数字电路第八章 半导体存储器ppt课件

1、第八章 半导体存储器 主要内容主要内容 了解半导体存储器的构造、特点和功能了解半导体存储器的构造、特点和功能 RAM、ROM的运用的运用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。按资料分类按资料分类1) 磁介质类磁介质类软磁盘、硬盘、磁带软磁盘、硬盘、磁带2) 光介质类光介质类CD、DVD3) 半导体介质类半导体介质类ROM、RAM等等按功能分类按功能分类主要分主要分RAM和和ROM两类，不过界限逐渐模糊。两类，不过界限逐渐模糊。RAM: SRAM, DRAM, ROM:

2、掩模掩模ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM 性能目的性能目的1)存储容量存储容量普通用字位数表示普通用字位数表示,即字数即字数位数；位数； 如：如：2568bit=2048位。位。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。本课主要讲述半本课主要讲述半导体介质类器件导体介质类器件半导体存储器半导体存储器 存放大量二进制信息的半导体器件。分为：存放大量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 only memoryread only memoryROM 是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据是存

3、储固定信息的存储器件，即先把信息或数据 写入存储器中，在正常任务时，它存储的数据是写入存储器中，在正常任务时，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。 ROM是存储器构造最简单的一种。是存储器构造最简单的一种。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，集成属于组合电路，电路简单，集成度高；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20ns50ns。 缺陷：只顺应存储固定数据的场缺陷：只顺应存储固定数据的场所。所。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

4、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ROMROMPROMPROM用户初次写入时决议内容。用户初次写入时决议内容。一次写入式一次写入式可编程、光可擦除可编程、光可擦除ROMROMEPROMEPROM可根据需求改写数据；可根据需求改写数据；可编程、电可擦除可编程、电可擦除ROMROMEEPROM EEPROM 即即E2PROME2PROM快闪存储器快闪存储器FLASH ROMFLASH ROM1 1、腌膜、腌膜ROM(ROM

5、(固化固化ROM)ROM) 采用腌膜工艺制造采用腌膜工艺制造ROM时，其存储的数据是由制造过程中的时，其存储的数据是由制造过程中的腌膜板决议的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因腌膜板决议的。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ROM在出厂时内部存储的数据就在出厂时内部存储的数据就“固化在里面了，运用固化在里面了，运用时无法再更改。时无法再更改。A0Ai地址译码器地址译码器.存储矩阵存储矩阵输出缓冲器输出缓冲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根本构成根本构成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

6、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地址译码器地址译码器.存储矩阵存储矩阵输出缓冲器输出缓冲器地地址址输输入入三态控制输入三态控制输入数数据据输输出出存储矩阵是由存储单元陈列而成，可以由二极管、三极管或存储矩阵是由存储单元陈列而成，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。每一个或一组管构成。每个单元存放一位二值代码。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：、

7、提高存储器的带负载才干，将高、提高存储器的带负载才干，将高、 低电平转换规范的逻辑电平；低电平转换规范的逻辑电平； 、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 系统总线衔接。系统总线衔接。2 2举例举例4 44 4存储器存储器2 2位地址代码位地址代码A1A1、A0A0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上的高电平信号。上的高电平信号。位输出位输出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵END3VccVccA1A0W3W3二极管与门作译

8、码二极管与门作译码A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；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W0W0W3W3线上给出高电平信号时，线上给出高电平信号时，会在会在D0D0D3D3输出一个二值代码输出一个二值代码位输出位输出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵END3D3W3W3W1W1二极管或门作编码器二极管或门作编码器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W0W0W3W3

9、：字线：字线D0D0D3D3：位线数据线：位线数据线A0A0、A1A1：地址线：地址线2 2举例举例4 44 4存储器续存储器续位输出位输出线线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵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二极管相当于存1 1，没接二极管相当于存，没接二极管相当于存0 0，交叉点的数目就是，交叉点的数目就是存储容量，写成存储容量，写成“字数字数位数位数的方式的方式D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0

10、W1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 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0m1m1m3m3m0m0m2m2m3m3m1m1m3m3m0m0m1m1地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 01A1A0A0AD3D2D1D0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

11、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2 PROM(2 PROM(可编程可编程ROM)ROM) PROMPROM只能写一次，一旦写入就不能修正只能写一次，一旦写入就不能修正OTPOTP型。型。根本构造同掩模根本构造同掩模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一切交叉点上都做有存储单元，普通存出厂时在存储矩阵地一切交叉点上都做有存储单元，普通存1 1。

12、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。3 EPROM3 EPROM、E2PROME2PROM、FLASH ROMFLASH ROM电擦除，普通芯片内部带有升压电路，可以直接电擦除，普通芯片内部带有升压电路，可以直接 读写读写EEPROMEEPROM，擦除时间短擦除时间短(ms(ms级级) )，可对单个存储单元擦除。，可对单个存储单元擦除。读出：读出：5V5V；擦除：；擦除：20V20V；写入：；写入：20V20V。EP

13、ROMEPROM：光擦除可编程：光擦除可编程ROMROME2PROME2PROM：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，时间长紫外线照射擦除，时间长10102020分钟分钟整片擦除整片擦除写入普通需求专门的工具写入普通需求专门的工具结合结合EPROMEPROM和和EEPROMEEPROM的特点，构成的电路方式简的特点，构成的电路方式简 单，集成度高，可靠性好。单，集成度高，可靠性好。 擦除时间短擦除时间短(s(s级级) )，整片擦除、或分块擦除。，整片擦除、或分块擦除。 读出：读出：5V5V；写入：；写

14、入：12V12V；擦除：；擦除：12V(12V(整块擦除整块擦除) )EPROMEPROME2PROME2PROM二、二、 随机存储器随机存储器RAM RAM random access random access memory memory RAM在任务过程中，既可从存储器的恣意单元读出信息，在任务过程中，既可从存储器的恣意单元读出信息，又可以把外界信息写入恣意单元，因此它被称为随机又可以把外界信息写入恣意单元，因此它被称为随机存储器存储器(或读写存储器或读写存储器)。读写速度很快。但普通有易。读写速度很快。但普通有易失性，数据掉电后就消逝。失性，数据掉电后就消逝。RAM 按功能可分为按功能

15、可分为RAM 按所用器件可分为按所用器件可分为RAM 优点：读写方便，具有信息的灵敏性。优点：读写方便，具有信息的灵敏性。 缺陷：普通有易失性，数据掉电后就消逝。缺陷：普通有易失性，数据掉电后就消逝。静态静态(SRAM)(SRAM)动态动态(DRAM)(DRAM)双极型双极型 MOS MOS型型1.SRAM1.SRAM的根本构造的根本构造A0Ai行地址译码器行地址译码器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读写控制电路读写控制电路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、控制输入和数据输入输入信号三组：地址输入、控制输

16、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A0Ai行地址译码器行地址译码器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读写控制电路读写控制电路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：有许多存储单元陈列而成，每个存储单元存一位存储矩阵：有许多存储单元陈列而成，每个存储单元存一位二值信息二值信息0、1，在译码器和读，在译码器和读/写电路的控制下，既可以写电路的控制下，既可以写入写入1或或0，又可以将存储的数据读出。，又可以将存储的数据读出。 由于存储器的容量宏大，在存储器中运用双译码方式，就是由于存储器的容量宏大，在存储器中运

17、用双译码方式，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。同选择存储单元。R/W=1，读出，读出 R/W=0，写入，写入CS=0，任务，任务 CS=1，高阻，高阻A0Ai行地址译码器行地址译码器.列地址译码器列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵存储矩阵读写控制电路读写控制电路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/输出输出例：1024X4 SRAM2114A3A4A5A6A7A8行地址译码器行地址译码器列地址译码器列地址译码器存储矩阵存储矩阵读写控制电路读写控制电路CSR/W数据输入数

18、据输入/输出输出A0 A1 A2 A9I/O0I/O1I/O2I/O3地址线：地址线：10根，根， A0 A9数据线：数据线：4根，根， I/O0 I/O3控制线：控制线： 2根，根， 片选，片选，0有效；有效； 读写控制读写控制CSWR/每个由每个由X X，Y Y共同选中的单元中实践包含了共同选中的单元中实践包含了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32328=2568=256个组合总的存储容

19、量就是个组合总的存储容量就是2562564 4。2562564RAM4RAM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A0A0A1A1A2A2A3A3A5A5A6A6A7A7A4A4102410244 RAM4 RAM列控制门列控制门数据线数据线行选择行选择26266464列选择列选择24241616102410244RAM4RAM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&G1G2G3DDR/WCSI/OD/DD/D衔接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作衔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，可以从数据输出，可以

20、从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。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&G1G2G3DDR/WCSI/O100D/DD/D衔接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作衔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，可以从数据输出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=1时，时，G1,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&G1G2G3DD

21、R/WCSI/O01D/DD/D衔接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作衔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，可以从数据输出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0 CS=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=1时，时，G1,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&G1G2G3DDR/WCSI/O10

22、0D/DD/D衔接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作衔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，可以从数据输出，可以从D D上读取存储器的内容，也可以向存储器上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0, R/W=0 CS=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，改动存上，改动存储单元内部内容。储单元内部内容。 CS=0 CS=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

23、输出到端数据输出到I/OI/O线上线上 CS=1时，时，G1,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RAMRAM操作时序操作时序要求：要求：了解时序图了解时序图SRAM体积大不易高密度集成，体积大不易高密度集成，大容量存储器普通都采用大容量存储器普通都采用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，上电荷也不能长时间维持，所以还必需定时对电容充电，称所以还必需定时对电容充电，称为再生或刷新。为再生或刷新。阐明：阐明：ROMROM无无R/WR/

24、W，位扩展其他端的衔接与，位扩展其他端的衔接与RAMRAM一样。一样。三、存储器容量扩展三、存储器容量扩展1、位扩展、位扩展 CSR/W地址地址并联，并联，I/O独立独立第第1 1片片第第4 4片片409640964RAM4RAM扩展成扩展成409640961616的存储器系统的存储器系统A11A11 A0 A0R/WR/WCSCS D0 D0D15D15方法：方法：2、字扩展、字扩展 OI /R/W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

25、。条，另两条译码后作为片选。0000000000000000000000000000000011111111111001111111111111 11 即即 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：四、存储器的根本运用四、存储器

26、的根本运用1. 字运用字运用由地址读出对应的字，由地址读出对应的字， 例实现例实现B码码G码的转换。码的转换。 二进制二进制G3 G2 G1 G000000 0 0 000010 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用PROM实现22快速乘法器D3D2

27、D1D0A1A0B1B0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。 假设要实现假设要实现mn快速乘法器，快速乘法器， PROM的容量至少为：的容量至少为：字字位位2m+nmn。全加器全加器 )7 , 6 , 5 , 3()7 , 4 , 2 , 1 (mCmSii0 5 10 15组合逻辑函数的实现：组合逻辑函数的实现：根本门电路；根本门电路；译码器；译码器；数据选择器；数据选择器；ROMAiAiBiBiC

28、i-1Ci-1SiSiCiCiAi Ai Bi Bi C-1 C-1Si CiSi Ci两种表示方式两种表示方式例例1 用用ROM实现全加器实现全加器2. 位运用位运用实现组合函数实现组合函数 0 1 2 3 4 5 6 7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