半导体存储器

1、2020/12/25,1,第7章 半导体存储器,7.1 概述 7.2 只读存储器（ROM） 7.3 随机存储器（RAM） 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数,2020/12/25,2,7.1 概述,半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息的大规模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分,半导体存储器,ROM,EPROM,快闪存储器,PROM,E2PROM,固定ROM（又称掩膜ROM,可编程ROM,RAM,SRAM,DRAM,按存取方式来分,2020/12/25,3,按制造工艺来分,半导体存储器,双极型,MOS型,对存储器的操作通常分为两类,写即把信息存入存储

2、器的过程,读即从存储器中取出信息的过程,两个重要技术指标,存储容量存储器能存放二值信息的多少。单位是位或比特（bit）。1K=210=1024，1M=210K=220,存储时间存储器读出（或写入）数据的时间。一般用读（或写）周期来表示,2020/12/25,4,101,存储器的写操作,地址寄存器,数据寄存器,10010001,数据寄存器,按字节组织的存储器阵列,地址总线,数据总线,2020/12/25,5,存储器的读操作,011,地址寄存器,数据寄存器,11001101,按字节组织的存储器阵列,地址总线,数据总线,2020/12/25,6,实训电路图,1 1 1 1 1 1 1 0,1 1 1

3、 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 0 0,0 0 0 0,0 1 1 1 1 1 1 1,1 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1,0 1 0 0,0 0 1 1 1 1 1 1,2020/12/25,7,7.2.1 掩膜只读存储器,存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性,特点： 只能读出，不能写入,1. ROM的基本结构,ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，其基本结构如图所示,7.2 只读存储器,2020/12/25,8,ROM的基本结构,字线,位线,存储单元可以由二极管、双极型三极管或者MOS管构成。每个存储单元可存储1位二值信息（“0”或“1”,按

4、“字”存放、读取数据，每个“字”由若干个存储单元组成，即包含若干“位”。字的位数称为“字长,每当给定一组输入地址时，译码器选中某一条输出字线Wi，该字线对应存储矩阵中的某个“字”，并将该字中的m位信息通过位线送至输出缓冲器进行输出,存储器的容量字数位数2nm位,2020/12/25,9,2.二极管ROM,二极管固定ROM举例 （1）电路组成,由二极管与门和或门构成。 与门阵列组成译码器，或门阵列构成存储阵列,二极管 ROM的结构图,2）ROM电路的工作原理,0 1 0 1,0 0,0 1,1 0 1 1,2020/12/25,10,2）输出信号表达式,与门阵列输出表达式,3）ROM存储内容的真

5、值表,或门阵列输出表达式,2020/12/25,11,3.MOS管ROM,ROM的点阵图,1,0,2020/12/25,12,2. 一次性可编程ROM（PROM） 出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要进行编程，但只能编程一次,1. 固定ROM（掩模ROM ） 厂家把数据“固化”在存储器中，用户无法进行任何修改。使用时，只能读出，不能写入,7.2.2 可编程的只读存储器（PROM,ROM的编程是指将信息存入ROM的过程,用户对PROM编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写

6、了,2020/12/25,13,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器（EPROM,一、EPROM（UVEPROM,又称紫外线擦除可编程ROM。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。 常用的EPROM2716、2732、27512，即标号为27的芯片都是EPROM。实训中使用的2764就属于这一类型,2020/12/25,14,二、E2PROM,E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存

7、储器，又可写为EEPROM。其主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM ，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。 28系列的芯片都是E2PROM,2020/12/25,15,三、快闪存储器（Flash Memory,闪存是一种高密度的读/写型存储器（高密度表示更大的存储容量），也是非易失性的存储器，这意味着数据可以在没有电源供电的情况下保存。存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/写入100万次以上。 闪存是一种理想的存储器，它具有存储容量大、非

8、易失性、在系统读写、操作快速以及造价低廉等特点,2020/12/25,16,断电后存储的数据随之消失，具有易失性,特点： 可随时读出，也可随时写入数据,根据存储单元的工作原理不同，RAM分为静态RAM和动态RAM,静态RAM: 优点:数据由触发器记忆,只要不断电,数据就能永久保存,缺点:存储单元所用的管子数目多,功耗大,集成度受到限制,动态RAM,优点:存储单元所用的管子数目少,功耗小,集成度高,缺点:为避免存储数据的丢失,必须定期刷新,7.3 随机存储器（RAM,2020/12/25,17,32行32列矩阵,存储器容量,2564 （字数）（位数,存储器单元选择,32根行线、8根列线,1） 存

9、储矩阵,因此，该RAM存储矩阵共需要32根行选择线X0X31和8根列选择线Y0Y7,1. RAM的结构,2020/12/25,18,因此，该RAM存储矩阵共需要5+3根地址线A7A0即可全部寻址,2）地址译码,译 码 器,25=32,23=8,1 1 1 1 1,0 0 0,字线,位线,A7A0=00011111时，选中哪个单元,31，0,2020/12/25,19,3）读/写与片选控制,1时：所有的I/O 端均被禁止，不能进行读或写操作。 =0时：相应片存储器被选中，可进行读或写操作,2020/12/25,20,片选与读写控制电路,当片选信号 =1时，三态门G1，G2，G3均为高阻态，此片未

10、选中，不能进行读或写操作。当片选信号 =0时，芯片被选中。若R/ =1，则G3导通，G1、G2高阻态截止。此时若输入地址A7A0为00011111，于是位于31，0的存储单元所存储的信息送出到,I/O端，存储器执行的是读操作；若R/ =0，则G1、G2导通，G3高阻态截止，I/O端的数据以互补的形式出现在数据线D、 上，并被存入31，0存储单元，存储器执行的是写操作,2020/12/25,21,RAM的结构示意图,SRAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成,存储容量字数位数 2nm位,2020/12/25,22,1024字4位（2114,2020/12/25,23,2. RA

11、M的存储单元,RAM的核心元件是存储矩阵中的存储单元，按工作原理分，RAM的存储单元可分为,1. 静态存储单元（SRAM,SRAM是利用双稳态触发器来保存信息的，只要不断电，信息是不会丢失的，所以谓之静态； DRAM利用MOS（金属氧化物半导体）电容存储电荷来储存信息，电容是会漏电的，所以必须通过不停的给电容充电来维持信息，这个充电的过程叫再生或刷新（REFRESH）。由于电容的充放电是需要相对较长的时间的，DRAM的速度要慢于SRAM。但SRAM免刷新的优点需要较复杂的电路支持，如一个典型的SRAM的存储单元需要六个晶体管（三极管）构成，而DRAM的一个存储单元最初需要三个晶体管和一个电容，

12、后来经过改进，就只需要一个晶体管和一个电容了。由此可见，DRAM的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM,2. 动态存储单元（DRAM,2020/12/25,24,7.4 存储器容量的扩展,7.4.1 位扩展方式,位扩展可以用多片芯片并联的方式来实现。 各地址线、读/写线、片选信号对应并联， 各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位,增加I/O端口个数,例7.1 试用10241RAM扩展成10248存储器,解：扩展为10248存储器需要10241RAM的片数为,N=总存储容量片存储容量= =8(片,2020/12/25,25,各片地址线的寻址范围相同： 00 0000 0000 11

13、1111 1111 (000H3FFH,2020/12/25,26,2. 字扩展方式增加地址端个数,例：用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM,分析：N=4,25628，每片有8条地址线,1024210，需要10条地址线,所以，需要增加2条高位地址线来控制4片分别工作，即需要一个2-4线译码器,2020/12/25,27,用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM的系统框图,2020/12/25,28,各片RAM电路的地址分配,2020/12/25,29,练习：设计一个128KB的存储器系统，其中RAM区64KB，由单片容量为16K4的RAM芯片构成，ROM区64KB，由单片容量为8K8的ROM芯片构成，已知系统提供的总线有地址线A0A15，数据线D0D7，读写线R/W，要求画出整个系统的结构图,2020/12/25,30,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,逻辑表达式,真值表或最小项表达式,按A、B、C、D排列变量，并将Y1、Y2 、 Y3、 Y4扩展成为4变量的逻辑函数,2020/12/25,31,选择ROM，画阵列图,2020/12/25,32,例7.5.1的电路,2020/12/25,33,例7.5.2的ROM点阵图,2020/12/25,34,用ROM实现函数运算,例】用ROM构成