第十章-半导体存储器.ppt

本章目标 通过对本章的学习 读者可以具备下述能力 1 了解半导体存储器的基本结构 工作原理和用途2 了解顺序存储器的结构和工作原理3 掌握只读存储器的类型 工作原理和特点4 掌握随机存储器的类型 工作原理和应用5 掌握用存储器实现组合逻辑函数 10 1概述 主要要求 了解半导体存储器的作用 类型与特点 存储器的存储媒介有多种 应用范围也非常广泛 软磁盘 磁带 硬盘 内存条 光盘 优盘 数码相机用SM卡 一 半导体存储器的作用 存放二值数据 二 半导体存储器的分类 按制造工艺分类 双极型 工作速度快 功耗大 价格较高 MOS型 集成度高 功耗小 工艺简单 价格低 10 1 1半导体存储器的特点与应用 例如计算机中的自检程序 初始化程序便是固化在ROM中的 计算机接通电源后 首先运行它 对计算机硬件系统进行自检和初始化 自检通过后 装入操作系统 计算机才能正常工作 RAM既能读出信息又能写入信息 它用于存放需经常改变的信息 断电后其数据将丢失 常用于存放临时性数据或中间结果 例如计算机内存就是RAM ROM在工作时只能读出信息而不能写入信息 它用于存放固定不变的信息 断电后其数据不会丢失 常用于存放程序 常数 表格等 2 按存取方式不同 半导体存储器可分成只读存储器ROM 随机存取存储器RAM和顺序存取存储器SAM 2 存储容量及其表示 用 M 表示 1024K 即1M 1024K 210K 220 1 存储容量及其表示 指存储器中存储单元的数量 例如 一个32 8的ROM 表示它有32个字 字长为8位 存储容量是32 8 256 对于大容量的ROM常用 K 表示 1024 即1K 1024 210 例如 一个64K 8的ROM 表示它有64K个字 字长为8位 存储容量是64K 8 512K 一般用 字数 字长 即位数 表示 10 1 2半导体存储器的主要技术指标 2 存取时间和存取周期 存储器的一次操作 读或写 所需要的时间 称存储器存取访问时间 了解顺序存取存储器 SAM 的作用 了解顺序存取存储器的电路结构和组成 10 2顺序存取存储器 SAM 主要要求 10 2 1先入先出的顺序存取存储器 控制电路为一个二选一数据选择器 移位寄存器的输出通过数据选择器反馈到输入端 构成循环移位寄存器 它有写入和读出两种工作方式 时钟信号CP的周期为TC 则存储深度为N的SAM完成一次读写需要的时间为T NTC 写操作 数据从DI端逐位输入 从D0端输出 读操作 数据从D0输出 同时数据返回到移位寄存器的输入端 实现存储数据的循环移位 10 2 2先入后出的顺序存取存储器 主要要求 了解ROM的类型和结构 理解其工作原理 了解集成EPROM的使用 理解字 位 存储容量等概念 10 3只读存储器 按数据写入方式不同分 10 3 1ROM的类型及其特点 写入的数据可电擦除 用户可以多次改写存储的数据 使用方便 其存储数据在制造时确定 用户不能改变 用于批量大的产品 其存储数据由用户写入 但只能写一次 写入的数据可用紫外线擦除 用户可以多次改写存储的数据 10 3 2ROM的结构和工作原理 一 存储矩阵 由存储单元按字 Word 和位 Bit 构成的距阵 由存储距阵 地址译码器 和输出电路 组成 存储矩阵 输出电路 芯片在制造时就把需要存储的内容用电路结构固定下来 使用时无法再改变 二极管固定ROM 字线和位线的交叉处代表一个存储单元 有二极管表示存1 否则表示存0 4 4位ROM数据表 字线与位线的交叉点即为存储单元 每个存储单元可以存储1位二进制数 当某字线被选中时 相应存储单元数据从位线D3 D0输出 1011 1011 从位线输出的每组二进制代码称为一个字 一个字中含有的存储单元数称为字长 即字长 位数 W3 1 存储矩阵的结构与工作原理 3 存储单元结构 2 存储单元结构 1 固定ROM的存储单元结构 2 PROM的存储单元结构 PROM出厂时 全部熔丝都连通 存储单元的内容为全1 或全0 用户可借助编程工具将某些单元改写为0 或1 这只要将需储0 或1 单元的熔丝烧断即可 熔丝烧断后不可恢复 因此PROM只能一次编程 3 可擦除PROM的存储单元结构 EPROM利用编程器写入数据 用紫外线擦除数据 其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用 芯片写入数据后 必须用不透光胶纸将石英窗口密封 以免破坏芯片内信息 E2PROM可以电擦除数据 并且能擦除与写入一次完成 性能更优越 用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝 构成EPROM和EEPROM 刚才介绍了ROM中的存储距阵 下面将学习ROM中的地址译码器 二 地址译码器 二 地址译码器 从ROM中读出哪个字由地址码决定 地址译码器的作用是 根据输入地址码选中相应的字线 使该字内容通过位线输出 例如 某ROM有4位地址码 则可选择24 16个字 设输入地址码为1010 则字线W10被选中 该字内容通过位线输出 存储矩阵中存储单元的编址方式 适用于小容量存储器 适用于大容量存储器 又称单译码编址方式或单地址寻址方式 1 单地址译码方式 一个n位地址码的ROM有2n个字 对应2n根字线 选中字线Wi就选中了该字的所有位 32 8存储矩阵排成32行8列 每一行对应一个字 每一列对应32个字的同一位 32个字需要5根地址输入线 当A4 A0给出一个地址信号时 便可选中相应字的所有存储单元 例如 当A4 A0 00000时 选中字线W0 可将 0 0 0 7 这8个基本存储单元的内容同时读出 基本单元为存储单元 又称双译码编址方式或双地址寻址方式 地址码分成行地址码和列地址码两组 2 双地址译码方式 基本单元为字单元 例如当A7 A0 00001111时 X15和Y0地址线均为高电平 字W15被选中 其存储内容被读出 若采用单地址译码方式 则需256根内部地址线 256字存储器需要8根地址线 分为A7 A4和A3 A0两组 A3 A0送入行地址译码器 产生16根行地址线 Xi A7 A4送入列地址译码器 产生16根列地址线 Yi 存储矩阵中的某个字能否被选中 由行 列地址线共同决定 10 3 3 集成EPROM举例 27系列EPROM是最常用的EPROM 型号从2716 2732 2764一直到27C040 存储容量分别为2K 8 4K 8一直到512K 8 下面以Intel2716为例 介绍其功能及使用方法 A10 A0为地址码输入端 D7 D0为数据线 工作时为数据输出端 编程时为写入数据输入端 VCC和GND 5V工作电源和地 VPP为编程高电平输入端 编程时加 25V电压 工作时加 5V电压 一 引脚图及其功能 存储容量为2K字 下面将根据二极管ROM的结构图加以说明 已编程二极管PROM的结构与之同理 10 3 4用PROM实现组合逻辑函数 1 为什么用PROM能实现组合逻辑函数 地址译码器能译出地址码的全部最小项图中当A1A0 11时 只有W3 1 而W0 W1 W2 0 即译出最小项m3 当A1A0 10时 只有W2 1 而W0 W1 W3 0 即译出最小项m2 其余类推 为了便于用PROM实现组合逻辑函数 首先需要理解PROM结构的习惯画法 2 PROM结构的习惯画法 3 怎样用PROM实现组合逻辑函数 例 试用PROM实现下列逻辑函数 2 确定存储单元内容 由函数Y1 Y2的标准与 或式知 与Y1相应的存储单元中 字线W1 W4 W5 W6对应的存储单元应为1 对应m1 m4 m5 m6 与Y2相应的存储单元中 字线W3 W5 W6 W7对应的存储单元应为1 3 画出用PROM实现的逻辑图 例用PROM构成一个码型转换器 将4位二进制码B3B2B1B0转换成循环码G3G2G1G0 二进制码转换为循环码的真值表 用PROM实现二进制码到循环码的转换 10 4快闪存储器 快闪存储器 FlashMemory 简称闪存 它具有EPROM的结构简单 编程可靠的优点 同时又具有E2PROM的在电路中电擦除特性 与E2PROM相比较 集成度有较大幅度的提高 快闪存储器中的叠栅MOS管和符号 快闪存储器的存储单元 快闪存储器的两种构造形式 NAND闪存的应用主要集中在大容量闪存盘 U盘 的制造方面 NOR闪存主要用来存储程序代码等必须直接按照实际物理地址访问的信息 容量在16MB以下 主要要求 了解RAM的类型 结构和工作原理 了解集成RAM的使用 了解RAM和ROM的异同 10 5随机存取存储器 掌握RAM的扩展方法 10 5 1RAM的结构 类型和工作原理 10 5 1RAM的结构 类型和工作原理 存储矩阵将存储单元按阵列形式排列 形成存储矩阵 地址译码器为了区别不同的字 将存放在同一个字的存储单元编为一组 并赋予一个号码 称为地址 地址的选择是借助于地址译码器来完成的 地址码的位数n与可寻址数N之间的关系为 N 2n 片选与读 写控制电路 I O电路 RAM主要由存储矩阵 地址译码器和读 写控制电路 I O电路 三部分组成 256 1位RAM示意图 X地址译码器 Y地址译码器 1 1 A0 A1 A2 A3 X0 行 X15 T0 T0 T15 Y0 列 Y15 A4 A5 A6 A7 位线 行 存储矩阵 I O电路 G1 D G4 G5 G2 I O R W 1 EN 16 1 列 1 16 T15 位线 16 16 1 EN 1 EN G3 RAM分类 DRAM存储单元结构简单 集成度高 价格便宜 广泛地用于计算机中 但速度较慢 且需要刷新及读出放大器等外围电路 DRAM的存储单元是利用MOS管具有极高的输入电阻 在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的 由于栅极电容存在漏电 因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新 SRAM存储单元结构较复杂 集成度较低 但速度快 MOS静态存储单元 当地址码使得Xi和Yj均为高电平时 表示选中该单元 即可以对它进行读写操作 由于数据由触发器记忆 只要不断电 信息就可以永久保存 采用CMOS管 所以静态功耗极小 由一个门控管T和一个存储信息的电容CS组成 由于分布电容C0 CS 所以位线上的读出电压信号很小 需用高灵敏度读出放大器进行放大 且每次读出后必须立即对该单元进行刷新 以保留原存信息 动态存储单元的结构比静态存储单元简单 可达到更高的集成度 但DRAM不如SRAM使用方便 且存取时间较长 MOS动态存储单元 10 5 2集成RAM举例 A0 A9为地址码输入端 4个I O脚为双向数据线 用于读出或写入数据 VDD接 5V 信号与TTL电平兼容 10 5 3RAM的扩展 位扩展 字扩展 增加地址线 断电保护 3 字位同时扩展 当存储器的字长和字数都不能满足实际应用的要求时 则需要对存储器的字和位同时扩展 RAM的位 字同时扩展 3 位 字同时进行扩展 根据字和位扩展的原理 将两种方法结合便可实现 一般是先进行位扩展 然后进行字扩展 位扩展方法如下 1 把若干片位数相同的RAM芯片地址线共用 2 线共用 3 每个RAM片的I O端并行输出 字扩展方法如下 1 将RAM地址共用 I O端共用 2 线共用 3 根据需要增加适当的地址线去控制 半导体存储器由许多存储单元组成 每个存储单元可存储一位二进制数 根据存取功能的不同 半导体存储器分为只读存储器 ROM 和随机存取存储器 RAM 两者的存储单元结构不同 ROM属于大规模组合逻辑电路 RAM属于大规模时序逻辑电路 本章小结 ROM用于存放固定不变的数据 存储内容不能随意改写 工作时 只能根据地址码读出数据 断电后其数据不会丢失 ROM有固定ROM 又称掩膜ROM 和可编程ROM之分 固定ROM由制造商在制造芯片时 用掩膜技术向芯片写入数据 而可编程ROM则由用户向芯片写入数据 可编程ROM又分为一次可编程的PROM和可重复改写 重复编程的EPROM和E2PROM EPROM为电写入紫外擦除型 E2PROM为电写入电擦除型 后者比前者快捷方便 可编程ROM都要用专用的编程器对芯片进行编程 快闪存储器 FlashMemory 简称闪存 它具有EPROM的结构简单 编程可靠的优点 同时又具有E2PROM的在电路中电擦除特性 与E2PROM相比较 集成度有较大幅度的提高 NOR闪存通常带有SRAM接口 有足够多的地址引脚 可以直接访问其中的每一个字 NAND闪存采用命令 地址和数据复用的接口形式 因此 NAND闪存采用类似磁盘数据管理的形式来访问 RAM由存储矩阵 译码器和读 写控制电路组成 它可以读出数据或改写存储的数据 其读 写