第10章 半导体存储器精选文档.ppt

第第10章章 半导体存储半导体存储器器本讲稿第一页，共三十八页 可由或阵列直接输出，构成组合输出；可由或阵列直接输出，构成组合输出；通过寄存器输出，构成时序方式输出通过寄存器输出，构成时序方式输出。与门与门阵列阵列或门或门阵列阵列乘积项乘积项和项和项PLD主体主体输入输入电路电路输入信号输入信号互补互补输入输入输出输出电路电路输出函数输出函数反馈输入信号反馈输入信号PLD的基本结构的基本结构本讲稿第二页，共三十八页与门与门阵列阵列或门或门阵列阵列乘积项乘积项和项和项互补互补输入输入PLD主体主体本讲稿第三页，共三十八页1 1、连接的方式连接的方式PLD的逻辑符号表示方法的逻辑符号表示方法被编程接通单元被编程接通单元硬线连接单元硬线连接单元被编程擦除单元被编程擦除单元2 2、基本门电路的表示方式、基本门电路的表示方式L1=ABC与门与门A B C DL1或门或门L2=A+B+C+DDA B CL2本讲稿第四页，共三十八页三态输出缓冲器三态输出缓冲器输出恒等于输出恒等于0 0的与门的与门输出为输出为“悬浮悬浮”的的1 1的与门的与门输入缓冲器输入缓冲器A A B BL3A A B BL3A A B BL4 A AA AEN EN AAA本讲稿第五页，共三十八页3 3、编程连接技术、编程连接技术 PLD表示的与门表示的与门熔丝工艺的与门原理图熔丝工艺的与门原理图A B C DLCMOS工艺的与门原理图：利用浮栅工艺的与门原理图：利用浮栅MOS管代替熔丝管代替熔丝浮浮栅栅MOS管管编程断开编程断开叠栅注入叠栅注入MOS(SIMOS)管：管：紫外光擦除紫外光擦除浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOS(Flotox MOS)管：管：电擦除电擦除快闪快闪(Flash)叠栅叠栅MOS管：管：电擦除电擦除本讲稿第六页，共三十八页1、按集成密度划分、按集成密度划分低低密密度度可可编编程程逻逻辑辑器器件件（LDPLD）：PROM、PLA、PAL、GAL高高密密度度可可编编程程逻逻辑辑器器件件（HDPLD）：EPLD、CPLD、FPGAPLD分类分类2、按结构特点划分、按结构特点划分简单简单PLD（PAL、GAL）复杂复杂PLD（CPLD）：）：Altera的的MAX系列系列现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（FPGA）3、按按、按按PLD中的与、或阵列中的与、或阵列是否编程分是否编程分与阵列固定，或阵列可编程与阵列固定，或阵列可编程(PROM)与阵列、或阵列均可编程与阵列、或阵列均可编程(PLA)与阵列可编程，或阵列固定与阵列可编程，或阵列固定(PAL和和GAL等等)本讲稿第七页，共三十八页PLD中的三种与、或阵列中的三种与、或阵列与阵列、或阵列与阵列、或阵列均可编程均可编程(PLA)与阵列固定，或阵与阵列固定，或阵列可编程列可编程(PROM)与阵列可编程，或与阵列可编程，或阵列固定阵列固定(PAL和和GAL等等)本讲稿第八页，共三十八页例例1 1 由由PAL构成的逻辑电路如图所示，试写出该电路的逻辑表达构成的逻辑电路如图所示，试写出该电路的逻辑表达式，并确定其逻辑功能式，并确定其逻辑功能。写出该电路的逻辑表达式：写出该电路的逻辑表达式：组合逻辑电路的组合逻辑电路的PLD实现实现1AnBnCnAnBnAnCnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnCn该电路的逻辑功能？该电路的逻辑功能？本讲稿第九页，共三十八页 组合逻辑电路的组合逻辑电路的PLD实现实现2 本讲稿第十页，共三十八页存储器存储器半导体存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，它可用来存储大量半导体存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，它可用来存储大量的二值数据。的二值数据。按照集成度的划分，半导体存储器属于大规模集成电路。按照集成度的划分，半导体存储器属于大规模集成电路。半导体存储器是计算机的重要组成部分之一。半导体存储器是计算机的重要组成部分之一。存储器概述存储器概述只读存储器只读存储器随机存取存储器随机存取存储器习题习题本讲稿第十一页，共三十八页（1）按存取方式分类）按存取方式分类 只读存储器（只读存储器（Read Only Memory，ROM）随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）ROM存放固定信息存放固定信息,只能读出信息只能读出信息,不能写入信息不能写入信息.当电源切断时当电源切断时,信信息依然保留息依然保留.RAM可以随时从任一指定地址读出数据可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任也可以随时把数据写入任何指定的存储单元何指定的存储单元.分类分类（2）按制造工艺分类）按制造工艺分类双极型：双极型：以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，功耗大、价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算机中用作高速缓冲存储器。如在计算机中用作高速缓冲存储器。MOS型：型：以以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统中，如在计算机中用作主存储器。中，如在计算机中用作主存储器。本讲稿第十二页，共三十八页（3）按存储器用途可以分为主存储器和辅助存储器。）按存储器用途可以分为主存储器和辅助存储器。1）主存储器（）主存储器（Main Memory）主存又称内存，主存又称内存，用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据。用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据。CPU可以可以直接对它进行访问，直接对它进行访问，一般是由半导体存储器构成，通常装在主板上，一般是由半导体存储器构成，通常装在主板上，存取速度快，但容量有限，存取速度快，但容量有限，其大小受地址总线位数的限制。其大小受地址总线位数的限制。用来存放系统软件及当前运行的应用软件。用来存放系统软件及当前运行的应用软件。分类分类本讲稿第十三页，共三十八页2）辅助存储器（）辅助存储器（External Memory）辅助存储器又称外存，辅助存储器又称外存，是主存的后援，是主存的后援，一般不安装在主机板上，属计算机的外部设备。一般不安装在主机板上，属计算机的外部设备。辅存是为弥补内存容量的不足而配置的，辅存是为弥补内存容量的不足而配置的，用来存放不经常使用的程序和数据，用来存放不经常使用的程序和数据，需要时成批调入主存供需要时成批调入主存供CPU使用，使用，CPU不能直接访问它。不能直接访问它。最广泛使用的外存是磁盘、光盘等。最广泛使用的外存是磁盘、光盘等。辅存容量大，成本低，所存储信息既可以修改也可以长期保存，辅存容量大，成本低，所存储信息既可以修改也可以长期保存，但存取速度慢。但存取速度慢。外存需要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问，如硬盘、软盘驱动外存需要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问，如硬盘、软盘驱动器等。器等。分类分类本讲稿第十四页，共三十八页（1）存储容量）存储容量 指存储器所能存放的二进制信息的总量。通常用指存储器所能存放的二进制信息的总量。通常用B（Byte字节）、字节）、KB（千字节）、（千字节）、MB（兆字节）、（兆字节）、GB（吉字节）（吉字节）（2）存取时间）存取时间 一般用一般用读（或写）周期读（或写）周期来描述，连续两次读（或写）操作的最来描述，连续两次读（或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期。短时间间隔称为读（或写）周期。主要技术指标主要技术指标（3）可靠性）可靠性 指存储器在规定时间内无故障工作的情况。一般采用平均无故障指存储器在规定时间内无故障工作的情况。一般采用平均无故障时间间隔（时间间隔（MTBF）衡量。）衡量。MTBF长，存储器可靠性好。长，存储器可靠性好。（4）价格）价格 由存储器容量、性能决定。由存储器容量、性能决定。本讲稿第十五页，共三十八页只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器(Read Only Memory,ROM)：ROM中存储的信息是在使用之前或制作时写入的，作为一种固中存储的信息是在使用之前或制作时写入的，作为一种固定存储设备；定存储设备；运行时只能随机读出，不能写入；运行时只能随机读出，不能写入；电源切断，信息不会丢失，属于非易失性存储器件；电源切断，信息不会丢失，属于非易失性存储器件；常用来存放固定的数据或程序。常用来存放固定的数据或程序。如操作系统的程序（如操作系统的程序（BIOS）或用户固化的程序。）或用户固化的程序。按照数据写入方式分类：按照数据写入方式分类：固定固定ROM、可编程可编程ROM(PROM)ROM的应用的应用：实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数存放固定数据或程序。存放固定数据或程序。本讲稿第十六页，共三十八页固定固定ROM1、ROM的基本结构的基本结构存储输出存储输出读出电路读出电路存储矩阵存储矩阵地地址址译译码码器器2nM位线位线（数据线）（数据线）字线（选择线）字线（选择线）地址输入地址输入An-1A1A0.W0W1W2n-1DM-1D0D1.表示存表示存储容量储容量本讲稿第十七页，共三十八页M=4 42、ROM（二极管固定（二极管固定ROM）结构示意图）结构示意图W0W1W2W3本讲稿第十八页，共三十八页字线与位线的交点都是一个字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管存储单元。交点处有二极管相当存相当存1 1，无二极管相当存，无二极管相当存0 0当当OE=1时输出为高阻状态时输出为高阻状态000101111101111010001101地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容当当OE=0时时ROM实际是一种组合电路结构。实际是一种组合电路结构。本讲稿第十九页，共三十八页阵列图阵列图与阵列：与阵列：表示译表示译码器。码器。或阵列：或阵列：表示存表示存储阵列。储阵列。存储容量为：存储容量为：44 地地 址址 数数 据据 A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1A11A0&1111D0D1D2D3m0m1m2m3本讲稿第二十页，共三十八页 PROM的分类的分类用户可根据需要自行进行编程的存储器。用户可根据需要自行进行编程的存储器。一次性可编程一次性可编程 ROM(Programmable Read Only Memory,PROM)：数据：数据可以由用户根据自己的需要写入可以由用户根据自己的需要写入,但一经写入就不能更改。但一经写入就不能更改。光可擦除可编程光可擦除可编程ROM(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)：是一种可以多次擦除和改写内容的：是一种可以多次擦除和改写内容的 ROM。电可擦除可编程电可擦除可编程 ROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory,E2PROM)：编程和擦除均由电完成，重复编程次数大大高于：编程和擦除均由电完成，重复编程次数大大高于EPROM。快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)：电可擦除类：电可擦除类ROM,具有高集成度、大容量、具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特点。低成本和使用方便的特点。可编程可编程ROM本讲稿第二十一页，共三十八页ROM的应用的应用解：（解：（1）写出各函数的标准与或表达式：）写出各函数的标准与或表达式：按按A、B、C顺顺序序排排列列变变量量，将将Y1、Y2、Y3扩扩展展成成为为三三变变量量逻逻辑辑函函数。数。1.实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数例：试用例：试用ROM实现下列函数：实现下列函数：本讲稿第二十二页，共三十八页（2）选用）选用83位位ROM，画存储矩阵连线图：，画存储矩阵连线图：1A&111Y1Y2Y31B1C&m0m1m2m3m4m5m6m7本讲稿第二十三页，共三十八页ROM应用应用2.存放数据表和函数表存放数据表和函数表:例如三角函数、对数、乘法等表格。例如三角函数、对数、乘法等表格。例例：试试用用ROM构构成成能能实实现现函函数数y=x2的的运运算算表表电电路路，x的的取取值值范范围围为为015的正整数。的正整数。解：（解：（1）分析要求、设定变量）分析要求、设定变量 自自变变量量x的的取取值值范范围围为为015的的正正整整数数，对对应应的的4位位二二进进制制正正整整数数，用用B=B3B2B1B0表表示示。根根据据y=x2的的运运算算关关系系，可可求求出出y的的最最大大值值是是152225，可以用，可以用8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表列真值表函数运算表函数运算表本讲稿第二十四页，共三十八页本讲稿第二十五页，共三十八页Y7=m12+m13+m14+m15（3）写标准与或表达式）写标准与或表达式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)画画ROM存储矩阵结点连接图存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示。矩阵中的二极管用节点表示。Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15本讲稿第二十六页，共三十八页Y0Y1Y2Y3B0B1B2B3本讲稿第二十七页，共三十八页随机存取存储器随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)RAM可以随时从任一指定地址读出数据可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何也可以随时把数据写入任何指定的存储单元指定的存储单元.RAM在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等运算结果等.RAM按工艺分类：按工艺分类：1）双极型双极型；2）场效应管型场效应管型。场效应管型分为：场效应管型分为：1）静态静态；2）动态动态。随机存取存储器随机存取存储器 RAM的基本结构的基本结构 存储容量的扩展存储容量的扩展本讲稿第二十八页，共三十八页.A0A1An-1地地址址译译码码器器存存 储储矩矩 阵阵 W0W1W2n-1字线字线地址线地址线读读/写控制电路写控制电路读读/写控制写控制(R/W)片选片选(CS)数据输入数据输入/输出输出 (I/O)RAM的基本结构的基本结构本讲稿第二十九页，共三十八页双稳态存储单元双稳态存储单元电路电路列选通管：与读写控制电路相接列选通管：与读写控制电路相接Yi 1时导通时导通本单元门行选通管本单元门行选通管:控制锁存器与位线的控制锁存器与位线的接通。接通。Xi=1时导通时导通静态随机存取存储器（静态随机存取存储器（SRAM）本讲稿第三十页，共三十八页在许多场合，需要较大容量的存储器，因此，存储器的扩展是在许多场合，需要较大容量的存储器，因此，存储器的扩展是十分重要的。我们知道存储器的容量用字数十分重要的。我们知道存储器的容量用字数位数表示，所以位数表示，所以它的扩展它的扩展一般分为：一般分为：位扩展位扩展位扩展位扩展、字扩展字扩展字扩展字扩展和字位同时扩展（和字位同时扩展（全扩展全扩展全扩展全扩展）通常利用译码器片选实现。通常利用译码器片选实现。选用选用“片选译码线个数片选译码线个数/芯片组数芯片组数”的译码器的译码器存储容量的扩展存储容量的扩展本讲稿第三十一页，共三十八页位扩展：字数不变，位数加倍的扩展方式。位扩展：字数不变，位数加倍的扩展方式。例：将例：将4K4的的RAM扩展为扩展为4K8的存储系统。的存储系统。连接图如下：连接图如下：本讲稿第三十二页，共三十八页2个芯片构成一组，共有个芯片构成一组，共有8个数据线（个数据线（D0D7）、）、12个片内地址线个片内地址线（A0A11），无需片选译码。），无需片选译码。12本讲稿第三十三页，共三十八页字扩展：字数加倍，位数不变的扩展方式。字扩展：字数加倍，位数不变的扩展方式。例：将例：将4K4的的RAM扩展为扩展为16K4的存储系统。的存储系统。连接图如下：连接图如下：本讲稿第三十四页，共三十八页4个芯片构成个芯片构成4组，共有组，共有4个数据线（个数据线（D0D3）、）、12个片内地址线个片内地址线（A0A11），需），需2/4线译码器来片选译码。线译码器来片选译码。本讲稿第三十五页，共三十八页全扩展：字数加倍，位数也加倍的扩展方式。全扩展：字数加倍，位数也加倍的扩展方式。例：将例：将4K4的的RAM扩展为扩展为16K8的存储系统。的存储系统。连接图如下：连接图如下：本讲稿第三十六页，共三十八页8个芯片构成个芯片构成4组，每组组，每组2片。共有片。共有8个数据线（个数据线（D0D7）、）、12个片个片内地址线（内地址线（A0A11），需），需2/4线译码器来片选译码。线译码器来片选译码。本讲稿第三十七页，共三十八页1、存储器的存储容量是指、存储器的存储容量是指 ，一个，一个16384个存储单元的个存储单元的ROM，每个字每个字8位，它应有个位，它应有个 字，有字，有 条数据线和条数据线和 条地址线。条地址线。3、PLD的基本结构由的基本结构由 、四部分组成。四部分组成。2、电可擦除可编程存储器、电可擦除可编程存储器E2PROM芯片型号为芯片型号为2864有有13根地址线，根地址线，8根根数据线，其存储容量为数据线，其存储容量为 位（位（bit）。）。7、存储器容量扩展有、存储器容量扩展有 、三种方式。三种方式。8、将、将2561位的位的ROM扩大为扩大为10248位位ROM，需要，需要 片片2561位位ROM。4、PROM的与阵列的与阵列 ，或阵列，或阵列 ；PLA的与阵列的与阵列 ，或，或阵列阵列 ，PAL的与阵列的与阵列 ，或阵列，或阵列 ；5、用、用PROM实现实现10线线-4线优先编码器，则线优先编码器，则PROM容量最少是容量最少是 。6、RAM通常由通常由 、三部分组成。三部分组成。本讲稿第三十八页，共三十八页