数字电路2013学习.pptx

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1、学习要点学习要点：介绍各种半导体存储器的工作原理和使介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法用方法只读存储器只读存储器(ROM(ROM、PROMPROM、EPROMEPROM和快闪和快闪存储器存储器)随机存储器（随机存储器（DRAMDRAM、SRAMSRAM）存储器容量的扩展及用存储器设计组合存储器容量的扩展及用存储器设计组合逻辑电路的概念逻辑电路的概念第1页/共34页7.1 7.1 概概 述述 半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。从存、从存、取功能取功能上分为上分为衡量存储器性能的重要指标：衡量存储器性能的重要指标：存储量和存取速度。存

2、储量和存取速度。只读存储器只读存储器（ROM）优点：电路结构简单，断电后数据不优点：电路结构简单，断电后数据不丢失丢失缺点：只适用于存储固定数据的场合缺点：只适用于存储固定数据的场合随机存储器随机存储器（RAM）从制造从制造工艺上工艺上分为分为双极型双极型MOS型型制作大容量的存储器制作大容量的存储器在正常工作状态下只能从中读取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数据，不能快速地随时修改或重新写入数据新写入数据在正常工作状态下能随时向存储在正常工作状态下能随时向存储器写入数据或读出数据器写入数据或读出数据优点：优点：读、写方便，使用灵活。读、写方便，使用灵活。缺点：缺点：一

3、旦停电，所存储的数据将一旦停电，所存储的数据将随之消失。随之消失。第2页/共34页7.2只读存储器（只读存储器（ROM）7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器(ROM)(ROM)(ROM)(ROM)地地址址输输入入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数数据据输输出出三态三态控制控制由许多存储单元（二极管、双极由许多存储单元（二极管、双极型三极管或型三极管或MOS管）排列组成。管）排列组成。每个单元存放每个单元存放1位二值代码（位二值代码（0或或1）。每一组存储单元有一个对）。每一组存储单元有一个对应的地址代码

4、。应的地址代码。将输入的地址代码译成相应的将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用控制信号从存控制信号，利用控制信号从存储矩阵中选出指定的单元，并储矩阵中选出指定的单元，并把其中的数据送到输出缓冲器把其中的数据送到输出缓冲器能提高存储器的带负载能力，实能提高存储器的带负载能力，实现对输出状态的三态控制，以便现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接与系统的总线联接第3页/共34页地 址数 据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0字线与位线的每个交叉点字线与位线的每个交叉点都是一个存储单元。交点都是一个存储单元。交点处接

5、有二极管相当于存处接有二极管相当于存1，没接二极管时相当于存没接二极管时相当于存0。交点的数目交点的数目=存储单元数，存储单元数，存储容量存储容量=(字数字数)*(位数位数)用二极管制作的用二极管制作的ROMROM 地址线地址线位线位线字线字线第4页/共34页用用MOS 工艺制作的工艺制作的ROM 用用N沟道增强型沟道增强型MOS管代替二极管代替二极管。字线与位线管。字线与位线的每个交叉点处的每个交叉点处接有接有MOS 管相管相当于存当于存1，没接，没接MOS 管时相当管时相当于存于存0。注：接有注：接有MOS管的位线由于管的位线由于MOS管导通为管导通为低电平，经反低电平，经反相缓冲器输出相

6、缓冲器输出为高电平。为高电平。第5页/共34页7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)(PROM)(PROM)(PROM)熔丝型熔丝型PROM存储单元存储单元PN结击穿法结击穿法PROM存储单元存储单元 PROM的总体结构与掩膜的总体结构与掩膜ROM一样，只是在出厂时所一样，只是在出厂时所有存储单元都存入有存储单元都存入1或或0。存储1，熔断后，存储0。存储0，击穿后，存储1。第6页/共34页出厂时所有存储出厂时所有存储单元都存入单元都存入1。编程时先输入地址编程时先输入地址代码，找出要写入代码，找出要写入0的

7、单元地址。然后的单元地址。然后使使VCC和选中的字线和选中的字线提高到编程所需要提高到编程所需要的高电平，同时在的高电平，同时在编程单元的位线上编程单元的位线上加入编程脉冲加入编程脉冲(幅度幅度约约20V，持续时间，持续时间约几微秒约几微秒)，此时写，此时写入放大器入放大器AW的输出的输出为低电平、低内阻为低电平、低内阻状态，有较大的脉状态，有较大的脉冲电流流过熔丝，冲电流流过熔丝，熔丝熔断。熔丝熔断。PROM的内容的内容一经写入，就一经写入，就不能修改。不能修改。PROM的结构原理图的结构原理图第7页/共34页 用紫外线照射进行擦除的用紫外线照射进行擦除的UVEPROM、用电信号擦除的、用电

8、信号擦除的E2PROM和快闪存储器和快闪存储器(Flash Memory)。一、一、EPROM(UVEPROM)EPROM(UVEPROM)7.2.3 7.2.3 7.2.3 7.2.3 可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器(EPROM)EPROM与与PROM的总体结构形式没有多大区别，的总体结构形式没有多大区别，EPROM中采用叠栅注入中采用叠栅注入MOS管制作存储单元。管制作存储单元。图7.2.6SIMOS管的结构和符号第8页/共34页 SIMOS控制栅控制栅GC用于控制读出和写入。用于控制读出和写入。浮置栅浮置栅Gf用于长期保存

9、注入电荷。用于长期保存注入电荷。1.浮置栅上浮置栅上未注入未注入电荷电荷以前，在控制栅上加入以前，在控制栅上加入正常高电平电压，能够正常高电平电压，能够使漏使漏源之间产生导电源之间产生导电沟道，沟道，SIMOS导通导通。2.浮置栅上浮置栅上注入负注入负电荷电荷以后，必须在控制栅上以后，必须在控制栅上加入更高电压才能抵消加入更高电压才能抵消注入电荷的影响而形成注入电荷的影响而形成导电沟道，因此在栅极导电沟道，因此在栅极加上正常的高电平信号加上正常的高电平信号时时SIMOS不会导通不会导通。图7.2.6 SIMOS管的结构和符号第9页/共34页 浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。浮栅上的电荷无放电

10、通路，没法泄漏。用用紫紫外外线线照照射射芯芯片片上上的的玻玻璃璃窗窗，则则形形成成光光电电电电流流，把把栅栅极极电子带回到多晶硅衬底，电子带回到多晶硅衬底，SIMOS管恢复到初始的导通状态。管恢复到初始的导通状态。第10页/共34页1.浮置栅上浮置栅上未注入未注入电荷电荷在控制栅上加入正常高在控制栅上加入正常高电平电压，电平电压，SIMOS导通，导通，相当于写入相当于写入0。2.浮置栅上浮置栅上注入负注入负电荷以电荷以后，在栅极加上正常的高后，在栅极加上正常的高电平信号时电平信号时SIMOS不会不会导通导通，相当于写入相当于写入1。第11页/共34页二、二、E2PROM 前前面面研研究究的的可

11、可擦擦写写存存储储器器的的缺缺点点是是要要擦擦除除已已存存入入的的信信息息必必须须用用紫紫外外光光照照射射一一定定的的时时间间，因因此此不不能能用用于于快快速速改改变变储储存存信信息息的的场场合合，用用隧隧道道型型储储存存单单元元制制成成的的存存储储器器克克服服了了这这一一缺缺点点，它它称称为为电电可可改改写写只读存储器只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。，即电擦除、电编程的只读存储器。它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区N 之间的交叠处有之间的交叠处有一个厚度约为一个厚度约为80埃的薄绝缘层埃的薄绝缘层图7.2.8 Flotox管的结

12、构和符号图7.2.9E2PROM的存储单元第12页/共34页三、闪速型存储器（三、闪速型存储器（Flash Memory）闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像E2PROM那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，在几毫秒内擦除一大区段。在几毫秒内擦除一大区段。因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简单、更有效，使用闪速存储单元制成的单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。器件密度更高。第13页/共34页 闪速存储单元又称

13、为闪速存储单元又称为快擦快写存储单元快擦快写存储单元。下图是闪速存储。下图是闪速存储单元剖面图。单元剖面图。Flash工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：1.闪速存储单元源极的区域闪速存储单元源极的区域Sn+大于漏极的区域大于漏极的区域Dn+，两，两区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩散的速度远远大于叠栅型存储单元；散的速度远远大于叠栅型存储单元；2.叠栅存储单元的浮栅到叠栅存储单元的浮栅到P型衬底间的氧化物层约型衬底间的氧化物层约200埃左埃左右，而闪速存储单元的氧

14、化物层更薄，约为右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为100埃。埃。第14页/共34页7.3随机存储器（随机存储器（RAM）特点：特点：工作时可以随时从任何一个指定地址读工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中。的存储单元中。静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)(SRAM)动态随机存储器动态随机存储器(DRAM)(DRAM)优点：优点：读、写方便，使用灵活。读、写方便，使用灵活。缺点：缺点：一旦停电，所存储的数据将随之消失。一旦停电，所存储的数据将随之消失。第15页/共34页由大量寄存器构成的矩阵用以决定

15、访问哪个字单元读出及写入数据的通道用以决定对被选中的单元是读还是写7.3.1静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)一、一、SRAM的结构和工作原理的结构和工作原理第16页/共34页 地地址址的的选选择择通通过过地地址址译译码码器器来来实实现现。地地址址译译码码器器由由行行译译码码器器和和列列译译码码器器组组成成。行行、列列译译码码器器的的输输出出即即为为行行、列列选选择择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。线，由它们共同确定欲选择的地址单元。2564 RAM存储矩阵中，存储矩阵中，256个字需要个字需要8位地址码位地址码A7A0。其中。其中高高3位位A7A5用于列译码输入，低用于列译码输入，

16、低5位位A4A0用于行译码输入。用于行译码输入。A7A0=00100010时，时，Y1=1、X2=1，选中，选中X2和和Y1交叉的字单元。交叉的字单元。010001 0 0存储单元1024个存储单元排成32行32列的矩阵第17页/共34页 RAM是是由由许许许许多多多多的的基基本本寄寄存存器器组组合合起起来来构构成成的的大大规规模模集集成成电电路路。RAM中中的的每每个个寄寄存存器器称称为为一一个个字字，寄寄存存器器中中的的每每一一位位称称为为一一个个存存储储单单元元。寄寄存存器器的的个个数数（字字数数）与与寄寄存存器器中中存存储储单单元元个个数数（位位数数）的的乘乘积积，叫叫做做RAM的的容

17、容量量。按按照照RAM中中寄寄存存器器位位数数的的不不同同，RAM有有多多字字1位位和和多多字字多多位位两两种种结结构构形形式式。在在多多字字1位位结结构构中中，每每个个寄寄存存器器都都只只有有1位位，例例如如一一个个容容量量为为10241位位的的RAM，就就是是一一个个有有1024个个1位位寄寄存存器器的的RAM。多多字字多多位位结结构构中中，每每个个寄寄存存器器都都有有多多位位，例例如如一一个个容容量量为为2564位位的的RAM，就就是是一一个个有有256个个4位位寄寄存器的存器的RAM。第18页/共34页1024 4位RAM（2114）的结构框图第19页/共34页二、二、SRAM的静态存

18、储单元的静态存储单元图7.3.4 六管CMOS静态存储单元图7.3.5双极型RAM的静态存储单元第20页/共34页六管N沟道增强型MOS管第21页/共34页集成集成2kB8位位RAM6116写入控制端片选端输出使能端第22页/共34页7.4RAM容量的扩展容量的扩展位位扩扩展展将地址线、读写线和片选线对应地并联在一起输入输出（I/O）分开使用作为字的各个位线第23页/共34页字字扩扩展展输入输出（I/O）线并联要增加的地址线A10A12与译码器的输入相连，译码器的输出分别接至8片RAM的片选控制端第24页/共34页7.5用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数A1 A0D0 D1 D2

19、 D30 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 1 01 1 0 0若以地址为输入变量，输出数据为输出变量，则有：若以地址为输入变量，输出数据为输出变量，则有：由由ROMROM的数据表的数据表输出数据可以看成地址变量的逻辑函数输出数据可以看成地址变量的逻辑函数第25页/共34页例例1：用用ROM设计一个八段字符显示的译码器设计一个八段字符显示的译码器(真值表见真值表见P377)P377)。由于数据中由于数据中0的数目比的数目比1的数目少得的数目少得多，所以以多，所以以结点上接入结点上接入二极管表示二极管表示存入存入0，未，未接入二极管接入二极管表示存入表示存入1，所以用接，所

20、以用接入二极管表入二极管表示存入示存入0比比用接入二极用接入二极管表示存入管表示存入1要节省器要节省器件件第26页/共34页解：将上式化为最小项和的形式得到解：将上式化为最小项和的形式得到或或例例2：用：用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数产生如下的一组多输出逻辑函数第27页/共34页函数最小项Y1Y2Y3Y4m000000000w0m100000001w1m210010010w2m310000011w3m400100100w4m500000101w5m611000110w6m711000111w7m800001000w8m900001001w9m1001001010w10m110000101

21、1w11m1200001100w12m1300001101w13m1401101110w14m1500011111w15D3D2D1D0地址数据以接入存储器以接入存储器件表示存件表示存1，以不接表示存以不接表示存0第28页/共34页例2的ROM点阵图返回返回以接入存储器件表示存以接入存储器件表示存1，以不接表示存，以不接表示存0第29页/共34页 如果把如果把ROMROM的的地址代码地址代码视为一组视为一组输入逻辑输入逻辑变量变量，并把，并把输出数据输出数据视为一组视为一组多输出逻辑变量多输出逻辑变量，则输出与输入之间就是一组多输出的组合逻辑则输出与输入之间就是一组多输出的组合逻辑函数。即：函

22、数。即：地址译码器地址译码器的输出包含了的输出包含了全部全部输入输入变量的变量的最小项最小项，而每一条位线的输出又都是以，而每一条位线的输出又都是以这些这些最小项之和最小项之和的形式给出。因而任何形式的的形式给出。因而任何形式的组合逻辑函数均能通过向组合逻辑函数均能通过向ROMROM中写入相应的数中写入相应的数据来实现。据来实现。结论：结论：第30页/共34页小结：小结：随随机机存存取取存存储储器器（RAMRAM）可可以以在在任任意意时时刻刻、对对任任意意选选中中的的存存储储单单元元进进行行信信息息的的存存入入（写写入入）或或取取出出（读读出出）操操作作。与与只只读读存存储储器器ROMROM相

23、相比比，RAMRAM最最大大的的优优点点是是存存取取方方便便，使使用用灵灵活活，既既能能不不破破坏坏地地读读出出所所存存信信息息，又又能能随随时时写写入入新新的的内内容容。其其缺缺点点是是一一旦旦停停电电，所所存内容便全部丢失。存内容便全部丢失。RAMRAM由由存存储储矩矩阵阵、地地址址译译码码器器、读读写写控控制制电电路路、输输入入输输出出电电路路和和片片选选控控制制电电路路等等组组成成。实实际际上上RAMRAM是是由由许许许许多多多多的的基基本本寄寄存存器器组组合合起起来来构构成成的的大大规规模模集集成电路。成电路。当当单单片片RAMRAM不不能能满满足足存存储储容容量量的的要要求求时时，可可以以把把若若干干片片RAMRAM联联在在一一起起，以以扩扩展展存存储储容容量量，扩扩展展的的方方法法有有位位扩扩展展和和字字扩扩展展两两种种，在在实实际际应应用用中中，常常将将两两种种方方法相互结合来达到预期要求。法相互结合来达到预期要求。第31页/共34页作业作业 7.2 7.5 7.6 7.8 7.11第32页/共34页真的要退出本章节吗真的要退出本章节吗？是是Y否否N第33页/共34页感谢您的观看！第34页/共34页