第八章 半导体存储器PPT讲稿.ppt

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1、第八章 半导体存储器第1页，共32页，编辑于2022年，星期三存储器概述存储器概述存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分；存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分；功能：存放数据、指令等信息。功能：存放数据、指令等信息。按材料分类按材料分类1)1)磁介质类磁介质类软磁盘、硬盘、磁带软磁盘、硬盘、磁带2)2)光介质类光介质类CDCD、DVDDVD3)3)半导体介质类半导体介质类ROMROM、RAMRAM等等按功能分类按功能分类主要分主要分RAMRAM和和ROMROM两类，不过界线逐渐模糊。两类，不过界线逐渐模糊。RAM:SRAM,DRAM,RAM:SRAM,DRAM,ROM:ROM:掩模掩

2、模ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM 性能指标性能指标1)1)存储容量存储容量一般用字位数表示一般用字位数表示,即字数即字数位数；位数；如：如：2568bit=20482568bit=2048位。位。2)2)存取时间存取时间存储器操作的速度。存储器操作的速度。本课主要讲述半导体介质类器件第2页，共32页，编辑于2022年，星期三半导体存储器半导体存储器 存放存放大量大量二进制信息的半导体器件。分为：二进制信息的半导体器件。分为：ROM、RAM。一、只读存储器一、只读存储器ROM ROM（read onl

3、y memoryread only memory）ROM 是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据 写入存储器中，在正常工作时，它存储的数据是写入存储器中，在正常工作时，它存储的数据是 固定不变的，只能读出，不能写入。固定不变的，只能读出，不能写入。（ROMROM是存储器结构最简单的一种。）是存储器结构最简单的一种。）特点：特点：只能读出，不能写入；只能读出，不能写入；属于组合电路，电路简单，集成度高；属于组合电路，电路简单，集成度高；具有信息的不易失性；具有信息的不易失性；存取时间在存取时间在20ns20ns50ns50ns。缺点：缺点：只适应存储

4、固定数据的场合。只适应存储固定数据的场合。第3页，共32页，编辑于2022年，星期三ROMROM的分类的分类(1)按制造工艺分按制造工艺分二极管二极管ROMROM双极型双极型ROM(ROM(三极管三极管)单极型单极型(MOS)(MOS)(2)按存储内容写入方式分按存储内容写入方式分掩膜掩膜ROM(ROM(固定固定ROM)ROM)厂家固化内容；厂家固化内容；可编程可编程ROMROM（PROMPROM）用户首次写入时决定内容。（用户首次写入时决定内容。（一一次写入式次写入式）可编程、可编程、光光可擦除可擦除ROMROM（EPROMEPROM）可根据需要改写数据；可根据需要改写数据；可编程、可编程、

5、电电可擦除可擦除ROMROM（EEPROM EEPROM 即即E E2 2PROMPROM）快闪存储器快闪存储器FLASH ROMFLASH ROM第4页，共32页，编辑于2022年，星期三1 1、腌膜、腌膜ROM(ROM(固化固化ROM)ROM)采用腌膜工艺制作采用腌膜工艺制作ROMROM时，其存储的数据是由制作过程中的时，其存储的数据是由制作过程中的腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因此，腌膜此，腌膜ROMROM在出厂时内部存储的数据就在出厂时内部存储的数据就“固化固化”在里面了，使用在里面了，使用时无法再更改。时

6、无法再更改。A0Ai地地址址译译码码器器.存储矩阵存储矩阵输输出出缓缓冲冲器器地地址址输输入入三态控制输入三态控制输入数据数据输出输出（1 1）基本构成）基本构成第5页，共32页，编辑于2022年，星期三地址译码器的作用将输入的地址代码译成相应的控制信号，地址译码器的作用将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把 其中的数据送到输出缓冲器。其中的数据送到输出缓冲器。A0Ai地地址址译译码码器器.存储矩阵存储矩阵输输出出缓缓冲冲器器地地址址输输入入三态控制输入三态控制输入数据数据输出输出存储矩阵是由存储

7、单元排列而成，可以由二极管、三极管或存储矩阵是由存储单元排列而成，可以由二极管、三极管或 MOS管构成。每个单元存放一位二值代码。管构成。每个单元存放一位二值代码。每一个或一组每一个或一组 存储单元对应一个地址代码存储单元对应一个地址代码。输出缓冲器的作用：输出缓冲器的作用：、提高存储器的带负载能力，将高、提高存储器的带负载能力，将高、低电平转换标准的逻辑电平；低电平转换标准的逻辑电平；、实现对输出的三态控制，以便与、实现对输出的三态控制，以便与 系统总线连接。系统总线连接。第6页，共32页，编辑于2022年，星期三（2 2）举例）举例4444存储器存储器2 2位地址代码位地址代码A1A1、A

8、0A0给出给出4 4个个不同地址，不同地址，4 4个地址代码分别个地址代码分别译出译出W0W0W3W3上的上的高电平高电平信号。信号。位位输输出出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地地址址译译码码器器存存储储矩矩阵阵END3VccVccA1A0W3W3二极管与门作译码二极管与门作译码A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；第7页，共32页，编辑于2022年，星期三（2 2）举例）举例4 44 4存储器（续）存储器（续）存储矩阵由存储矩阵由4 4个二极管或门组成，个二极管或门组成，当当W0W0W3

9、W3线上给出线上给出高电平高电平信号时，信号时，会在会在D0D0D3D3输出一个二值代码输出一个二值代码位位输输出出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地地址址译译码码器器存存储储矩矩阵阵END3D3W3W3W1W1二极管或门作编码器二极管或门作编码器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W0W3：字线D0D3：位线（数据线）A0、A1：地址线第8页，共32页，编辑于2022年，星期三（2 2）举例）举例4 44 4存储器（续）存储器（续）位位输输出出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W

10、1W0W0地地址址译译码码器器存存储储矩矩阵阵END3字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接二极管相当于存1，没接二极管相当于存0，交叉点的数目就是存储容量，写成“字数位数”的形式D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1存储内容真值表存储内容真值表地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0第9页，共32页，编辑于2022年，星期三m1m1m3m3m0m0m2m2m3m3m1m1m3m3m0m0m1m1地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 1

11、0 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0D3D2D1D0与阵列与阵列或或阵阵列列W1W1W0W0W2W2 W3W3简化简化ROMROM点阵图点阵图字输出：字输出：D3D2D1D0D3D2D1D0随着地址的不同有不同的数据。随着地址的不同有不同的数据。位输出：位输出：D3D3、D2D2、D1D1、D0D0每根位线，由不同的最小项组成，每根位线，由不同的最小项组成，可实现组合逻辑函数。可实现组合逻辑函数。D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1输出方式输出方式第10页，共32页，编辑于2022年，星期三2 PROM(2 PROM(可编程可编程ROM)ROM)PROM

12、PROM只能写一次，一旦写入就不能修改（只能写一次，一旦写入就不能修改（OTPOTP型型）。）。基本结构同掩模基本结构同掩模ROMROM，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元，一般存出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元，一般存1 1。存数方法：熔丝法和击穿法。存数方法：熔丝法和击穿法。熔丝法图示熔丝法图示e e熔丝熔丝c cb bVccVcc字线字线位线位线加高电压将熔丝化断，加高电压将熔丝化断，即可将原有的即可将原有的1 1改写为改写为0 0。第11页，共32页，编辑于2022年，星期三3 EPROM3

13、 EPROM、E E2 2PROMPROM、FLASH ROMFLASH ROM电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接 读写EEPROM，擦除时间短(ms级)，可对单个存储单元擦除。读出：5V；擦除：20V；写入：20V。EPROMEPROM：光擦除可编程：光擦除可编程ROMROME E2 2PROMPROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROMFLASH ROMFLASH ROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROM紫外线照射擦除，时间长1020分钟整片擦除写入一般需要专门的工具结合EPROM和EEPROM的特点，构成的电路形式简 单，集成度高，可靠性好。擦除时间短(s级)，整片擦除

14、、或分块擦除。读出：5V；写入：12V；擦除：12V(整块擦除)第12页，共32页，编辑于2022年，星期三二、二、随机存储器随机存储器RAM RAM（random access memory random access memory）RAM在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器(或读写存储器或读写存储器)。读写速度很快。但一般有易失性，数据。读写速度很快。但一般有易失性，数据掉电后就消失。掉电后就消失。RAM 按功能可分为按功能可分为R

15、AM 按所用器件可分为按所用器件可分为RAM 优点：优点：读写方便，具有信息的灵活性。读写方便，具有信息的灵活性。缺点：缺点：一般有易失性，数据掉电后就消失。一般有易失性，数据掉电后就消失。静态静态(SRAM)(SRAM)动态动态(DRAM)(DRAM)双极型双极型 MOSMOS型型第13页，共32页，编辑于2022年，星期三1.SRAM1.SRAM的基本结构的基本结构A0Ai行行地地址址译译码码器器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读读写写控控制制电电路路CSR/WI/O地址输入地址输入控制输入控制输入数据输入数据输入/输出输出输入信号（三组）：地址输入、控制输入和数

16、据输入输入信号（三组）：地址输入、控制输入和数据输入输出信号（一组）：数据输出输出信号（一组）：数据输出第14页，共32页，编辑于2022年，星期三A0Ai行行地地址址译译码码器器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读读写写控控制制电电路路CSR/WI/O地址输入地址输入控制输入控制输入数据输入数据输入/输出输出存储矩阵：存储矩阵：有许多存储单元排列而成，每个存储单元存一位二值信息有许多存储单元排列而成，每个存储单元存一位二值信息（0、1），在译码器和读），在译码器和读/写电路的控制下，既可以写入写电路的控制下，既可以写入1或或0，又可，又可以将存储的数据读出。以将存储的

17、数据读出。第15页，共32页，编辑于2022年，星期三 由于存储器的容量巨大，在存储器中使用双译码形式，就是由于存储器的容量巨大，在存储器中使用双译码形式，就是地址分成行列两组，以简化电路。分行列译码，用两条线来共同选择地址分成行列两组，以简化电路。分行列译码，用两条线来共同选择存储单元。存储单元。R/W=1，读出 R/W=0，写入CS=0，工作 CS=1，高阻A0Ai行行地地址址译译码码器器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读读写写控控制制电电路路CSR/WI/O地址输入地址输入控制输入控制输入数据输入数据输入/输出输出第16页，共32页，编辑于2022年，星期三例：

18、1024X4 SRAM（2114）A3A4A5A6A7A8行行地地址址译译码码器器列地址译码器列地址译码器存储矩阵存储矩阵读读写写控控制制电电路路CSR/W数据输入数据输入/输出输出A0 A1 A2 A9I/O0I/O1I/O2I/O3地址线：地址线：10根，根，A A0 0 A A9 9数据线：数据线：4根，根，I/OI/O0 0 I/OI/O3 3控制线：控制线：2根，根，片选，片选，0 0有效；有效；读写控制读写控制第17页，共32页，编辑于2022年，星期三每个由每个由X X，Y Y共同选中的单元中实际包含了共同选中的单元中实际包含了4 4个个1 1位数据存储单元位数据存储单元 表示表

19、示4 4位数据。位数据。行选择线有行选择线有3232条条(含含5 5根地址线根地址线)，列选择线，列选择线8 8条条(含含3 3根地址线根地址线),),一共可以有一共可以有328=256328=256个组合总的存储容量就是个组合总的存储容量就是25642564。2564RAM2564RAM存储矩阵存储矩阵行行地地址址译译码码器器列地址译码器列地址译码器A0A0A1A1A2A2A3A3A5A5A6A6A7A7A4A4第18页，共32页，编辑于2022年，星期三10244 RAM10244 RAM列控制门数据线行选择2664列选择241610244RAM10244RAM存储矩阵存储矩阵行行地地址址

20、译译码码器器列地址译码器列地址译码器第19页，共32页，编辑于2022年，星期三&G1G2G3DDR/WCSI/OD/DD/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路存储体存储体第20页，共32页，编辑于2022年，星期三&G1G2G3DDR/WCSI/O100D/DD/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可

21、以从输出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=1CS=1时时，G1,G2,G3G1,G2,G3都是高阻，都是高阻，存储器与输入存储器与输入/输出输出线完全隔离线完全隔离存储体存储体第21页，共32页，编辑于2022年，星期三&G1G2G3DDR/WCSI/O01D/DD/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从据输出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。

22、输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0CS=0、R/W=1R/W=1时时：G1,G2G1,G2三态，三态，G3G3开通开通D D端数据输出到端数据输出到I/OI/O线上线上 CS=1CS=1时时，G1,G2,G3G1,G2,G3都是高阻，都是高阻，存储器与输入存储器与输入/输出输出线完全隔离线完全隔离存储体存储体第22页，共32页，编辑于2022年，星期三&G1G2G3DDR/WCSI/O100D/DD/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。上读取存

23、储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0,R/W=0CS=0,R/W=0时时,G1,G2G1,G2开通，开通，G3G3三态，三态，I/OI/O上的数据被同时送到上的数据被同时送到D/DD/D上，改变存上，改变存储单元内部内容。储单元内部内容。CS=0CS=0、R/W=1R/W=1时时：G1,G2G1,G2三态，三态，G3G3开通开通D D端数据输出到端数据输出到I/OI/O线上线上 CS=1CS=1时时，G1,G2,G3G1,G2,G3都是高阻，都是高阻，存储器与输入存储器与输入/输出输出线完全隔离线完全隔离存储体存储体第23页，共32页，编辑于2022年

24、，星期三SRAM体积大不易高密度集成，大体积大不易高密度集成，大容量存储器一般都采用容量存储器一般都采用DRAMDRAM存储依赖存储依赖MOS管栅极的管栅极的寄生电容效应原理制成的。寄生电容效应原理制成的。2、DRAMC上电荷也不能长时间维持，所上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容充电，称为以还必须定时对电容充电，称为再再生生或或刷新刷新。第24页，共32页，编辑于2022年，星期三说明：说明：ROMROM无无R/WR/W，位扩展其余端的连接与，位扩展其余端的连接与RAMRAM相同相同。三、存储器容量扩展三、存储器容量扩展1、位扩展、位扩展地址地址并联，并联，I/O独立独立第第1 1片

25、片第第4 4片片40964RAM40964RAM扩展成扩展成409616409616的存储器系统的存储器系统A11A11 A0A0R/WR/WCSCS D0D0D15D15方法：方法：第25页，共32页，编辑于2022年，星期三2、字扩展、字扩展地址地址并联，并联，CS独立独立例：例：4片片8K8位位RAM扩展成扩展成32K8位位RAM32K32K有有1515条地址线，条地址线，8K8K芯片本身用芯片本身用1313条，另两条译码后作为片选。条，另两条译码后作为片选。00000 000000000000000000000000000001 111111111111111111111 1111 即

26、即 0000H0000H1FFFH1FFFH；A0A0A12A12R/WR/WA13A13A14A14D0D0D7D7/Y0/Y0/Y1/Y1/Y2/Y2/Y3/Y3第第片地址范围：片地址范围：第第片地址范围：片地址范围：2000H2000H3FFFH3FFFH第第片地址范围：片地址范围：4000H4000H5FFFH5FFFH第第片地址范围：片地址范围：6000H6000H7FFFH7FFFH方法：方法：第26页，共32页，编辑于2022年，星期三四、存储器的基本应用四、存储器的基本应用1.字应用由地址读出对应的字，例实现B码G码的转换。二进制G3 G2 G1 G000000 0 0 000

27、010 0 0 100100 0 1 100110 0 1 001000 1 1 001010 1 1 101100 1 0 101110 1 0 010001 1 0 010011 1 0 110101 1 1 110111 1 1 011001 0 1 011011 0 1 111101 0 0 111111 0 0 0B3B3B2B2B1B1B0B00 5 10 15G3G2G1G0第27页，共32页，编辑于2022年，星期三用PROM实现22快速乘法器D3D2D1D0A1A0B1B0解：A1A0-被乘数，B1B0-乘数，作为PROM的地址；D3D2D1D0-乘积，作为ROM的内容存放在

28、相应的存储单元。ROM 容量为164位。例：用适当容量的例：用适当容量的PROM实现实现22快速乘法器。快速乘法器。如果要实现mn快速乘法器，PROM的容量至少为：字位2m+n（mn）。第28页，共32页，编辑于2022年，星期三全加器全加器0 5 10 15组合逻辑函数的实现：组合逻辑函数的实现：基本门电路；基本门电路；译码器；译码器；数据选择器；数据选择器；ROMROMAiAiBiBiCi-1Ci-1S Si iC Ci iAi Ai Bi Bi C-1 C-1S Si i C Ci i两种表示形式例例1 用用ROM实现全加器实现全加器2.2.位应用位应用实现组合函数实现组合函数 0 1

29、2 3 4 5 6 7第29页，共32页，编辑于2022年，星期三例例2 用用ROM实现将实现将8421BCD码转换为七段数字显示译码电路码转换为七段数字显示译码电路 8421BCDa b c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 00 0 1 0 1 1 0 1 1 0 10 0 1 1 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 1 0 0 1 10 1 0 11 0 1 1 0 1 10 1 1 00 0 1 1 1 1 10 1 1 11 1 1 0 0 0 01 0 0 01 1 1 1 1 1 11 0 0 11 1

30、 1 0 0 1 1B3B3B2B2B1B1B0B0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9abcdefg第30页，共32页，编辑于2022年，星期三 【例例】试用PROM实现字符发生器（或字符译码器）。图图 5-13 字符字符R的显示电路的显示电路D4D3D2D1D0A2A1A00Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7YA0A1A2SACSBS模模 7 计数器计数器CPW0W1W2W3W4W5W67413875 LED点阵点阵D4D3D2D1D01PROM视觉暂留原理第31页，共32页，编辑于2022年，星期三本章要求n熟练掌握半导体存储器的分类、特点；n熟练掌握ROM的应用（字应用、位应用）；n熟练掌握半导体存储器的扩展方法（字扩展、位扩展）；n掌握ROM、RAM的基本结构和概念。作业：作业：8.38.3 8.5 8.5 8.7 8.7 8.8 8.8 本章完本章完第32页，共32页，编辑于2022年，星期三