《半导体存储器》PPT课件.pptx

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1、第第6 6章章 半导体存储器半导体存储器 本章要点本章要点 本章主要介绍静态随本章主要介绍静态随机存储器与动态随机存储机存储器与动态随机存储器的电路结构特点和工作器的电路结构特点和工作原理，并且概括地介绍了原理，并且概括地介绍了只读存储器的结构特点和只读存储器的结构特点和只读存储器的类型。重点只读存储器的类型。重点介绍存储器的扩展方法。介绍存储器的扩展方法。动态动态MOS存储单元存储单元 6.1 6.1 概述概述 半导体存储器半导体存储器：用于储存大量二进制数据的半导：用于储存大量二进制数据的半导体器件，它是由存储单元矩阵构成。体器件，它是由存储单元矩阵构成。位（位（bit）：二进制中的一个数

2、码，它是半导体存储器中存）：二进制中的一个数码，它是半导体存储器中存储数据的最小单位。储数据的最小单位。字节（字节（Byte）：）：8位（位（bit）二进制数。）二进制数。半字节（半字节（nibble）：一个字节分为两组，）：一个字节分为两组，4位为半个字节位为半个字节 字（字（word）：一个完整的信息单位，通常一个）：一个完整的信息单位，通常一个字包含一个或多个字节字包含一个或多个字节。半导体存储器由存储单元矩阵构成，每个存储单半导体存储器由存储单元矩阵构成，每个存储单元中要么是元中要么是0，要么是，要么是1，每个矩阵单元可以通过行和，每个矩阵单元可以通过行和列的位置来确定列的位置来确定，

3、存储单元矩阵可以有几种不同的构存储单元矩阵可以有几种不同的构成形式成形式。32个存储单元的半导体存储器个存储单元的半导体存储器半导体存储器的重要指标：半导体存储器的重要指标：1 1存储容量存储容量 指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址寄存器（寄存器（MAR，Memory Address Register）的编址数与存）的编址数与存储字位数的乘积表示，储字位数的乘积表示，M位地址总线、位地址总线、N位数据总线的半导体位数据总线的半导体存储器芯片的存储容量为存储器芯片的存储容量为2MN位。位。如，某存储器芯片的如，某存储器芯片的MAR

4、为为16位，存储字长为位，存储字长为8位，则其存位，则其存储容量为储容量为2168位位=64K8位，位，64K即即16位的编址数。位的编址数。2 2存储速度存储速度 存储器的存储速度可以用两个时间参数表示存储器的存储速度可以用两个时间参数表示：“存取时间存取时间”(Access Time)TA 和和“存储周期存储周期”(Memory Cycle)TMC，存储周期存储周期TMC略大于存取时间略大于存取时间TA。启动一次存储器操启动一次存储器操作，到完成该操作作，到完成该操作所经历的时间所经历的时间 起动两次独立的存储起动两次独立的存储器操作之间所需的最器操作之间所需的最小时间间隔小时间间隔 随机

5、存储器随机存储器 随机存取存储器也称随机存储器或随机读随机存取存储器也称随机存储器或随机读/写存储器写存储器（RANDOM-ACCESS MEMORY），简称），简称RAM。RAM工作工作时可以随时从任何一个指定的地址写入时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入存入)或读出或读出(取出取出)信息信息,分为静态随机存取存储器分为静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器和动态随机存取存储器(DRAM)。（1 1）SRAM SRAM（STATIC RANDOM-ACCESS MEMORY STATIC RANDOM-ACCESS MEMORY）MOS管组成的单极型管组成的单极型SRAM是由

6、是由6个个MOS管组成的双稳态管组成的双稳态触发电路。触发电路。SRAM的特点是只要电源不撤除，写入的特点是只要电源不撤除，写入SRAM的信的信息将不会消失，不需要刷新电路。同时再读出时不破坏原存信息将不会消失，不需要刷新电路。同时再读出时不破坏原存信息，一经写入可多次读出。息，一经写入可多次读出。SRAM的功耗较大，容量较小，存的功耗较大，容量较小，存取速度较快。取速度较快。（2 2）DRAMDRAM（Dynamic RANDOM-ACCESS MEMORYDynamic RANDOM-ACCESS MEMORY）DRAM是利用是利用MOS管的栅极对其衬底间的分布电容来保管的栅极对其衬底间的

7、分布电容来保存信息，以储存电荷的多少，即电容端电压的高低来表示存信息，以储存电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和和“0”。DRAM的每个存储单元所需的的每个存储单元所需的MOS管较少，可以由管较少，可以由4管、管、3管和单管管和单管MOS组成，因此组成，因此DRAM的集成度较高、功耗也的集成度较高、功耗也低。但缺点是保存在低。但缺点是保存在DRAM中的信息中的信息MOS管栅极分布电容管栅极分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，一般信息保存时间上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，一般信息保存时间为为2ms左右。为了保存左右。为了保存DRAM中的信息，每隔中的信息，每隔12ms要

8、对其刷要对其刷新一次，因此采用新一次，因此采用DRAM的计算机必须配置刷新电路。另外，的计算机必须配置刷新电路。另外，DRAM的存取速度较慢，容量较大。一般微机系统中的内存都的存取速度较慢，容量较大。一般微机系统中的内存都采用采用DRAM。6.2.1 6.2.1 静态随机存储器静态随机存储器 1 1电路结构电路结构 SRAM主要由存储矩阵、地址译码器和读主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分写控制电路三部分组成。组成。SRAM结构示意图结构示意图 存储矩阵由许多存储单元排列组成，每个存储单元能存储矩阵由许多存储单元排列组成，每个存储单元能存放一位二值信息存放一位二值信息(0或或1)，

9、在译码器和读，在译码器和读/写电路的控制写电路的控制下，进行读下，进行读/写操作。写操作。说明：说明：地址译码器一般都分成行地址译码器和列地址译码器地址译码器一般都分成行地址译码器和列地址译码器两部分，行地址译码器将输入地址代码的若干位两部分，行地址译码器将输入地址代码的若干位A0Ai译译成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址代码的其余若干位列地址译码器将输入地址代码的其余若干位(Ai+1An-1)译译成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再选一位选一位(或或

10、n位位)，使这些被选中的单元与读，使这些被选中的单元与读/写电路和写电路和I/O(输入输入/输出端输出端)接通，以便对这些单元进行读接通，以便对这些单元进行读/写操作。写操作。读读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。CS称称为片选信号，当为片选信号，当CS=0时，时，RAM工作；工作；CS=1时，所有时，所有 I/O端均为高阻状态，不能对端均为高阻状态，不能对RAM进行读进行读/写操作。写操作。R/W称为称为读读/写控制信号。写控制信号。R/W=1 时，执行读操作，将存储单元中时，执行读操作，将存储单元中的信息送到的信息送到I/O端上；当端上；当R

11、/W=0时，执行写操作，加到时，执行写操作，加到I/O端上的数据被写入存储单元中。端上的数据被写入存储单元中。2 2SRAMSRAM的静态存储单元的静态存储单元六管六管NMOS存储单元存储单元说明：说明：V1V4管：构成基本管：构成基本RS触发器，触发器，用于存储数据；用于存储数据；V5、V6管：行选通管，受行选线管：行选通管，受行选线X控制。控制。X=0时，两个管子截止；时，两个管子截止；X=1时，两个管子导通，存储的数时，两个管子导通，存储的数据送到位线上；据送到位线上；V7、V8管：列选通管，受管：列选通管，受列选线列选线Y控制，控制，列选线列选线Y为高为高电平时，位线上的信息被分别电平

12、时，位线上的信息被分别送至输入输出线，从而使位线送至输入输出线，从而使位线上的信息同外部数据线相通上的信息同外部数据线相通。工作原理：工作原理：读出操作读出操作:当行选线当行选线X和列选线和列选线Y同时同时为为“1”，则存储信息，则存储信息Q和和Q被被读到读到I/O线和线和I/O线上。线上。写入信息操作写入信息操作 当当X、Y线为线为“1”时，将要写入的信息加在时，将要写入的信息加在I/O线上，线上，经反相后经反相后I/O线上有其相反的信息。信息经线上有其相反的信息。信息经V7、V8 和和V5、V6加到触发器的加到触发器的Q端和端和Q端，也就是加在了端，也就是加在了V3和和V1的栅极，的栅极，

13、从而使触发器触发，即信息被写入。从而使触发器触发，即信息被写入。由于由于CMOS电路具有微功耗的特点，目前大容量的静态电路具有微功耗的特点，目前大容量的静态RAM中几乎都采用中几乎都采用CMOS存储单元存储单元。六管六管CMOS存储单元存储单元P沟道增沟道增强型强型SRAM芯片芯片HM6116简介简介 HM6116是一种是一种20488位（位（2K8）的高速静态）的高速静态CMOS随机存取存储器，随机存取存储器，完全静态完全静态无需时钟脉冲与定时选通脉冲。无需时钟脉冲与定时选通脉冲。高速度：存取时间为高速度：存取时间为100ns120ns150ns200ns(分别以分别以611610，6116

14、12，6116115，611620为标志为标志)；低功耗低功耗运行时为运行时为150mW，空载时为，空载时为100mW；与与TTL兼容；兼容；管脚引出与标准的管脚引出与标准的2K8的芯片的芯片(例如例如2716芯片芯片)兼容；兼容；其特点为其特点为管脚图管脚图6.2.2 6.2.2 动态随机存储器动态随机存储器 动态随机存储器（动态随机存储器（Dynamic RAM），简称动态），简称动态RAM或或DRAM。动态。动态RAM的存储矩阵由动态的存储矩阵由动态MOS存储单元组成，是利存储单元组成，是利用用MOS管的栅极电容来存储信息的。管的栅极电容来存储信息的。动态动态MOS存储单元有四存储单元有

15、四管电路、三管电路和单管电路管电路、三管电路和单管电路等。四管和三管电路比单管电等。四管和三管电路比单管电路复杂，但外围电路简单，一路复杂，但外围电路简单，一般容量在般容量在 4 K以下的以下的RAM多采多采用四管或三管电路。用四管或三管电路。1.1.四管动态四管动态MOSMOS存存储单元电路储单元电路 四管动态四管动态MOS存储单元电路存储单元电路 构成：构成：V1和和V2为两个为两个N沟道增强型沟道增强型MOS管，它们的栅极和漏极交管，它们的栅极和漏极交叉相连，信息以电荷的形式储叉相连，信息以电荷的形式储存在电容存在电容C1和和C2上；上；V5、V6 是同一列中各单元公用是同一列中各单元公

16、用的预充管，的预充管，是脉冲宽度为是脉冲宽度为 1s而而周期一般不大于周期一般不大于2ms的预充电脉冲，的预充电脉冲，CO1、CO2是位线上的分布电容，是位线上的分布电容，其容量比其容量比C1、C2大得多；大得多；V7、V8管：列选通管，受列选线管：列选通管，受列选线Y控制。控制。V3、V4管：行选通管，管：行选通管，受行受行选线选线X控制控制；工作原理：工作原理：读出数据：读出数据：读数读数据前据前加预加预充脉充脉冲冲V5和和V6导通导通分布电容分布电容CO1、CO2充充电到电到VDD消失消失V5和和V6截止截止CO1、CO2电荷保持电荷保持读读“0”使使D=0D=1C1有电荷，有电荷，C2

17、无电荷无电荷X=1，Y=1选中某存选中某存储单元储单元V1导通导通V2截止截止V3、V4、V7、V8导通导通CO1放电到放电到“0”，CO2为为C1充充电电若若Q=0Q=1读读“0”使使D=1D=0C1无电荷，无电荷，C2有电荷有电荷X=1，Y=1选中某存选中某存储单元储单元V1截止截止V2导通导通V3、V4、V7、V8导通导通CO2放电到放电到“0”，CO1为为C2充充电电若若Q=1Q=0写写入入“0”X=1，Y=1 选中某存选中某存储单元储单元V3、V4、V7、V8导通导通若若D=0D=1C1充电充电C2放电放电使使Q=0Q=1写写入入“1”X=1，Y=1 选中某存选中某存储单元储单元V3

18、、V4、V7、V8导通导通若若D=1D=0C1放电放电C2充电充电使使Q=1Q=0注意：由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝注意：由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等于对等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把息的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把这种操作称为这种操作称为“刷新刷新”或或“再生再生”，因此，因此DRAM内部要内部要有刷新控制电路，其操作也比静态有刷新控制电路，其操作也比静态RAM复杂。复杂。2.2.单管动态单管动态MOSMOS存储单元电路存储单元电路 由一个由

19、一个NMOS管和存储电容器管和存储电容器CS构成构成,CO是位线上是位线上的分布电容的分布电容(COCS)。显然，采用单管存储单元的显然，采用单管存储单元的DRAM，其容量可以做得更大。，其容量可以做得更大。单管动态单管动态MOS存储单元存储单元构成：构成：读出信息时也使字线为高电平，读出信息时也使字线为高电平，V管导通，管导通，这时这时CS经经V向向CO充电，使位线获得读出的信息。设位线上原来的电位充电，使位线获得读出的信息。设位线上原来的电位UO=0，CS原来存有正电荷，电压原来存有正电荷，电压US为高电平，因读出前后电荷总量相等，有，为高电平，因读出前后电荷总量相等，有，由于由于DRAM

20、存储单元的结构能做得非常简单，所用元件少，存储单元的结构能做得非常简单，所用元件少，功耗低，所以目前已成为大容量功耗低，所以目前已成为大容量RAM的主流产品。其中单管为的主流产品。其中单管为首选首选。写入信息时，字线为高电平，写入信息时，字线为高电平，V导通，位线导通，位线D上的数据经过上的数据经过V存入存入CS。工作原理：工作原理：由于由于COCS，所以，所以UOUS。例如读出前。例如读出前US=5V,CS/CO=1/50，则位线上，则位线上读出的电压将仅有读出的电压将仅有，而且读出后而且读出后CS上的电压也只剩下上的电压也只剩下，故每次读出后，要，故每次读出后，要对该单元补充电荷进行刷新，

21、同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信号加对该单元补充电荷进行刷新，同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信号加以放大。以放大。USCS=UO(CS+CO)SRAMSRAM和和DRAMDRAM的区别：的区别：SRAM的特点是工作速度快，只要电源不撤除，写入的特点是工作速度快，只要电源不撤除，写入SRAM的信息就不会消失，不需要刷新电路，同时在读出时不破坏原的信息就不会消失，不需要刷新电路，同时在读出时不破坏原来存放的信息，一经写入可多次读出，但集成度较低，功耗较来存放的信息，一经写入可多次读出，但集成度较低，功耗较大。大。SRAM一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器一般用来作为计算机中的高速缓冲存储

22、器(Cache)。DRAM的每个存储单元所需的场效应管较少，集成度的每个存储单元所需的场效应管较少，集成度较高，功耗也较低，但缺点是保存在较高，功耗也较低，但缺点是保存在DRAM中的信息中的信息-场效场效应管栅极分布电容里的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，应管栅极分布电容里的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为一般信息保存时间为2ms左右。为了保存左右。为了保存DRAM中的信息，中的信息，必须每隔必须每隔12ms对其刷新一次。因此，采用对其刷新一次。因此，采用 DRAM的计算的计算机必须配置动态刷新电路，防止信息丢失。机必须配置动态刷新电路，防止信息丢失。DRAM一般用作一般

23、用作计算机中的主存储器。计算机中的主存储器。6.3 6.3 只读存储器只读存储器 ROM ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，而且断电后数速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。据也不会丢失。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。分分类类可编程只读存储器（可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）可擦可编程序只读存储器（可擦可编程序只读存储器（Erasable Programmable Read Onl

24、y Memory，EPROM）电可擦可编程只读存储器（电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）快闪存储器（快闪存储器（Flash memory）掩模只读存储器（掩模只读存储器（mask Read-Only Memory，ROM）一次可编程序只读存储器（一次可编程序只读存储器（One Time Programmable Read Only Memory，OPTROM）1 1、掩模、掩模ROM ROM 是一种只能读取资料的内存。在制造过程中，以特殊掩膜是一种只能读取资料的内存。在制造过程中，以特殊

25、掩膜技术将数据烧录于线路中，数据在写入后就不能更改。此存储技术将数据烧录于线路中，数据在写入后就不能更改。此存储器的制造成本较低，常用于批量大的数据固定的产品。器的制造成本较低，常用于批量大的数据固定的产品。2 2、PROMPROM PROM的内部有矩阵式排列的熔丝，视需要利用电流将其烧的内部有矩阵式排列的熔丝，视需要利用电流将其烧断，写入所需的数据，但仅能写入一次。断，写入所需的数据，但仅能写入一次。3 3、EPROM EPROM EPROM可利用高电压将数据编程写入，擦除时将线可利用高电压将数据编程写入，擦除时将线路曝光于紫外线下，则数据可被清空，并且可重复使用。路曝光于紫外线下，则数据可

26、被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。4 4、OTPROM OTPROM 一次编程只读存储器一次编程只读存储器OPTROM的写入原理同的写入原理同EPROM，但，但是为了节省成本，编程写入之后就不再擦除，因此不设置透明是为了节省成本，编程写入之后就不再擦除，因此不设置透明窗。窗。5 5、EEPROMEEPROM 电子式可擦除可编程只读存储器电子式可擦除可编程只读存储器EEPROM的工作原理类似的工作原理类似EPROM，但是擦除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透，但是擦除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明

27、窗。明窗。6 6、快闪存储器、快闪存储器 快闪存储器（快闪存储器（Flash memory）的每一个记忆单元）的每一个记忆单元都具有一个都具有一个“控制闸控制闸”与与“浮动闸浮动闸”，利用高电场改，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程操作。变浮动闸的临限电压即可进行编程操作。ROM组成：与组成：与RAM相似，没有读相似，没有读/写电路，因为它写电路，因为它只读不能写。只读不能写。ROM组成框图组成框图 ROM电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分。缓冲器三个部分。a.a.存储矩阵存储矩阵 存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元可存储

28、矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元可以是二极管、双极型三极管或以是二极管、双极型三极管或MOSMOS管，每个单元能存放管，每个单元能存放1 1位二值代码（位二值代码（0 0或或1)1)，而每一个或一组存储单元有一个，而每一个或一组存储单元有一个相应的地址代码。相应的地址代码。168的的ROM矩阵矩阵 字线字线168的的ROM矩阵矩阵 存储存储单元单元位线位线存储的数据为存储的数据为1 存储的数据为存储的数据为1 字线字线位线位线二极管二极管ROM 点阵图点阵图 存储器的扩展存储器的扩展 当使用一片当使用一片ROM或或RAM器件不能满足对存储容量的需求器件不能满足对存储容量的需求时，则需要将

29、若干片时，则需要将若干片ROM或或RAM组合起来，构成更大容量的组合起来，构成更大容量的存储器。存储容量的扩展方式有：位扩展方式、字扩展方式及存储器。存储容量的扩展方式有：位扩展方式、字扩展方式及复合扩展。复合扩展。6.4.1 6.4.1 位扩展位扩展 通常通常RAM芯片的字长多设计成芯片的字长多设计成1位、位、4位、位、8位等，当实位等，当实际的存储器系统的字长超过际的存储器系统的字长超过RAM芯片的字长时，需要对芯片的字长时，需要对RAM实行位扩展。实行位扩展。位扩展可以利用芯片的并联方式实现，位扩展可以利用芯片的并联方式实现，即将即将RAM的地址线、的地址线、R/W线和片选信线和片选信号

30、线对应地并接在一起，而各个片子的号线对应地并接在一起，而各个片子的输入输入/输出（输出（I/O）作为字的各个位线）作为字的各个位线 所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（10248）/（10244）=2片，地址总片，地址总线为线为10根，数据总线为根，数据总线为8根。根。【1】把把10244的的RAM扩展为扩展为10248的的 RAM。解：解：连线图连线图【2】把把10241的的RAM芯片扩展成芯片扩展成10248的的RAM。解：解：所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（10248）/（10241）=8片，地址总片，地址总线为线为10根，数据总线为根，数据总线为8根根。连线图连线图 6.4.2 6

31、.4.2 字扩展字扩展 若每一片存储器若每一片存储器(ROM或或RAM）的数据位数够而字数不够）的数据位数够而字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到字数更多的存储器，字数更多的存储器，字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现。的片选输入端来实现。【例例3】将将1K4的的RAM芯片扩展为芯片扩展为2K4的存储器系统。的存储器系统。所需的芯片数量为所需的芯片数量为（2K4）/（1K4）=2片，片，地址总线为地址总线为11根，数据总线根，数据总线为为4根。根。解：解：连线图

32、连线图 第一片的存储容量为第一片的存储容量为1K4，地址范围是地址范围是A10A9 A8 A7A0十六进制十六进制00 0 00000000000H01 1 111111113FFH第二片的存储容量为第二片的存储容量为1K4，地址范围是地址范围是A10A9 A8 A7A0十六进制十六进制10 0 00000000400H11 1 111111117FFH【例例4】用用2568位的位的RAM接成一个接成一个10248位位解：解：所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（1K8）/（2568）=4片，地址总线片，地址总线为为10根，数据总线为根，数据总线为8根。根。连线图连线图 6.4.3 6.4.3

33、复合扩展复合扩展 如果一片如果一片RAM或或ROM的位数和字数都不够，就需要同时采的位数和字数都不够，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片组成一个大的存储器系统，以用位扩展和字扩展方法，用多片组成一个大的存储器系统，以满足对存储容量的要求。满足对存储容量的要求。【例例5】将将1K4的的RAM扩展为扩展为4K8的存储器系统。的存储器系统。所需的芯片数量为（所需的芯片数量为（4K8）/（1K4）=8片，地址总线片，地址总线为为12根，数据总线为根，数据总线为8根。根。解：解：连线图连线图 本章小结本章小结 本章简要说明了半导体存储器的结本章简要说明了半导体存储器的结构、种类以及工作原理，通过例题构、种类以及工作原理，通过例题说明存储器扩展的方法。说明存储器扩展的方法。作作 业业 6-1 6-2 6-4 6-5 6-6