第七章半导体存储器(精品).ppt

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1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述概述7.2 只读存储器只读存储器(ROM)ROM的应用：实现组合逻辑函数的应用：实现组合逻辑函数7.3 随机存储器随机存储器(RAM)7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 本本 章章 小小 结结1山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉 第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述概述半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件，半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件，它是数字系统不可缺少的组成部分。它是数字系统不可缺少的组成部分。通常把通常把存储量存储量和和存取速度存取速度作为衡量存储器性

2、能的指标。作为衡量存储器性能的指标。半导体存储器的存储单元数目庞大，每个单元不可能直接半导体存储器的存储单元数目庞大，每个单元不可能直接引出输入输出端，而是给每个存储单元编一个地址，通过地引出输入输出端，而是给每个存储单元编一个地址，通过地址来对指定存储单元进行读写址来对指定存储单元进行读写(即输出和输入数据即输出和输入数据)。半导体存储器种类较多，从存取功能上可分为半导体存储器种类较多，从存取功能上可分为只读存储器只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)和和随机存储器随机存储器(RAM，RandomAccessMemory)两大类。两大类。2山东大学威海分校信息工程学院山东大学威

3、海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉半导体存储器的分类与作用：半导体存储器的分类与作用：ROM：RAM：在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速地随在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据，时修改或重新写入数据，用于存放永久性的、不变的数据。用于存放永久性的、不变的数据。在正常工作状态下可以随时向存储器里写入数据或从在正常工作状态下可以随时向存储器里写入数据或从中中读读出出数数据据，用用于于存存放放一一些些临临时时性性的的数数据据或或中中间间结结果果，需需要经常改变存储内容。要经常改变存储内容。ROM分分为为掩掩膜膜ROM、可可编编程程ROM(PROM)、可可擦擦可可编

4、编程程ROM(EPROM)、电电擦擦除除可可编编程程ROM(E2PROM)、快快闪闪存储器存储器(FlashMemory)等。等。随随机机存存取取存存储储器器又又可可分分为为静静态态RAM(SRAM)和和动动态态RAM(DRAM)。3山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉半导体存储器的分类如图所示半导体存储器的分类如图所示只读存储器虽可分这么多种类，但它们在总体结构、系只读存储器虽可分这么多种类，但它们在总体结构、系统工作原理和使用方法上基本相同，因此只介绍其中一种的统工作原理和使用方法上基本相同，因此只介绍其中一种的工作原理。工作原理。4山东大学威海分校信息工

5、程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.2 只读存储器只读存储器(ROM)7.2.1掩模掩模ROM 其其中中存存储储的的数数据据是是在在制制作作过过程程中中使使用用掩掩模模板板确确定定的的，这这种种掩掩膜膜板板是是按按照照用用户户的的要要求求专专门门设设计计的的，因因此此，掩掩模模ROM在在出出厂时内部存储的数据已经固定下来了。厂时内部存储的数据已经固定下来了。ROM组成：组成：地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出缓冲电路输出缓冲电路5山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉n位地址码位地址码对应对应2n个地址个地址m位输出位输出存存储储矩矩阵阵中

6、中包包含含了了大大量量的的存存储储单单元元，每每一一个个或或一一组组存存储储单单元元被编为一个地址；被编为一个地址；地地址址译译码码器器负负责责把把输输入入的的地地址址代代码码译译成成相相应应的的控控制制信信号号，利利用用该该控控制制信信号号从从存存储储矩矩阵阵中中把把指指定定的的单单元元选选出出，将将其其中中的的数数据送给输出缓冲器。据送给输出缓冲器。输出缓冲器输出缓冲器有两个作用：有两个作用：一是提高存储器的带负一是提高存储器的带负载能力；二是实现对输载能力；二是实现对输出状态的三态控制，以出状态的三态控制，以便和系统总线联接。便和系统总线联接。字字线线位线位线例如，一个例如，一个n位地址

7、输入，位地址输入，m位数据输出的位数据输出的ROM结构结构6山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉地地址址译译码码器器有有n位位地地址址输输入入端端，有有2n个个输输出出地地址址信信息息，每每个个输输出出信信息息对对应应一一个个存存储储单单元元，而而每每个个单单元元存存放放一一个个字字，共共有有2n个字（个字（W0、W1、W2n-1称为称为字线字线）；）；每个字有每个字有m位，对应从位，对应从D0、D1、Dm-1输出，称为输出，称为位线位线；每每个个字字线线与与位位线线的的交交叉叉点点都都是是一一个个存存储储单单元元，交交叉叉点点的的数数目也就是存储单元的数目；

8、目也就是存储单元的数目；存储器的容量存储器的容量是是2nm(字线字线位线位线)。ROM中的存储体可以由二极管、三极管和中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。管来实现。7山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉二极管二极管ROM的电路实现的电路实现字的读出方法字的读出方法 在在对对应应的的存存储储单单元元内内存存入入的的是是1 1还还是是0 0，是是由由接接入入或或不不接接入入相相应应的的二二极极管管来来决定的。决定的。二极管二极管与门构与门构成的成的与与阵列阵列二极管二极管或门构或门构成的成的或或阵列阵列8山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息

9、工程学院 邹晓玉邹晓玉存存储储矩矩阵阵为了便于表达和设计，通常简化为下图所示。为了便于表达和设计，通常简化为下图所示。44ROM阵列图阵列图 有存储单元有存储单元地址译码器地址译码器A1A0A0A1W0W1W2W3W3=A1A0W0=A1A0W1=A1A0W2=A1A0D3=W1+W3D1=W1+W3D2=W0+W2+W3D0=W0+W19山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉掩膜掩膜ROM电路结构简单、集成度高、工作可靠、成批电路结构简单、集成度高、工作可靠、成批生产时价格又很低，所以非常适合于用来存储那些固定不生产时价格又很低，所以非常适合于用来存储那些固定

10、不变的信息，例如数学和物理学中的各种常数、固定的函数变的信息，例如数学和物理学中的各种常数、固定的函数表、字符的点阵代码等等。表、字符的点阵代码等等。在开发数字系统过程中，经常要按照设计者的意图得在开发数字系统过程中，经常要按照设计者的意图得到所需内容的到所需内容的ROM，这就用到可编程，这就用到可编程ROM，即，即PROM。ProgrammableReadOnlyMemory10山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉编编程程工工具具，将将某某些些存存储储单单元元上上的的熔熔丝丝用用大大电电流流烧烧断断，该该单单元元存储的内容就变为存储的内容就变为0，此过程称为

11、编程；，此过程称为编程；7.2.2可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM）PROM的可编程存储单元的可编程存储单元在在编编程程前前，存存储储矩矩阵阵中中的的全全部部存存储储单单元元的的熔熔丝丝都都是是连连通通的的，即每个单元存储的都是即每个单元存储的都是1；用户可根据需要，借助一定的用户可根据需要，借助一定的熔熔丝丝烧烧断断后后不不能能再再接接上上，故故PROM只只能能进进行行一一次次编编程程，数据一经写入，就不能修改。数据一经写入，就不能修改。因此，因此，PROM不能满足研发过程中经常修改的需要，这不能满足研发过程中经常修改的需要，这就要求有一种可以擦除重写的就要求有一种可以擦除重写的

12、ROM。11山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.2.3可擦可编程可擦可编程ROM一、一、EPROM(ErasableProgrammableROM)最早出现的是用紫外线照射擦除的最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM，虽具备了可，虽具备了可擦除重写的功能，但擦除操作复杂，擦除速度很慢。擦除重写的功能，但擦除操作复杂，擦除速度很慢。擦除原理擦除原理作为了解内容自学。作为了解内容自学。二、二、E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)电擦除可编程电擦除可编程ROM改用电信号擦除，擦除和写入时需要改用电信号擦除，擦除

13、和写入时需要加高电压脉冲，并且擦、写的时间都较长，所以在系统的正加高电压脉冲，并且擦、写的时间都较长，所以在系统的正常工作状态下，仍然只能工作在读出状态。常工作状态下，仍然只能工作在读出状态。12山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉快闪存储器简称闪存，是一种快闪存储器简称闪存，是一种电子式可清除程序化只读存电子式可清除程序化只读存储器储器的形式，允许在操作中被多次擦或写。的形式，允许在操作中被多次擦或写。它是一种不需要电力就能保存资料的可重写的记忆体。市它是一种不需要电力就能保存资料的可重写的记忆体。市面上的面上的储存卡储存卡,U盘盘;、MP3播放器、播放器、

14、数码照相机数码照相机;和部分手和部分手机都是使用闪存机都是使用闪存。三、快闪存储器三、快闪存储器(FlashMemory)快闪存储器既吸收了快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，结构简单、编程可靠的优点，又保留了又保留了E2PROM擦除的快捷特性，集成度可以作得很高。擦除的快捷特性，集成度可以作得很高。普通普通E2PROM只允许单线程重写数据，闪存允许多线程重只允许单线程重写数据，闪存允许多线程重写写(同时在多个点重写数据同时在多个点重写数据)，所以闪存比普通，所以闪存比普通E2PROM快。快。13山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.2.4

15、ROM的应用：实现组合逻辑函数的应用：实现组合逻辑函数从从ROM的阵列图不难发现，若将输入地址视为一组输入的阵列图不难发现，若将输入地址视为一组输入逻逻辑辑变变量量，那那么么每每个个数数据据输输出出端端都都将将给给出出一一个个输输入入逻逻辑辑变变量量的的组组合合逻逻辑辑函函数数。正正如如前前面面讲讲过过的的44位位ROM的的例例子子，若若把把A1和和A0看看作作输输入入变变量量，则则D3、D2、D1、D0便便是是A1和和A0的的四四个个组合逻辑函数。组合逻辑函数。由由此此可可得得出出结结论论：在在具具有有n位位地地址址输输入入的的ROM中中，若若以以地地址址输输入入为为逻逻辑辑变变量量的的输输

16、入入端端，以以数数据据输输出出为为逻逻辑辑函函数数的的输输出出端端，则则只只需需向向ROM中中写写入入适适当当的的数数据据，就就能能产产生生任任何一种何一种n变量组合逻辑函数。变量组合逻辑函数。14山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉例：试用例：试用ROM产生下列一组组合逻辑函数产生下列一组组合逻辑函数解：首先将组合逻辑函数展开成最小项之和形式：解：首先将组合逻辑函数展开成最小项之和形式：ROM中每根字线就是一个最小项的译码输出中每根字线就是一个最小项的译码输出(Wi=mi)，该组，该组逻辑函数有四个输入量四个输出量，所以应选逻辑函数有四个输入量四个输出量，所

17、以应选164的的ROM。15山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉164的的ROM，即即有有四四位位地地址址和四位输出的和四位输出的ROM。以以它它的的地地址址端端A3、A2、A1和和A0作作为为输输入入逻逻辑辑变变量量A、B、C、D的的输输入入端端，以以它它的的数数据据输输出出端端D3、D2、D1、D0作作为为逻逻辑辑函函数数Y3、Y2、Y1、Y0的的输输出端。出端。根根据据组组合合逻逻辑辑的的最最小小项项表表达达式式列列出出真真值值表表，也也就就是是ROM的数据表，的数据表，见右图：见右图：16山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉

18、邹晓玉根据数据表画出点阵图如图所示。根据数据表画出点阵图如图所示。17山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.3 随机存储器随机存储器(RAM)随机存取存储器又叫随机读随机存取存储器又叫随机读/写存储器，简称写存储器，简称RAM，指的是可以从任意选定的单元读出数据，或将数据写入任指的是可以从任意选定的单元读出数据，或将数据写入任意选定的存储单元。意选定的存储单元。优点：读写方便，使用灵活。优点：读写方便，使用灵活。缺点：掉电丢失信息。缺点：掉电丢失信息。分类：分类：SRAM（静态随机存取存储器）静态随机存取存储器）DRAM（动态随机存取存储器）动态随机存取存储

19、器）18山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.3.1静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)SRAM通常包括：通常包括：存储矩阵存储矩阵地址译码器地址译码器读读/写控制电路写控制电路地址译码一般分为地址译码一般分为行地行地址译码器址译码器和列地址译码和列地址译码器两部分。器两部分。1.SRAM结构框图如右图所示：结构框图如右图所示：读读/写控制电路用于控制电路的工作状态。写控制电路用于控制电路的工作状态。CS为低电平有效为低电平有效的片选控制端；的片选控制端；R/W为读为读/写控制端。写控制端。19山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹

20、晓玉邹晓玉2.RAM的读写原理的读写原理当当CS=时，时，RAM被选中工作。被选中工作。若若A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000表示选中列地址为表示选中列地址为A11A10A9A8=0000、行、行地址为地址为A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存储单元。的存储单元。此时只有此时只有X0和和Y0为为有效，则选中第一个信有效，则选中第一个信息单元的息单元的k个存储单元，个存储单元，对这对这k个存储单元进行个存储单元进行读出或写入。读出或写入。20山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉若此时若此时R/W=0时

21、，进行时，进行写写入数据操作。入数据操作。当当CS=1时，不能对时，不能对RAM进行读写操作，所有端均为进行读写操作，所有端均为高阻高阻态态，将存储器电路与外部连，将存储器电路与外部连若若此此时时R/W1，则则执执行行读读操操作作，将将所所选选存存储储单单元元中中的的数数据送到据送到I/O端上。端上。线隔离，因此，可以直接把线隔离，因此，可以直接把其其I/O端端与与系系统统总总线线相相连连，也也可可将将多多个个芯芯片片的的I/O端端并并联使用。联使用。21山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉静静态态存存储储单单元元：利利用用基基本本SR触触发发器器存存储储信信

22、息息。保保存存的的信信息不易丢失。息不易丢失。动动态态存存储储单单元元：利利用用MOS的的栅栅极极电电容容来来存存储储信信息息。由由于于电电容容的的容容量量很很小小，以以及及漏漏电电流流的的存存在在，为为了了保保持持信信息息，必必须须定时给电容充电，通常称为定时给电容充电，通常称为刷新刷新。动态随机存储器动态随机存储器(DRAM)结构及原理自学。结构及原理自学。7.3.2动态随机存储器动态随机存储器(DRAM)注：注：22山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展存储器的容量：字数存储器的容量：字数位数位数位位扩扩展展（即即字

23、字长长扩扩展展）：将将多多片片存存储储器器经经适适当当的的连连接接，组成位数增多、字数不变的存储器。组成位数增多、字数不变的存储器。方法方法：用同一地址信号控制：用同一地址信号控制n个相同字数的个相同字数的RAM。例：将例：将8块块10241的的RAM扩展为扩展为10248的的RAM。将将8块块10241的的RAM的的所所有有地地址址线线、CS(片片选选线线)和和读读写写控控制制端端R/W分分别别对对应应并并接接在在一一起起，而而每每一一片片的的位位输输出出作作为为整整个个RAM输出的一位。输出的一位。当当一一片片ROM或或RAM不不能能满满足足存存储储容容量量要要求求时时，就就需需要要将将多

24、片多片ROM或或RAM组合起来，以扩展出容量更大的存储器。组合起来，以扩展出容量更大的存储器。23山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉扩展成扩展成10248RAM需用需用10241RAM的芯片数为：的芯片数为：将将10241的的RAM扩展为扩展为10248的的RAM的的位扩展法位扩展法24山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉字扩展字扩展 将将多多片片存存储储器器经经适适当当的的连连接接，组组成成字字数数更更多多，而而位位数数不不变的存储器。变的存储器。例：由例：由10248的的RAM扩展为扩展为40968的的RAM。分析分析：

25、共需四片：共需四片10248的的RAM芯片。芯片。10248的的RAM有有10根地址输入线根地址输入线A9A0。40968的的RAM有有12根地址输入线根地址输入线A11A0。选选用用2线线-4线线译译码码器器，将将输输入入接接高高位位地地址址A11、A10，输输出出分分别控制四片别控制四片RAM的片选端。的片选端。25山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉10248的的RAM扩展为扩展为40968的的RAM-字扩展法字扩展法26山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉(3)字位扩展字位扩展例：将例：将10244的的RAM扩展为扩展

26、为20488RAM。位扩展需位扩展需2片芯片，字扩展需片芯片，字扩展需2片芯片，共需片芯片，共需4片芯片。片芯片。字字扩扩展展只只增增加加一一条条地地址址输输入入线线A10，可可用用一一反反相相器器便便能能实实现对两片现对两片RAM片选端的控制。片选端的控制。字扩展是对存储器输入端口的扩展，字扩展是对存储器输入端口的扩展，位扩展是对存储器输出端口的扩展。位扩展是对存储器输出端口的扩展。27山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉将将10244的的RAM扩展为扩展为20488RAM-字位扩展字位扩展28山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉

27、邹晓玉本本 章章 小小 结结掌握半导体存储器的总体电路结构：掌握半导体存储器的总体电路结构：半导体存储器中采用按地址存放数据的方法，只有那些半导体存储器中采用按地址存放数据的方法，只有那些被输入地址代码指定的存储单元才能与输入被输入地址代码指定的存储单元才能与输入/输出端接通，输出端接通，进行读进行读/写操作，而输入写操作，而输入/输出电路是公用的。输出电路是公用的。所以，存储器的电路结构中必须包含：所以，存储器的电路结构中必须包含：地址译码器地址译码器、存存储储矩矩阵阵和和输输入入/输输出出电电路路(ROM是是输输出出缓缓冲冲器器，RAM是是读读/写写控制电路控制电路)。掌握用存储器来实现组合逻辑函数的方法掌握用存储器来实现组合逻辑函数的方法将将地地址址输输入入作作为为输输入入逻逻辑辑变变量量，将将数数据据输输出出端端作作为为输输出出逻逻辑辑变变量量，根根据据要要产产生生的的逻逻辑辑函函数数写写入入相相应应的的数数据据，存存入入数据表，在输出端就能得到所需要的组合逻辑电路了。数据表，在输出端就能得到所需要的组合逻辑电路了。29山东大学威海分校信息工程学院山东大学威海分校信息工程学院 邹晓玉邹晓玉