存储器设计组合逻辑电路的概念。
