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1、第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.1 ROM的结构和工作原理的结构和工作原理 16.2.2 ROM的分类的分类 16.2.3 ROM的应用的应用 16.2 只读存储器只读存储器ROM 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.1 ROM的结构和工作原理的结构和工作原理 图图16.2.1 ROM的结构图的结构图 图中地址译码器有图中地址译码器有n个输入，它的输出个输入，它的输出W0、W1、Wn-1共有共有N=2n个，称为个，称为字线字线(或称选择线或称选择线)。字线是。字线是ROM
2、矩矩阵的输入，阵的输入，ROM矩阵有矩阵有M条输出线，称为条输出线，称为位线位线。 字线字线与与位线的交点，即位线的交点，即是是ROM矩阵的矩阵的存储单元存储单元，存储单元代表了存储单元代表了ROM矩阵矩阵的容量，所以的容量，所以ROM矩阵的矩阵的容量等于容量等于WD。输出缓冲器。输出缓冲器的作用有两个，一是能提高的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是存储器的带负载能力，二是实现对输出状态的三态控制，实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接。以便与系统的总线联接。 ROM的的电电路路结结构构主主要要包包括括三三部部分分：地地址址译译码码器器，存存储储矩矩阵，输出缓冲器。如图阵，
3、输出缓冲器。如图16.2.1所示所示 。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 图图16.2.2是是一一个个说说明明ROM结结构构和和工工作作原原理理的的电电路路， ROM矩矩阵阵的的存存储储单单元元是是由由N沟沟道道增增强强型型MOS管管构构成成的的， MOS管采用了简化画法。它具有管采用了简化画法。它具有2位地址输入码，即：位地址输入码，即： 4条字线条字线W0、W1、W2、W3； 有有4位数据输出，即位数据输出，即4条位条位 线线D0、D1、D2、D3； 共共16 个存储单元。个存储单元。图图16.2.2 ROM矩阵字线和位线的关系矩阵字线
4、和位线的关系 (a) ROM存储矩阵存储矩阵 (b) ROM矩阵中一条字线的分解图矩阵中一条字线的分解图 (a) ROM存储矩阵存储矩阵 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 地址译码器相当于最小项译码器，如下图所示地址译码器相当于最小项译码器，如下图所示,其输入其输入A1、A0称为称为地址线地址线。二位地址代码。二位地址代码A1A0能给出能给出4个不同的地址。每个不同的地址。每输入一个地址，地址译码器的字线输出输入一个地址，地址译码器的字线输出W0W3中将有一根线中将有一根线为高电平，其余为低电平。即每一个输出对应一个最小项。为高电平，其余为
5、低电平。即每一个输出对应一个最小项。 W2地地址址译译码码器器A0A1W0W1W3图图 最小项译码器最小项译码器第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 当字线当字线W0W3某根线上给出高电平信号时，都会在位线某根线上给出高电平信号时，都会在位线D3D0四根线上输出一个四根线上输出一个4位二进制代码。输出端的缓冲器不但位二进制代码。输出端的缓冲器不但可以提高带负载能力，还可以将输出的高、低电平变换为标准可以提高带负载能力，还可以将输出的高、低电平变换为标准的逻辑电平。如果作为输出缓冲器的反相器是三态门，还可以的逻辑电平。如果作为输出缓冲器的反相器是
6、三态门，还可以通过使能端实现对输出通过使能端实现对输出的三态控制的三态控制 。 右右图中的图中的44=16个存个存储单元，即跨接在字线和位储单元，即跨接在字线和位线上的线上的MOS管，管，MOS管的管的栅极接字线，源极接地。栅极接字线，源极接地。 MOS 管管ROM矩阵矩阵 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 MOS管是否存储信息用栅极是否与字线相连接来表示，管是否存储信息用栅极是否与字线相连接来表示，如果如果MOS管存储信息，该管存储信息，该MOS管的栅极与字线连接，该单管的栅极与字线连接，该单元是存元是存“0”；如果该；如果该MOS管不存
7、储信息，则栅极与字线管不存储信息，则栅极与字线断开，该单元是存断开，该单元是存“1”。 例如，当输入一个地址码例如，当输入一个地址码A1A0=00时，字线时，字线W0被选中被选中（高电平），其他为低电（高电平），其他为低电 平，被选中字线上信息从相平，被选中字线上信息从相 应位线上读出，应位线上读出，D3D2D1D0 =0101 。 字线可以是低电平被选字线可以是低电平被选 中，也可高电平被选中，输中，也可高电平被选中，输 出可以是反相缓冲，也可以出可以是反相缓冲，也可以 是同相缓冲，会使输出高低是同相缓冲，会使输出高低 电平结果不同。电平结果不同。“1”0101第第16章章 半导体存储器与可
8、编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 当给定地址代码后，经译码器译成当给定地址代码后，经译码器译成W0W3中某一字线上中某一字线上的高电平，使接在这根字线上的的高电平，使接在这根字线上的MOS管导通，并使与这些管导通，并使与这些MOS管漏极相连的位线为低电平，经输出缓冲器反相后，在管漏极相连的位线为低电平，经输出缓冲器反相后，在数据输出端得到高电平，输出为数据输出端得到高电平，输出为1。ROM全部全部4个地址内的存个地址内的存储内容见表储内容见表16.1。 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 位线位线D0与字线之间的逻辑关
9、系如下图所示，与字线之间的逻辑关系如下图所示，将下图将下图(a)中中与位线与位线D0相连的各字线的有关部分画在图相连的各字线的有关部分画在图(b)中，显然中，显然 (a) ROM存储矩阵存储矩阵D0=W0+W1+W2+W3 D1=W1+W2+W3 D2=W0+W1 D3=W1+W3(b) ROM矩阵中一条字线的分解图矩阵中一条字线的分解图图图16.2.2 MOS 管管ROM矩阵字线和位线关系矩阵字线和位线关系 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03每每一一个个逻逻辑辑式式是是一一个个或或门门，即即位位线线与与字字线线间间的的逻逻辑辑关关系系是是或
10、或逻逻辑辑关关系系，位位线线与与地地址址码码A1、A2之之间间是是与与或或逻逻辑辑关关系系。最最小小项项译译码码器器相相当当于于一一个个与与矩矩阵阵，ROM矩矩阵阵相相当当或或矩矩阵阵，整个整个ROM存储器是一个与或矩阵存储器是一个与或矩阵。ROM的两个矩阵一般与矩阵是不可编程的，而或矩阵是的两个矩阵一般与矩阵是不可编程的，而或矩阵是可编程的。编程时一般要通过专门的编程器，采用一定的可编程的。编程时一般要通过专门的编程器，采用一定的编程工具软件进行，以决定存储单元的编程工具软件进行，以决定存储单元的MOS管是否接入。管是否接入。为了简单起见，接通的为了简单起见，接通的MOS管用小黑点表示，对应
11、表管用小黑点表示，对应表16.1存储内容用图存储内容用图16.2.3的的阵列图阵列图表示。表示。 图图16.2.3 ROM阵列图阵列图第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.2 ROM的分类的分类 由于固定由于固定ROM所存信息不能修改，断电后信息不消失，所存信息不能修改，断电后信息不消失，所以常用来存储固定的程序所以常用来存储固定的程序和数据。如在计算机中，用来存和数据。如在计算机中，用来存放监控、管理等专用程序。放监控、管理等专用程序。 这这种种ROM是是采采用用掩掩模模工工艺艺制制作作的的，其其内内容容根根据据用用户户要要求求已固定
12、，在出厂后用户无法修改。已固定，在出厂后用户无法修改。16.2.2.1 固定内容固定内容ROM16.2.2.2 可一次编程可一次编程PROM PROM（Programmable ROM）是可一次编程的）是可一次编程的 ROM。这种存储器出厂时未存入数据。单元可视为全这种存储器出厂时未存入数据。单元可视为全“0”或全或全“”，用户可按设计要求将所需存入的数据，用户可按设计要求将所需存入的数据“一次性写入一次性写入”，一，一旦写入后就不能再改变了。在各种旦写入后就不能再改变了。在各种PROM中，有一种是在每个中，有一种是在每个存储单元中都接有熔断丝，各存储单元相当于存入存储单元中都接有熔断丝，各存
13、储单元相当于存入“1”。写。写入数据时，将应该存入数据时，将应该存“0”的单元，通以足够大的电流脉冲将的单元，通以足够大的电流脉冲将相应熔丝烧断。哪些熔丝烧断，哪些保留，可用熔丝图表示，相应熔丝烧断。哪些熔丝烧断，哪些保留，可用熔丝图表示，在其他没有熔丝结构的存储器中，也沿用在其他没有熔丝结构的存储器中，也沿用熔丝图熔丝图这一名词。这一名词。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.2.3 EPROM 为了克服为了克服PROM只能写入一次的缺点，又出现了多次可只能写入一次的缺点，又出现了多次可擦除可编程的存储器。这种存储器在擦除方式上有两种
14、，一擦除可编程的存储器。这种存储器在擦除方式上有两种，一种是电写入紫外线擦除的存储器种是电写入紫外线擦除的存储器EPROM（Erasable programmable read-only memory）。另一种是电写入电擦除）。另一种是电写入电擦除的存储器，称为的存储器，称为EEPROM或或E2PROM（Electrically erasable programmable read-only memory）。）。 EPROM内容在使用过程中是不能擦除重写的，所以仍内容在使用过程中是不能擦除重写的，所以仍属于只读存储器。要想改写属于只读存储器。要想改写EPROM中的内容，必须将芯片中的内容，必须
15、将芯片从电路板上拔下，放到紫外灯光下照射十几分钟，使存储的从电路板上拔下，放到紫外灯光下照射十几分钟，使存储的数据消失。数据的写入可用编程器，通过软件数据消失。数据的写入可用编程器，通过软件生成电脉冲来生成电脉冲来实现编程。实现编程。 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 EPROM存储器之所以可以多次写入和擦除信息，是存储器之所以可以多次写入和擦除信息，是因为采用了一种浮栅雪崩注入因为采用了一种浮栅雪崩注入MOS管管FAMOS(Floating gate Avalanche injection MOS)来实现的。来实现的。浮栅型浮栅型MOS晶
16、体管的结构示意图见图晶体管的结构示意图见图16.2.4。 FAMOS的浮动栅本来是不带电的，所以在的浮动栅本来是不带电的，所以在S、D之之间没有导电沟道，间没有导电沟道，FAMOS管处于截止状态。如果在管处于截止状态。如果在S、D间加入间加入1030V左右的电压使左右的电压使PN结击穿，这时产生高能结击穿，这时产生高能量的电子，这些电子有能量的电子，这些电子有能力穿越力穿越SiO2层注入由多晶硅层注入由多晶硅构成的浮动栅上。于是浮栅构成的浮动栅上。于是浮栅被充上负电荷，在靠近浮栅被充上负电荷，在靠近浮栅表面的表面的N型半导体形成导电型半导体形成导电沟道，使沟道，使FAMOS管处于长管处于长久导
17、通状态而存储信息。利久导通状态而存储信息。利用用FAMOS管的截止和导通管的截止和导通状态来表示状态来表示“1”和和“0”。图图16.2.4 FAMOS管的结构管的结构 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 要擦除写入信息时，用紫外线照射氧化膜，可使浮栅上要擦除写入信息时，用紫外线照射氧化膜，可使浮栅上的电子能量增加从而逃逸浮栅，于是的电子能量增加从而逃逸浮栅，于是FAMOS管又处于截止状管又处于截止状态。为便于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英玻璃盖板，态。为便于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英玻璃盖板，便于紫外线通过。在写好数据以后应
18、使用不透明的纸将石英盖便于紫外线通过。在写好数据以后应使用不透明的纸将石英盖板遮蔽，以防止数据丢失。板遮蔽，以防止数据丢失。16.2.2.4 E2PROM EPROM要要改改写写其其中中的的存存储储内内容容，需需要要用用紫紫外外线线照照射射，使使 用用 起起 来来 不不 太太 方方 便便 。 E2PROM（ Electrically erasable programmable read-only memory）是是一一种种电电写写入入电电擦擦除除的的只只读读存存储储器器，擦擦除除时时不不需需要要紫紫外外线线照照射射，只只要要用用加加入入10ms、20V左左右右的的电电脉脉冲冲即即可可完完成成擦
19、擦除除操操作作。擦擦除除操操作作实实际际上上是是对对E2PROM进进行行写写“1”操操作作，全全部部存存储储单单元元均均写写为为“1”状状态态，编程时只要对相关部分写为编程时只要对相关部分写为“0”即可。即可。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.2.5 快闪存储器快闪存储器Flash Memory 快快闪闪存存储储器器Flash Memory是是新新一一代代E2PROM，它它具具有有E2PROM擦擦除除的的快快速速性性，结结构构又又有有所所简简化化，进进一一步步提提高高了了集集成成度度和和可可靠靠性性，从从而而降降低低了了成成本本。目
20、目前前除除了了各各种种快快闪闪存存储储器器的的产产品品面面世世外外，快快闪闪存存储储器器还还向向其其他他应应用用领领域域拓拓展展，例例如如现现在在已已经经出出现现了了应应用用于于计计算算机机上上的的可可移移动动磁磁盘盘，以以代代替替软软磁磁盘盘。可可移移动动磁磁盘盘的的容容量量大大的的已已经经做做到到1G以以上上，大大小小只只相相当当一一只只普普通通的的打打火火机机，它它采采用用USB口口，有有的的可可以以带带电电插插拔拔，工工作作速速度度快快，使使用用十十分分方方便便。Flash Memory的的进进一一步步完完善善，可可取取代代计计算算机机的的硬硬盘盘，以以及及更更新新和和诞诞生生许许多多
21、新新的的电电子子产产品品，如如数数码码相相机机的的存存储储卡卡、MP3、MP4等等音音频频、视视频播放器等。频播放器等。 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 在集成只读存储器中，最常用的是在集成只读存储器中，最常用的是EPROM，EPROM有有2716、2732、2764、27158等型号。存储容量分别为等型号。存储容量分别为2k8、4k8、8k8、16k8个单元，个单元，(型号型号27后面的数字即为以千计后面的数字即为以千计的存储容量的存储容量)。 下面以下面以EPROM2716为例说明它的六种工作方式，它管为例说明它的六种工作方式，它管脚
22、引线如图所示，共有脚引线如图所示，共有24个个管脚，除电源管脚，除电源(VCC)和地和地(GND)外，外，A10A0为地址译为地址译码器输入端，数据输出端有码器输入端，数据输出端有8位，既它有位，既它有211条字线，条字线，8条条位线，存储容量为位线，存储容量为2118。 图图16.2.5 EPROM2716管脚图管脚图 16.2.2.6 集成集成只读存储器只读存储器第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03EPROM2716的六种工作方式，见表的六种工作方式，见表16.2。 是片选端，是片选端， 为低电平时起片选作用，为低电平时起片选作用， 等于高
23、电平时等于高电平时2716为高阻，与总线脱离，芯片不工作。为高阻，与总线脱离，芯片不工作。PD/PGM为低功为低功耗与编程信号，其作用是在两次读出的等待时间内降低器耗与编程信号，其作用是在两次读出的等待时间内降低器件的功率损耗，既当件的功率损耗，既当PD/PGM为为“1”时，输出为高阻。在时，输出为高阻。在编程时需要在编程时需要在PD/PGM端加编程脉冲，同时要在电源端加端加编程脉冲，同时要在电源端加较高的编程电压。较高的编程电压。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.0316.2.3 ROM的应用的应用 ROM除了在单片机和微型计算机中作为存储运行
24、程除了在单片机和微型计算机中作为存储运行程序外，还有多种用途，分述如下。序外，还有多种用途，分述如下。 16.2.3.1 构成组合数字电路构成组合数字电路 在在节节16.2.2的的分分析析中中我我们们知知道道，位位线线与与相相连连的的各各字字线线的的关关系系为为或或逻逻辑辑，而而字字线线为为地地址址译译码码器器的的输输出出，地地址址译译码码器器也也叫叫最最小小项项译译码码器器，所所以以W实实际际上上是是一一个个与与项项，从从地地址址输输入入看看，D是是一一个个最最小小项项的的与与或或式式。在在组组合合数数字字电电路路中中我我们们知知道道任任何何一一个个组组合合数数字字电电路路都都可可以以变变换
25、换为为若若干个最小项之和的形式，因此都可以用干个最小项之和的形式，因此都可以用ROM实现。实现。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03例如例如: 用用ROM 构成全加器。全加器的逻辑式为：构成全加器。全加器的逻辑式为： 它它有有三三个个输输入入变变量量，加加数数A和和B以以及及低低位位的的进进位位信信号号C0，所所以以选选用用一一个个ROM，确确定定三三个个地地址址线线，分分别别代代表表A、B和和C0。从从输输出出位位线线中中选选二二个个，分分别别代代表表 Si和和Ci。于于是是可可以以确确定定或或矩矩阵阵中的存储单元，为了简单中的存储单元，为了
26、简单起见，用起见，用阵列图阵列图表示。表示。图图16.2.6 用用ROM构成全加器的阵列图构成全加器的阵列图 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 所以，用所以，用ROM构成组合数字电路的方法是先将逻辑函构成组合数字电路的方法是先将逻辑函数化为最小项和的形式，即与或标准型，然后画阵列图。由数化为最小项和的形式，即与或标准型，然后画阵列图。由上述分析可以知道用上述分析可以知道用ROM构成组合数字电路时，不必象用构成组合数字电路时，不必象用逻辑门构成组合数字电路那样，应先进行化简。因为逻辑门构成组合数字电路那样，应先进行化简。因为ROM中给出了全部
27、最小项，用也存在，不用也存在。其次，中给出了全部最小项，用也存在，不用也存在。其次，ROM一般都有多条位线，所以可以方便地构成比较复杂的一般都有多条位线，所以可以方便地构成比较复杂的多输出组合数字电路。多输出组合数字电路。 第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 例例如如要要产产生生11000100这这一一序序列列脉脉冲冲，因因为为它它有有八八位位，所所以以选一个八进制计数器，电路波形图见下图所示。选一个八进制计数器，电路波形图见下图所示。图图16.2.7 序列脉冲波形图序列脉冲波形图 八进制计数器在八进制计数器在CP脉冲作用下，每八个脉冲作用下
28、，每八个CP脉冲使它的状态脉冲使它的状态循环一次。第一循环一次。第一CP脉冲作用之前，总清后，计数器的初始状态脉冲作用之前，总清后，计数器的初始状态为为000，m0为为“1”，其余最小项为，其余最小项为“0”。第一个。第一个CP来到后，来到后，计数器状态为计数器状态为001， m1=1， 随后随后m2,m7依次出现高电平。依次出现高电平。 16.2.3.2 序列脉冲发生电路序列脉冲发生电路 在在各各种种数数字字电电路路中中，例例如如雷雷达达、数数字字通通讯讯、遥遥控控、遥遥测测等等系系统统中中，往往往往需需要要一一组组或或多多组组序序列列信信号号，我我们们可可以以通通过过译译码码器器或或计计数数器器来来实实现现，也也可可以以用用一一个个N进进制制计计数数器器加加上上ROM来实现。序列脉冲有几位，计数器就选几进制的。来实现。序列脉冲有几位，计数器就选几进制的。第第16章章 半导体存储器与可编程逻辑器件半导体存储器与可编程逻辑器件 2010.03 在位线在位线P1上有关交点打上黑点就可获得序列脉冲输出。上有关交点打上黑点就可获得序列脉冲输出。该电路可以方便地获得多组序列脉冲的输出。例如该电路可以方便地获得多组序列脉冲的输出。例如P2可输出可输出的序列脉冲。如图的序列脉冲。如图16.2.8所示。所示。图图16.2.8 序列脉冲发生器及波形序列脉冲发生器及波形
