第17讲存储器PPT讲稿.ppt
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1、第第17讲讲 存储器存储器第1页,共50页,编辑于2022年,星期日第第8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 8.1 只读存储器只读存储器(ROM)8.2 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)8.3 可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介第2页,共50页,编辑于2022年,星期日概述概述半导体存储器的分类半导体存储器的分类 根根据据信信息息存存取取方方式式的的不不同同,半半导导体体存存储储器器可可以以分分为为随随机机存存取取存存储储器器RAM(Random Access Memory)、顺顺序序存存取取存存储储器器SAM(Sequential Access Memo
2、ry)和和只只读读存存储储器器ROM(Read-Only Memory)三三大大类类。随随机机存存取取存存储储器器RAM能能够够随随机机读读写写,可可以以随随时时读读出出任任何何一一个个RAM单单元元存存储储的的信信息息或或向向任任何何一一个个RAM单单元元写写入入(存存储储)新新的的信信息息。顺顺序序存存取取存存储储器器SAM只只能能够够按按照照顺顺序序写写入入或或读读出出信信息息。随随机机存存取取存存储储器器RAM和和顺顺序序存存取取存存储储器器SAM统统称称为为读读写写存存储储器器,其其基基本本特特点点是是能能读读能能写写,但但断断电电后后会会丢丢失失信信息息。只只读读存存储储器器ROM
3、在在正正常常工工作作时时,只只能能读读出出信信息息而而不不能写入信息,且断电后信息不会丢失。能写入信息,且断电后信息不会丢失。第3页,共50页,编辑于2022年,星期日 RAM、SAM和和ROM的的不不同同特特点点,使使得得它它们们有有了了不不同同的的应应用用领领域域。RAM常常用用于于需需要要经经常常随随机机修修改改存存储储单单元元内内容容的的场场合合,例例如如在在计计算算机机中中用用作作数数据据存存储储器器;SAM常常用用于于需需要要顺顺序序读读写写存存储储内内容容的的场场合合,例例如如在在CPU中中用用作作堆堆栈栈(Stack),以以保保存存程程序序断断点点和和寄寄存存器器内内容容;RO
4、M则则用用于于工工作作时时不不需需要要修修改改存存储储内内容容、断断电电后后不不能能丢丢失失信信息息的的场场合合,例例如如在在计计算算机机中中用用作程序存储器和常数表存储器。作程序存储器和常数表存储器。第4页,共50页,编辑于2022年,星期日 半半导导体体存存储储器器的的详详细细分分类类如如图图8.0所所示示。其其中中,固固定定ROM的的内内容容完完全全由由生生产产厂厂家家决决定定,用用户户无无法法通通过过编编程程更更改改其其内内容容;PROM为为用用户户可可一一次次性性编编程程的的可可编编程程只只读读存存储储器器(Programmable ROM);EPROM为为用用户户可可多多次次编编程
5、程的的可可(紫紫外外线线)擦擦除除可可编编程程只只读读 存存 储储 器器(Erasable PROM),也也 经经 常常 缩缩 写写 为为UVPROM(Ultraviolet Erasable PROM);E2PROM为为用用户户可可多多次次编编程程的的可可电电擦擦除除的的可可编编程程只只读读存存储储器器(Electrically Erasable PROM);Flash Memory为为兼兼有有EPROM和和E2PROM优优点点的的闪闪速速存存储储器器(简简称称闪闪存存),电电擦擦除除,可可编编程程,速速度度快快,编编程程速速度度比比EPROM快快1个个数数量量级级,比比E2PROM快快3个
6、数量级,个数量级,是近是近20年来年来ROM家族中的新品;家族中的新品;第5页,共50页,编辑于2022年,星期日FIFO 为为先先入入先先出出存存储储器器(First-In First-Out Memory),它它按按照照写写入入的的顺顺序序读读出出信信息息;FILO为为先先入入后后出出存存储储器器(First-In Last-Out Memory),它它按按照照写写入入的的逆逆序序读读出出信信息息;SRAM为为静静态态随随机机存存取取存存储储器器(Static RAM),以以双双稳稳态态触触发发器器存存储储信信息息;DRAM为为动动态态随随机机存存取取存存储储器器(Dynamic RAM)
7、,以以MOS管管栅栅、源源极极间间寄寄生生电电容容存存储储信信息息,因因电电容容器器存存在在放放电电现现象象,DRAM必必须须每每隔隔一一定定时时间间(1 ms2 ms)重重新新写写入入存存储储的的信信息息,这这个个过过程程称称为为刷刷新新(Refresh)。双极型电路无双极型电路无DRAM。第6页,共50页,编辑于2022年,星期日图图 8.0 半导体存储器的分类半导体存储器的分类固定固定ROM(不可编程不可编程)PROM(可一次性编程可一次性编程)只读存储器只读存储器ROMEPROM(可紫外线擦除可紫外线擦除,可多次编程可多次编程)半导体存储器半导体存储器顺序存取存储器顺序存取存储器SAM
8、随机存取存储器随机存取存储器RAME2PROM(可电擦除可电擦除,可多次编程可多次编程)Flash Memory(可电擦除可电擦除,可多次编程可多次编程)FILO(先入后出先入后出)FIFO(先入先出先入先出)SRAM(静态存储静态存储)DRAM(动态存储动态存储)第7页,共50页,编辑于2022年,星期日8.1 只读存储器只读存储器(ROM)只只读读存存储储器器(ROM)是是一一种种存存放放固固定定不不变变的的二二进进制制数数码码的的存存储储器器,在在正正常常工工作作时时,可可重重复复读读取取所所存存储储的的信信息息代代码码,而而不不能能改写存储的信息代码。改写存储的信息代码。8.1.1 只
9、读存储器只读存储器(ROM)框图框图 它它由由地地址址译译码码器器、存存储储矩矩阵阵、输输出出缓缓冲冲器器以以及及芯芯片片选选择择逻逻辑等组成。如图辑等组成。如图8.1.1所示。所示。第8页,共50页,编辑于2022年,星期日图图8.1.1 ROM的结构的结构 地地 址址译码器译码器存储存储矩阵矩阵NM输出输出缓冲缓冲器器地地址址线线12n12N12M12M字线字线数数据据线线位位线线芯片芯片选择选择片片选选线线第9页,共50页,编辑于2022年,星期日 图图中中地地址址线线经经地地址址译译码码器器译译码码输输出出可可指指定定存存储储矩矩阵阵(NM)中中N个个可可能能地地址址中中的的一一个个。
10、而而每每个个地地址址(字字)中中又又包包含含有有M位位,被地址线选中的被地址线选中的M位数据由输出缓冲器输出。位数据由输出缓冲器输出。n个地址输入线可得到个地址输入线可得到N(=2n)个可能的地址。个可能的地址。存存储储矩矩阵阵(NM)的的大大小小反反映映了了存存储储的的信信息息量量。其其中中N反反映映了了位位线线数数,所所以以对对于于存存储储器器的的存存储储容容量量是是指指存存储储器器中中总的存储单元总的存储单元(一位二进制数一位二进制数)的数量。的数量。第10页,共50页,编辑于2022年,星期日 8.1.2 掩膜掩膜ROM 掩掩膜膜ROM是是通通过过掩掩膜膜工工艺艺制制造造出出的的一一种
11、种固固定定ROM,用用户户无无法法改改变变内内部部所所存存储储的的信信息息,它它具具有有性性能能可可靠靠,大大批批量量生生产产时时成成本本低低等等优优点点。由由于于在在制制造造时时需需要要开开膜膜,且且费费用用可可观观,故故只只有有在在产产品品相相当当成成熟熟且批量很大或长期生产时才考虑使用。且批量很大或长期生产时才考虑使用。8.1.3 熔丝式熔丝式ROM(PROM)熔熔丝丝式式ROM是是由由用用户户用用专专用用的的写写入入器器将将信信息息写写入入。如如要要将将某某位位写写入入信信息息为为0,则则将将该该位位的的熔熔丝丝烧烧断断。如如要要将将某某位位写写入入信信息息为为1,则则将将该该位位的的
12、熔熔丝丝保保留留(不不烧烧断断)。由由于于熔熔丝丝烧烧断断后后不不可可恢恢复复,故故只只能能写写入入一一次次。它它在在制造时无需开膜,适合小批量生产时选用。制造时无需开膜,适合小批量生产时选用。第11页,共50页,编辑于2022年,星期日 8.1.4 电可编程电可编程ROM(EPROM)电电可可编编程程ROM是是由由用用户户用用专专用用的的写写入入器器将将信信息息写写入入器器件件的的。与与PROM不不同同的的是是,如如果果要要更更改改内内部部存存储储信信息息,只只需需将将此此器器件件置置于于紫紫外外线线下下(对对于于EPROM)或或用用电电擦擦除除(对对于于EEPROM),之之后后,用用户户又
13、又可可将将新新的的信信息息写写入入该该器器件件。这这种种器器件件使使用用较较方方便便,但但成成本本略略高高,适适合合小小批批量量生生产产时时选选用用。下下面简要介绍面简要介绍EPROM。第12页,共50页,编辑于2022年,星期日 1.EPROM的工作原理的工作原理 图图8.1.2为为EPROM内内部部某某位位存存储储单单元元的的结结构构图图。它它有有一一个个浮浮置置栅栅浮浮置置在在绝绝缘缘的的SiO2层层中中,与与四四周周绝绝缘缘,当当浮浮置置栅栅上上无无电电荷荷时时,在在控控制制栅栅上上加加一一较较低低开开启启电电压压,在在漏漏源源之之间间就就能能形形成成一一反反型型沟沟道道,使使管管子子
14、导导通通,这这时时对对应应的的信信息息为为1。当当浮浮置置栅栅上上有有一一定定量量的的电电荷荷时时,在在控控制制栅栅上上即即使使加加一一开开启启电电压压,在在漏漏源源之之间间也也无无法法形形成成一一导导电电沟沟道道,故故这这时时的的管管子子不不导导通通,对对应应的的信信息息为为0。由由此此可可看看出出,浮浮置置栅栅上上电电荷的有无反映了信息的荷的有无反映了信息的0或或1。第13页,共50页,编辑于2022年,星期日图图8.1.2 EPROM内部某位存储单元结构内部某位存储单元结构第14页,共50页,编辑于2022年,星期日 当当EPROM置置于于强强紫紫外外光光下下曝曝光光时时,产产生生的的光
15、光电电流流使使所所有有浮浮置置栅栅上上的的电电荷荷返返回回到到衬衬底底,电电荷荷被被清清除除,即即所所有有的的信信息息皆皆变变为为1(这这一一过过程程大大约约为为15min)。之之后后,又又可可将将新新信信息息写写入入。在在写写入入信信息息时时,若若要要使使某某位位信信息息为为0即即对对应应该该位位的的存存储储单单元元内内浮浮置置栅栅需需注注入电荷,可将该位对应的漏源极间加一定大小的高电压,入电荷,可将该位对应的漏源极间加一定大小的高电压,第15页,共50页,编辑于2022年,星期日 使使之之产产生生雪雪崩崩击击穿穿,产产生生的的热热电电子子穿穿过过薄薄氧氧化化层层,与与此此同同时时在在栅栅极
16、极上上加加一一定定大大小小的的电电压压,在在栅栅极极电电场场的的作作用用下下,热热电电子子被被注注入入至至浮浮置置栅栅上上,使使浮浮置置栅栅带带电电,也也就就完完成成了了写写入入信信息息0的的操操作作。要要使使某某位位信信息息为为1,由由于于原原先先EPROM内内部部所所有有存存储储单单元元对对应应的的信信息息皆皆为为1,故故对对该该位位无需操作。无需操作。第16页,共50页,编辑于2022年,星期日 2.EPROM的使用的使用 目目前前EPROM的的规规格格较较多多,常常用用的的有有2716(2K8位位),2732(4K8位位),2764(8K8位位)以以及及27128(16K8位位)等等等
17、等,它它们们的的工工作作电电压压皆皆为为+5V,但但它它们们的的编编程程电电压压不不一一定定相相同同(需需查查阅阅有有关关资资料料),芯芯片片表表面面的的透透明明石石英英玻玻璃璃窗窗专专供供芯芯片片作作擦擦除除操操作作时时紫紫外外线线照照射射用用。由由于于自自然然光光中中(特特别别是是在在太太阳阳光光直直射射下下)含含有有一一定定量量的的紫紫外外线线,在在一一定定时时间间的的作作用用下下(少少则则几几小时多则几天小时多则几天),可能会使芯片上部分或全部信息被擦除,可能会使芯片上部分或全部信息被擦除,第17页,共50页,编辑于2022年,星期日 所所以以在在信信息息写写入入后后,应应用用不不透透
18、光光纸纸将将石石英英玻玻璃璃窗窗覆覆盖盖,以以免免信信息息丢丢失失。另另外外需需注注意意,EPROM反反复复擦擦写写的的次次数数是是有有限限的的(一般器件保证十几次的正确使用一般器件保证十几次的正确使用)。3.EEPROM(E2PROM)近近年年来来研研制制出出一一种种称称为为EEPROM器器件件,它它具具有有在在线线电电改改写写,每每个个存存储储单单元元可可改改写写上上万万次次,在在各各个个领领域域被被广广泛泛应应用用,尤尤其适用于现场停电后数据仍需保持的场合。其适用于现场停电后数据仍需保持的场合。第18页,共50页,编辑于2022年,星期日 8.1.5 用用ROM电路实现组合逻辑函数电路实
19、现组合逻辑函数 参参照照组组合合逻逻辑辑函函数数框框图图及及ROM电电路路框框图图,ROM电电路路的的n根根地地址址线线可可看看作作组组合合逻逻辑辑函函数数的的n个个输输入入变变量量,而而M根根位位线线可可看看作作组组合合逻逻辑辑函函数数的的M个个输输出出变变量量,由由于于任任一一组组合合逻逻辑辑函函数数均均可可用用最最小小项项与与或或式式表表示示,而而ROM中中的的地地址址译译码码器器则则形形成成了了n个个输输入入变变量量的的所所有有最最小小项项,即即实实现现了了逻逻辑辑变变量量的的“与与运运算算”,ROM中中的的存存储储矩矩阵阵则则实实现现了了最最小小项项的的“或或运运算算”。所所以以只只
20、要要将将该该函函数数最最小小项项表表达达式式中中最最小小项项值值(1、0)写写入入ROM中中的的存存储储矩矩阵阵,便便实实现现了了该该组组合合逻逻辑辑函函数数。于于是是,我我们们可可用用ROM电电路路实实现现代代码转换、函数运算、字符发生等函数。码转换、函数运算、字符发生等函数。第19页,共50页,编辑于2022年,星期日 8.1.6 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)及其应用及其应用 1.PLA的结构的结构 可可编编程程只只读读存存储储器器(PROM)实实际际上上由由“与与阵阵列列”和和“或或阵阵列列”构构成成,而而其其中中“与与阵阵列列”是是固固定定的的,“或或阵阵列列”是是可可编编程
21、程的的。如如果果“与与阵阵列列”也也可可由由用用户户自自己己按按需需要要编编程程,那那么么,这这种种“与与阵阵列列”和和“或或阵阵列列”均均可可编编程程的的电电路路称称为为可可编编程程逻逻辑辑阵阵列列,简简称称PLA。如如果果用用这这种种器器件件实实现现逻逻辑辑函函数数,可可用用逻逻辑辑函函数数的的最最简简“与或与或”表达式来对表达式来对PLA编程。编程。第20页,共50页,编辑于2022年,星期日 由由此此可可知知,PLA在在实实现现逻逻辑辑函函数数方方面面,芯芯片片面面积积大大大大小小于于要要实实现现相相同同逻逻辑辑函函数数所所用用ROM的的芯芯片片面面积积。图图8.1.3为为PLATMS
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