第10章半导体存储器精.ppt

第10章半导体存储器第1页，本讲稿共32页例例如如计计算算机机中中的的自自检检程程序序、初初始始化化程程序序便便是是固固化化在在 ROM 中中的的。计计算算机机接接通通电电源源后后，首首先先运运行行它它，对对计计算算机机硬硬件件系系统统进进行行自自检检和和初初始始化化，自自检检通通过过后后，装装入入操操作作系系统，计算机才能正常工作。统，计算机才能正常工作。二、二、半导体存储器的类型与特点半导体存储器的类型与特点 只读存储器只读存储器(ROM，即即Read-Only Memory)随机存取存储器随机存取存储器(RAM，即即Random Access Memory)RAM 既既能能读读出出信信息息又又能能写写入入信信息息。它它用用于于存存放放需需经经常常改改变变的的信信息息，断断电电后后其其数数据据将将丢丢失失。常常用用于于存存放放临临时时性性数数据据或或中中间间结结果。果。例如例如 计算机内存就是计算机内存就是 RAM ROM 在在工工作作时时只只能能读读出出信信息息而而不不能能写写入入信信息息。它它用用于于存存放放固固定定不不变变的的信信息息，断断电电后后其其数数据据不不会会丢丢失失。常常用用于于存存放放程程序序、常常数数、表表格等。格等。一、一、半导体存储器的作用半导体存储器的作用 存放二值数据存放二值数据 9.1概述概述 第2页，本讲稿共32页主要要求：主要要求：了解了解 ROM 的类型和结构，理解其工作原理。的类型和结构，理解其工作原理。了解集成了解集成 EPROM 的使用。的使用。理解理解字、位、存储容量字、位、存储容量等概念。等概念。9.2只读存储器只读存储器第3页，本讲稿共32页按按数数据据写写入入方方式式不不同同分分掩模掩模 ROM 可编程可编程 ROM(Programmable ROM，简称，简称 PROM)可擦除可擦除 PROM(Erasable PROM，简称，简称 EPROM)电可擦除电可擦除 EPROM(Electrically EPROM，简称，简称 E2PROM)一、一、ROM 的类型及其特点的类型及其特点 写写入入的的数数据据可可电电擦擦除除，用用户户可可以以多多次次改写存储的数据。使用方便。改写存储的数据。使用方便。其其存存储储数数据据在在制制造造时时确确定定，用用户户不能改变。用于批量大的产品。不能改变。用于批量大的产品。其其存存储储数数据据由由用用户户写写入入。但但只只能能写一次。写一次。写写入入的的数数据据可可用用紫紫外外线线擦擦除除，用用户可以多次改写存储的数据。户可以多次改写存储的数据。第4页，本讲稿共32页二、二、ROM 的结构和工作原理的结构和工作原理 4 4 二极管二极管 ROM 的结构和工作原理动画演示的结构和工作原理动画演示 (一一)存储矩阵存储矩阵 由存储单元按字由存储单元按字(Word)和位和位(Bit)构成的距阵构成的距阵 由存储距阵、地址译码器由存储距阵、地址译码器(和读出电路和读出电路)组成组成 第5页，本讲稿共32页4 4 存储矩阵结构示意图存储矩阵结构示意图 W3W2W1W0D3D2D1D0字字线线位线位线字线与位线的交叉字线与位线的交叉点即为点即为存储单元存储单元。每个存储单元可以每个存储单元可以存储存储 1 位二进制数。位二进制数。交叉处的圆点交叉处的圆点 “”表示存储表示存储“1”；交；交叉处无圆点表示存储叉处无圆点表示存储“0”。当某字线被选中时，相当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线应存储单元数据从位线 D3 D0 输出。输出。请看演示请看演示 10 1 110 1 1从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长中含有的存储单元数称为字长，即字长=位数。位数。W31.存储矩阵的结构与工作原理存储矩阵的结构与工作原理 第6页，本讲稿共32页2.存储容量及其表示存储容量及其表示用用“M”表示表示“1024 K”，即，即 1 M=1024 K=210 K=220。2.存储容量及其表示存储容量及其表示 指存储器中存储单元的数量指存储器中存储单元的数量 例如，一个例如，一个 32 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 32 个字，个字，字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 32 8=256。对于大容量的对于大容量的 ROM常用常用“K”表示表示“1024”，即，即 1 K=1024=210 ；例如，一个例如，一个 64 K 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 64 K 个字，个字，字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 64 K 8=512 K。一般用一般用“字数字数 字长字长(即位数即位数)”表示表示第7页，本讲稿共32页3.存储单元结构存储单元结构3.存储单元结构存储单元结构 (1)固定固定 ROM 的存储单元结构的存储单元结构 二极管二极管 ROM TTL-ROM MOS-ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj+VDD 1接半导体管后成为储接半导体管后成为储 1 单元；单元；若不接半导体管，则为储若不接半导体管，则为储 0 单元。单元。第8页，本讲稿共32页(2)PROM 的存储单元结构的存储单元结构 PROM 出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为全全 1(或全或全 0)。用户可借助编程工具将某些单元改写为。用户可借助编程工具将某些单元改写为 0 (或或 1),这只要将需储这只要将需储 0(或或 1)单元的熔丝烧断即可。单元的熔丝烧断即可。熔丝烧断后不可恢复，因此熔丝烧断后不可恢复，因此 PROM 只能一次编程。只能一次编程。二极管二极管 ROM TTL-ROM MOS-ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj+VDD 1熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝第9页，本讲稿共32页(3)可擦除可擦除 PROM 的存储单元结构的存储单元结构 EPROM 利利用用编编程程器器写写入入数数据据，用用紫紫外外线线擦擦除除数数据据。其其集集成成芯芯片片上上有有一一个个石石英英窗窗口口供供紫紫外外线线擦擦除除之之用用。芯芯片片写写入入数数据据后后，必必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。E2PROM 可可以以电电擦擦除除数数据据，并并且且能能擦擦除除与与写写入入一一次次完完成成，性能更优越。性能更优越。用一个特殊的浮栅用一个特殊的浮栅 MOS 管替代熔丝。管替代熔丝。第10页，本讲稿共32页刚才介绍了刚才介绍了ROM中的存储距阵，中的存储距阵，下面将学习下面将学习ROM中的地址译码器。中的地址译码器。(二二)地址译码器地址译码器 (二二)地址译码器地址译码器从从 ROM 中中读读出出哪哪个个字字由由地地址址码码决决定定。地地址址译译码码器器的的作作用用是是：根根据据输输入入地地址址码码选选中中相相应应的的字字线线，使使该该字字内内容容通通过位线输出。过位线输出。例如，某例如，某 ROM 有有 4 位地址码，则可选择位地址码，则可选择 24=16 个字。个字。设输入地址码为设输入地址码为 1010，则字线，则字线 W10 被选中，该被选中，该 字内容通过位线输出。字内容通过位线输出。存储矩阵中存储矩阵中存储单元的存储单元的编址方式编址方式单译码编址方式单译码编址方式双译码编址方式双译码编址方式适用于小容适用于小容量存储器。量存储器。适用于大容适用于大容量存储器。量存储器。第11页，本讲稿共32页 又称单译码编址方式或单地址寻址方式又称单译码编址方式或单地址寻址方式D1D7地地址址译译码码器器0,01,031,031,10,11,1A0A1A431,70,71,7W0W1W31D0单地址译码方式单地址译码方式 32 8 存储器的结构图存储器的结构图1.单地址译码方式单地址译码方式一个一个 n 位地址码的位地址码的 ROM 有有 2n 个字，对应个字，对应 2n 根字线，根字线，选中字线选中字线 Wi 就选中了该字的所有位。就选中了该字的所有位。32 8 存储矩阵排成存储矩阵排成 32 行行 8 列，每一行对应一个字，每一列对应列，每一行对应一个字，每一列对应 32 个字的同一位。个字的同一位。32 个字需要个字需要 5 根地址输入线。当根地址输入线。当 A4 A0 给出一个地给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。例如，当例如，当 A4 A0=00000 时，选中字线时，选中字线 W0，可将，可将(0，0)(0，7)这这 8 个基本存储单元的内容同时读出。个基本存储单元的内容同时读出。基本单元为基本单元为 存储单元存储单元第12页，本讲稿共32页A5A7行行地地址址译译码码器器W0W1W15W31W16W17A0A1A3W255W240W241X0X1X15A4双地址译码方式双地址译码方式 256 字存储器的结构图字存储器的结构图A2列列地地址址译译码码器器A6Y1Y15Y0又称双译码编址方式或双地址寻址方式又称双译码编址方式或双地址寻址方式地址码分成行地址码和列地址码两组地址码分成行地址码和列地址码两组2.双地址译码方式双地址译码方式基本单元基本单元为字单元为字单元例如例如 当当 A7 A0=00001111 时，时，X15 和和 Y0 地址线均地址线均 为高电平，字为高电平，字W15 被选中，其存储内容被读出。被选中，其存储内容被读出。若采用单地址译码方式，则需若采用单地址译码方式，则需 256 根内部地址线。根内部地址线。256 字存储器需要字存储器需要 8 根地址线，分为根地址线，分为 A7 A4 和和 A3 A0 两组。两组。A3 A0 送入行地址译码器，产生送入行地址译码器，产生 16 根行地址线根行地址线(Xi)；A7 A4 送入列地送入列地址译码器，产生址译码器，产生 16 根列地址线根列地址线(Yi)。存储矩阵中的某个字能否被选。存储矩阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。中，由行、列地址线共同决定。第13页，本讲稿共32页三、集成三、集成 EPROM 举例举例 27 系系列列 EPROM 是是最最常常用用的的 EPROM，型型号号从从 2716、2732、2764 一一直直到到 27C040。存存储储容容量量分分别别为为 2K 8、4K 8一一直直到到 512K 8。下下面面以以 Intel 2716 为为例例，介绍其功能及使用方法。介绍其功能及使用方法。第14页，本讲稿共32页VCCIntel 2716A8A9VPPOEA10CSD7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413 A10 A0 为地址码输入端。为地址码输入端。D7 D0 为数据线，工作时为数为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入据输出端，编程时为写入数据输入端。端。VCC 和和 GND：+5 V 工作电源和工作电源和地。地。VPP 为编程高电平输入端。编程时加为编程高电平输入端。编程时加+25 V 电压，工作时加电压，工作时加+5 V 电压。电压。(一一)引脚图及其功能引脚图及其功能 CS 有两种功能：有两种功能：(1)工作时为片选使能端，低电工作时为片选使能端，低电 平有效。平有效。CS=0 时，芯片被时，芯片被 选中，处于工作状态。选中，处于工作状态。(2)编程时为编程脉冲输入端。编程时为编程脉冲输入端。OE 为允许数据输出端，低电为允许数据输出端，低电平有效。平有效。OE=0 时，允许读出数时，允许读出数据；据；OE=1 时，不能读出数据。时，不能读出数据。存储容量为存储容量为 2 K 字字 第15页，本讲稿共32页(二二)由由 CS、OE 和和 VPP 的不同状态，确定的不同状态，确定 2716 的下列的下列 5 种工作方式种工作方式(1)读方式：读方式：当当 CS=0、OE=0，并有地址码输入时，并有地址码输入时，从从 D7 D0 读出读出该地址单元的数据。该地址单元的数据。(2)维持方式：当维持方式：当 CS=1 时，数据输出端时，数据输出端 D7 D0 呈高阻呈高阻 隔离态隔离态，此时芯片处于维持状态，电源电，此时芯片处于维持状态，电源电 流下降到维持电流流下降到维持电流 27 mA 以下。以下。第16页，本讲稿共32页(3)编程方式：编程方式：OE=1，在，在 VPP 加入加入 25 V 编程电压，在地址编程电压，在地址 线上输入单元地址，数据线上输入要写入的线上输入单元地址，数据线上输入要写入的 数据后，在数据后，在 CS 端送入端送入 50 ms 宽的编程正脉宽的编程正脉 冲冲，数据就被写入到由地址码确定的存储单数据就被写入到由地址码确定的存储单 元中。元中。(4)编程禁止：编程禁止：在编程方式下，如果在编程方式下，如果 CS 端不送入编程正脉端不送入编程正脉 冲，冲，而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编程禁止方式，数据端为高阻隔离态。程禁止方式，数据端为高阻隔离态。(5)编程检验：编程检验：当当 VPP=+25 V，CS 和和 OE 均为有效电平时，均为有效电平时，送入地址码，可以读出相应存储单元中的送入地址码，可以读出相应存储单元中的 数据，以便检验。数据，以便检验。第17页，本讲稿共32页 下面将根据二极管下面将根据二极管 ROM 的的 结构图加以说明结构图加以说明(已编已编程二极管程二极管 PROM 的的 结构与之同理结构与之同理)：四、用四、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数1.为什么为什么用用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？D3D2D1D044 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地址址译译码码器器A1A0地地址址码码输输入入字字 线线 信信 号号位线输出信号位线输出信号D3D2D1D04 4 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地址址译译码码器器A1A0地地址址码码输输入入字字 线线 信信 号号位线输出信号位线输出信号 地址译码器地址译码器能译出地址码的全部最小项能译出地址码的全部最小项图中图中 当当 A1 A0=11 时，只有时，只有 W3=1，而，而 W0、W1、W2=0，即译出最小项即译出最小项 m3；当当 A1 A0=10 时，只有时，只有 W2=1，而，而 W0、W1、W3=0，即译出最小项即译出最小项 m2；其余类推。其余类推。存储矩阵构成或门阵列存储矩阵构成或门阵列图中图中 D3=m3+m2+m0 D2=m2+m1 D1=m3+m0 D0=m3+m2 由于由于 PROM 的地址译码器能译出地址码的的地址译码器能译出地址码的全部最小项，全部最小项，而而PROM 的存储矩阵构成了可编的存储矩阵构成了可编程或门阵列，因此，通过编程可从程或门阵列，因此，通过编程可从 PROM 的位的位线输出端得到任意标准与线输出端得到任意标准与-或式。由于所有组或式。由于所有组合逻辑函数均可用标准与合逻辑函数均可用标准与-或式表示，故理论或式表示，故理论上可用上可用 PROM 实现任意组合逻辑函数。实现任意组合逻辑函数。1.为什么为什么用用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？五、用五、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数第18页，本讲稿共32页 为了便于用为了便于用 PROM 实现组合逻辑函数，实现组合逻辑函数，首先需要理解首先需要理解 PROM 结构的习惯画法。结构的习惯画法。2.PROM 结构的习惯画法结构的习惯画法AB与与门门和和或或门门的的习习惯惯画画法法CY&ABCY1ABCY&ABCY1第19页，本讲稿共32页A1A0地址译码器地址译码器(为与阵列为与阵列)D3D2D1D0W3W2W1W0&A1 A0=m3A1 A0=m2A1 A0=m1A1 A0=m01存储矩阵存储矩阵(为或阵列为或阵列)1&A1地址译码器地址译码器(为与阵列为与阵列)W3W2W1W0D3=m3+m2+m0D3=m2+m1D3=m3+m0D3=m3+m2&1&1A0 m3 m2 m1 m01111存储矩阵存储矩阵(为或阵列为或阵列)PROM 结结构构的的习习惯惯画画法法第20页，本讲稿共32页3.怎样用怎样用 PROM 实现组合逻辑函数？实现组合逻辑函数？例例 试用试用 PROM 实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数解：解：(1)将函数化为标准与将函数化为标准与-或式或式(2)确定存储单元内容确定存储单元内容由函数由函数 Y1、Y2 的标准与的标准与-或式知：或式知：与与 Y1 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W1、W4、W5、W6 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1；对应对应 m1、m4、m5、m6与与 Y2 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W3、W5、W6、W7 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1。第21页，本讲稿共32页(3)画出用画出用 PROM 实现的逻辑图实现的逻辑图A11B1C1&1m0m1m2m3m4m5m6m7地地址址译译码码器器Y1Y2第22页，本讲稿共32页主要要求：主要要求：了解了解 RAM 的类型、结构和工作原理。的类型、结构和工作原理。了解集成了解集成 RAM 的使用。的使用。了解了解 RAM 和和 ROM 的异同的异同。9.3 随机存取存储器随机存取存储器 了解了解 RAM 的扩展方法。的扩展方法。第23页，本讲稿共32页一、一、RAM 的结构、类型和工作原理的结构、类型和工作原理 地地址址译译码码器器存储矩阵存储矩阵读读/写控制电路写控制电路2n m RAM 的结构图的结构图 A0A0An-1I/O0I/O1I/Om-1R/WCS第24页，本讲稿共32页RAM 与与 ROM 的比较的比较 相相同同处处 都含有地址译码器和存储矩阵都含有地址译码器和存储矩阵 寻址原理相同寻址原理相同 相相异异处处 ROM 的存储矩阵是或阵列，的存储矩阵是或阵列，是组合逻辑电路是组合逻辑电路。ROM 工作时工作时只能读出不能写入。掉电后数据只能读出不能写入。掉电后数据 不会丢失不会丢失。RAM 的存储矩阵由触发器或动态存储单元构的存储矩阵由触发器或动态存储单元构 成，成，是时序逻辑电路是时序逻辑电路。RAM 工作时工作时能读出，能读出，也能写入也能写入。读或写由读。读或写由读/写控制电路进行控制。写控制电路进行控制。RAM 掉电后数据将丢失掉电后数据将丢失。第25页，本讲稿共32页RAM 分类分类静态静态 RAM(即即 Static RAM，简称，简称 SRAM)动态动态 RAM(即即 Dynamic RAM，简称，简称 DRAM)DRAM 存存储储单单元元结结构构简简单单，集集成成度度高高，价价格格便便宜宜，广广 泛泛 地地 用用 于于 计计 算算 机机 中中，但但 速速 度度 较较慢，且需要慢，且需要刷新刷新及读出放大器等外围电路。及读出放大器等外围电路。DRAM 的的存存储储单单元元是是利利用用 MOS 管管具具有有极极高高的的输输入入电电阻阻，在在栅栅极极电电容容上上可可暂暂存存电电荷荷的的特特点点来来存存储储信信息息的的。由由于于栅栅极极电电容容存存在在漏漏电电，因因此此工工作作时需要周期性地对存储数据进行刷新。时需要周期性地对存储数据进行刷新。SRAM 存储单元结构较复杂，存储单元结构较复杂，集成度较低，但速度快。集成度较低，但速度快。第26页，本讲稿共32页二、集成二、集成 RAM 举例举例 A0 A9 为地址码输入端。为地址码输入端。4 个个 I/O 脚为双向数据线，用于脚为双向数据线，用于读出或写入数据。读出或写入数据。VDD 接接+5 V。R/W 为读为读/写控制端。当写控制端。当 R/W=1 时，从时，从 I/O 线读出数据；当线读出数据；当 R/W=0 时，将从时，将从 I/O 线输入的数线输入的数据写入据写入RAM。VDDIntel 2114A7A8A9I/OI/OI/OI/OR/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND1234567891817161514131211101 K 4 位位 SRAM Intel 2114 引脚图引脚图信号与信号与 TTL 电平兼容。电平兼容。CS 为片选控制端，低电平有为片选控制端，低电平有效。效。CS=1 时，读时，读/写控制电路处写控制电路处于禁止状态，不能对芯片进行读于禁止状态，不能对芯片进行读/写操作。当写操作。当 CS=0 时，允许芯片时，允许芯片读读/写操作。写操作。存储矩阵有存储矩阵有 1 K 个字，每个字个字，每个字 4 位。位。1K=1024=210，故需，故需 10 根地址输入线。根地址输入线。第27页，本讲稿共32页三、三、RAM 的扩展的扩展 RAM的扩展动画演示的扩展动画演示第28页，本讲稿共32页半半导导体体存存储储器器由由许许多多存存储储单单元元组组成成，每每个个存存储储单单元元可可存存储储一一位位二二进进制制数数。根根据据存存取取功功能能的的不不同同，半半导导体体存存储储器器分分为为只只读读存存储储器器(ROM)和和随随机机存存取取存存储储器器(RAM)，两两者者的的存存储储单单元元结结构构不不同同。ROM 属属于于大大规规模模组组合合逻逻辑辑电电路路，RAM 属属于于大大规规模模时时序序逻逻辑辑电路电路。本本 章章 小小 结结第29页，本讲稿共32页ROM 用用于于存存放放固固定定不不变变的的数数据据，存存储储内内容容不不能能随随意意改改写写。工工作作时时，只只能能根根据据地地址址码码读读出出数数据据。断断电电后后其其数数据据不不会会丢丢失失。ROM有有固固定定 ROM(又又称称掩掩膜膜 ROM)和和可可编编程程 ROM之之分分。固固定定 ROM 由由制制造造商商在在制制造造芯芯片片时时，用用掩掩膜膜技技术术向向芯芯片片写写入入数数据据，而而可可编编程程 ROM 则则由由用用户户向向芯芯片片写写入入数数据据。可可编编程程 ROM 又又分分为为一一次次可可编编程程的的 PROM 和和可可重重复复改改写写、重重复复编编程程的的 EPROM 和和 E2PROM。EPROM 为为电电写写入入紫紫外外擦擦除除型型，E2PROM 为为电电写写入入电电擦擦除除型型，后后者者比比前前者者快快捷捷方方便便。可可编编程程 ROM 都都要要用用专专用用的的编编程程器对芯片进行编程器对芯片进行编程。第30页，本讲稿共32页RAM 由由存存储储矩矩阵阵、译译码码器器和和读读/写写控控制制电电路路组组成成。它它可可以以读读出出数数据据或或改改写写存存储储的的数数据据，其其读读、写写数数据据的的速速度度很很快快。因因此此，RAM 多多用用于于需需要要经经常常更更换换数数据据的的场场合合，最最典典型型的的应应用用就就是是计计算算机中的内存。但是，机中的内存。但是，RAM 断电后数据将丢失断电后数据将丢失。RAM 可可位位扩扩展展或或字字扩扩展展，也也可可位位、字字同同时时扩扩展展。通通过过扩扩展展，可可由由多多片片小小容容量量的的 RAM 构构成成大容量的存储器。大容量的存储器。第31页，本讲稿共32页RAM 有有静静态态 RAM和和动动态态 RAM 之之分分。静静态态 RAM(即即SRAM)的的存存储储单单元元为为触触发发器器，工工作作时时不不需需刷刷新新，但但存存储储容容量量较较小小。动动态态 RAM(即即 DRAM)的的存存储储单单元元是是利利用用 MOS 管管具具有有极极高高的的输输入入电电阻阻(1010 )、在在栅栅极极电电容容上上可可暂暂存存电电荷荷的的特特点点来来存存储储信信息息的的，由由于于栅栅极极电电容容存存在在漏漏电电，因因此此工工作作时时需要周期性的对存储数据进行刷新。需要周期性的对存储数据进行刷新。第32页，本讲稿共32页