数字电路--半导体存储器原理

1、内容提要内容提要 本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理 和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（ROM） 和随机存储器（和随机存储器（RAM）。在只读存储器中，介绍了）。在只读存储器中，介绍了 掩模掩模ROM、PROM和快闪存储器等不同类型的和快闪存储器等不同类型的ROM 的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍了静态的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍了静态 RAM（SRAM）和动态）和动态RAM（DRAM）两种类型。）两种类型。 此外，此外，介绍了存储器扩展容量的连接方法，介绍了存储器扩展容量的连接

2、方法，重点放在重点放在 这里。这里。 本章内容本章内容 7.1 概述概述 7.2 只读存储器（只读存储器（ROM） 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 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 7.1 概述概述 1. 半导体存储器的定义半导体存储器的定义 半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作 二值数据）的半导体器件。它是属于大规模集成电路，二值数据）的半导体器件。它是属于大规模集成电路， 由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据， 因

3、此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其组因此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其组 成框图如图成框图如图7.1.1所示。所示。 输入输入/ /出电路出电路 I/O 输入输入/ /出控制出控制 图图7.1.1 2.存储器的性能指标存储器的性能指标 由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越 快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将 存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。 目前动态存储器的容量已达目前动态存储器的容量已达109位位/片，一些高速

4、存储片，一些高速存储 器的存取时间仅器的存取时间仅10ns左右。左右。 7.1 概述概述 3.半导体存储器的分类半导体存储器的分类 （1）从存取功能上分类）从存取功能上分类 从存取功能上可分为只读存储器（从存取功能上可分为只读存储器（ReadOnly Memory，简称，简称ROM）和随机存储器（）和随机存储器（Random Access Memory，简称，简称RAM）。）。 ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据， 不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单， 而且断电后数据也不会丢失。缺

5、点是只能用于存储一而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能用于存储一 些固定数据的场合。些固定数据的场合。 7.1 概述概述 a. ROM （非易失性存储器）（非易失性存储器） ROM可分为掩模可分为掩模ROM、可编程、可编程ROM（Programmable ReadOnly Memory，简称，简称PROM）和可擦除的可编）和可擦除的可编 程程ROM（Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称EPROM）。）。 *掩模掩模ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据 写入存储器中，一旦写入存储器中，一旦ROM制成，其存

6、储的数据就固制成，其存储的数据就固 定不变，无法更改。定不变，无法更改。 EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不 但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重 写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需 要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次 全部擦除。电擦除的全部擦除。电擦除的PROM有有 E2PROM和快闪和快闪ROM。 7.1 概述概述 PROM在出厂时存储内容全为在出厂时存储内容全为1（或

7、者全为（或者全为0),用户可用户可 根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将 某些单元改写为某些单元改写为0(或为或为1)。 b.随机存储器随机存储器RAM（读写存储器）（读写存储器） （静态易失性存储器）（静态易失性存储器） 随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存 储器里写入数据或从中读出数据。储器里写入数据或从中读出数据。 根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又 可分为静态存储器（可分为静态存储器（Static Random Access Memo

8、ry， 简称简称SRAM）和动态存储器（）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称，简称DRAM） 7.1 概述概述 SRAM的特点是数据由触发器记忆，只要不断电，的特点是数据由触发器记忆，只要不断电， 数据就能永久保存数据就能永久保存 。但。但SRAM存储单元所用的管子数存储单元所用的管子数 量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点，量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点， 则产生了则产生了DRAM。它的集成度要比。它的集成度要比SRAM高得多，缺高得多，缺 点是速度不如点是速度不如SRAM。 RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地使用

9、灵活方便，可以随时从其中任一指定地 址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数 据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。 例如：例如：PC机系统上的内存，机系统上的内存，DDR=Double Data Rate双双 倍速率同步动态随机存储器倍速率同步动态随机存储器。严格的说。严格的说DDR应该叫应该叫 DDR SDRAM，人们习惯称为，人们习惯称为DDR，其中，其中，SDRAM 是是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩的缩 写，即写，即同步动态随

10、机存取存储器同步动态随机存取存储器。而。而DDR SDRAM是是 Double Data Rate SDRAM的缩写，是的缩写，是双倍速率同步动双倍速率同步动 态随机存储器态随机存储器的意思。的意思。DDR内存是在内存是在SDRAM内存基内存基 础上发展而来的，仍然沿用础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系生产体系 。 7.1 概述概述 从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型 （CMOS型），由于型），由于MOS电路（特别是电路（特别是CMOS电路），电路）， 具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存

11、 储器都是采用储器都是采用MOS工艺制作的。工艺制作的。 （2）从制造工艺上分类）从制造工艺上分类 硬盘硬盘:（港台称之为硬碟，英文名：（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive 简称简称HDD 全名全名 温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储 媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组组 成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都 是固定硬盘，被永久性地密封固定在是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。中。 ATA:全称全称Advanced Techno

12、logy Attachment，是用传，是用传 统的统的40-pin 并口数据线连接并口数据线连接主板与硬盘的，与硬盘的， 外部接口速度外部接口速度最大为133MB/s . 驱动器 SATA:（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未 来PC机硬盘的趋势. SATA II:是芯片巨头Intel英特尔与硬盘巨头Seagate希捷 在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率 从SATA的150MB/s进一步提高到了300MB/s . SCSI:英文全称为“Small Computer System Interface” （小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不 同的接口

13、，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI 并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于 小型机上的高速数据传输技术。 目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户 可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可 以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没 有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取 一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采 用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行 NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开 发板除了使用

14、NAND Flah以外，还作上了一块小的 NOR Flash来运行启动代码。 一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用 来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采 用的DOC（Disk On Chip）和我们通常用的闪盘，可 以在线擦除。 7.2 只读存储器（只读存储器（ROM） 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 在采用掩模工艺制作在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是时，其中存储的数据是 由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按 照用户的要求专门设

15、计的，因此出厂时数据已经照用户的要求专门设计的，因此出厂时数据已经“固固 化化”在里面了。在里面了。 1. ROM的组成：的组成： ROM电电 路结构包含存路结构包含存 储矩阵、地址储矩阵、地址 译码器和输出译码器和输出 缓冲器三个部缓冲器三个部 分，其框图如分，其框图如 图图7.2.1所示。所示。图图7.2.1 存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元 可以是二极管、双极型三极管或可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能管，每个单元能 存放存放1位二值代码（位二值代码（0或或1)，而每一个或一组存储单元有，而每一个或一组存储单元有 一个相应

16、的地址代码。一个相应的地址代码。 图图7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 b.地址译码器地址译码器 c. 输出缓冲器输出缓冲器 输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，另外是实输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，另外是实 现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。 地址译码器是将输入的地址代码译成相应的控制信地址译码器是将输入的地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，并把其中的数据送到输出缓冲器出，并把其中的数据送到输出缓冲器 图图7.2.

17、1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 2. 二极管二极管ROM电路电路 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 图图7.2.2是具有是具有2 位地址输入码和位地址输入码和4位位 数据输出的数据输出的ROM电电 路。其地址译码器路。其地址译码器 是由是由4个二极管与门个二极管与门 构成，存储矩阵是构成，存储矩阵是 由二极管或门构成，由二极管或门构成， 输出是由三态门组输出是由三态门组 成的。成的。 图图7.2.2 其中：其中： 地址译码器是由地址译码器是由4个二极个二极 管与门组成，管与门组成，A1、A0称称 为地址线，译码器将为地址线，译码器将4个个 地址码译成地址码译成W0W3 4

18、根根 线上的高电平信号。线上的高电平信号。 W0W3叫做字线。叫做字线。 图图7.2.2 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 存储矩阵是由存储矩阵是由4个二极管个二极管 或门组成的编码器，当或门组成的编码器，当 W0W3每根线分别给出每根线分别给出 高电平信号时，都会在高电平信号时，都会在 D0D34根线上输出二进根线上输出二进 制代码，制代码， D0D3称为位称为位 线（或数据线）。线（或数据线）。 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 A0An-1 W0 W(2n-1) 字线字线 位线位线 输出端的缓冲器用来输出端的缓冲器用来 提高带负载能力，并提高带负载能力，并 将输出的高低电

19、平变将输出的高低电平变 换成标准的逻辑电平。换成标准的逻辑电平。 同时通过给定同时通过给定 EN 信信 号实现对输出的三态号实现对输出的三态 控制，以便与总线相控制，以便与总线相 联。在读出数据时，联。在读出数据时， 只要输入指定的地址只要输入指定的地址 代码，同时令代码，同时令 EN 0,则指定的地址内各则指定的地址内各 存储单元所存数据便存储单元所存数据便 出现在数据输出端。出现在数据输出端。 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 图图7.2.2的存储的内容的存储的内容 见表见表7.2.1 图图7.2.2 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储

20、器 图图7.2.3也可以用简化画法。凡是有二极管的位置，均也可以用简化画法。凡是有二极管的位置，均 用交叉点用交叉点“.”表示，并且省略电阻、输出缓冲器和电表示，并且省略电阻、输出缓冲器和电 源等符号，如图源等符号，如图7.2.4所示。所示。 图图7.2.2 注：注： a. 通常将每个输出的代码叫一个通常将每个输出的代码叫一个“字字” （WORD），），W0W1为字线，为字线，D0D3为位线，其相交为位线，其相交 叉的点就是一个存储单元，其中有二极管的相当于存叉的点就是一个存储单元，其中有二极管的相当于存1, 没有二极管相当于存没有二极管相当于存0.因此交叉点的数目即为存储单元因此交叉点的数目

21、即为存储单元 数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量 （或称为容量）即（或称为容量）即 b. 二极管二极管ROM的电路结构简单，故集成度可以做的很的电路结构简单，故集成度可以做的很 高，可批量生产，价格便宜。高，可批量生产，价格便宜。 c. 可以把可以把ROM看成一个组合逻辑电路，每一条字线看成一个组合逻辑电路，每一条字线 就是对应输入变量的最小项，而位线是最小项的或，就是对应输入变量的最小项，而位线是最小项的或， 故故ROM可实现逻辑函数的与或标准式。可实现逻辑函数的与或标准式。 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 存储容量字数存储容量

22、字数位数位数 如上述如上述ROM的存储量为的存储量为4416位位 。 掩模掩模ROM的特点：的特点： 出厂时已经固定，不出厂时已经固定，不 能更改，适合大量生能更改，适合大量生 产简单，便宜，非易产简单，便宜，非易 失性失性 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器 7.2.2 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM） 在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量 生产产品时，由于需要的生产产品时，由于需要的ROM数量有限，设计人员经数量有限，设计人员经 常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的ROM。 这就

23、出现了这就出现了PROM可编程只读存储器。可编程只读存储器。 PROM的整体结构和掩模的整体结构和掩模ROM一样，也有地址一样，也有地址 译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储 矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了1. 如图如图7.2.6所示所示 在图在图7.2.6中，三极管的中，三极管的be结接结接 在字线和位线之间，相当于字线和在字线和位线之间，相当于字线和 位线之间的二极管。快速熔断丝接位线之间的二极管。快速熔断丝接 在发射极，当想写入在发射极，当想写入0时，只要把相时，只要把相

24、 应的存储单元的熔断丝烧断即可。应的存储单元的熔断丝烧断即可。 但只可编写一次但只可编写一次 图图7.2.6 图图7.2.7为为168位位 的的PROM结构原理结构原理 图。写入时，要使图。写入时，要使 用编程器用编程器 7.2.1 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM） 图图7.2.7 由此可见由此可见PROM的内容一旦写入则无法更改，只的内容一旦写入则无法更改，只 可以写一次，为了能够经常修改存储的内容，满足设可以写一次，为了能够经常修改存储的内容，满足设 计的要求，需要能多次修改的计的要求，需要能多次修改的ROM，这就是可擦除重，这就是可擦除重 写的写的ROM。这种擦除分为紫外线

25、擦除（。这种擦除分为紫外线擦除（EPROM）和）和 电擦除电擦除E2PROM。 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（EPROM） 一、一、 EPROM（UltraViolet Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称UVEPROM） EPROM和前面的和前面的PROM在总体结构上没有大的在总体结构上没有大的 区别，只是存储单元不同，采用叠栅注入区别，只是存储单元不同，采用叠栅注入MOS管管 （Stackedgate Injuction MetalOxide Semiconductor，简称，简称SIMOS）做为存储单元。

26、）做为存储单元。 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（EPROM） 1. 采用叠栅技术的采用叠栅技术的MOS管管SIMOS 图图7.2.8为为SIMOS的结构原理图和符号。它是一个的结构原理图和符号。它是一个N沟沟 道增强型道增强型MOS管，有两个重叠的栅极控制栅管，有两个重叠的栅极控制栅GC 和浮置栅和浮置栅Gf。控制栅。控制栅GC用于控制读写，浮置栅用于控制读写，浮置栅Gf用于用于 长期保存注入的电荷。长期保存注入的电荷。 浮置栅 控制栅 : : f c G G 图图7.2.8 浮置栅 控制栅 : : f c G G 图图7.2.8 7.2.3 可擦除的可编程只

27、读存储器（可擦除的可编程只读存储器（EPROM） 当浮置栅上没注入电荷时，在控制栅上加上正常电当浮置栅上没注入电荷时，在控制栅上加上正常电 压时能够使漏源之间压时能够使漏源之间 产生导电沟道，产生导电沟道，SIMOS管导通。管导通。 但当浮置栅注入负电荷以后，必须在控制栅上加更高的但当浮置栅注入负电荷以后，必须在控制栅上加更高的 电压，才能抵消浮置栅上负电荷形成导电沟道，故电压，才能抵消浮置栅上负电荷形成导电沟道，故 SIMOS管在栅极加正常电压时是不会导通的。管在栅极加正常电压时是不会导通的。 2.工作原理工作原理 由由SIMOS管构成的存储单元管构成的存储单元 如图如图7.2.9所示。所示

28、。 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（EPROM） 当设计人员想写入当设计人员想写入“1”时，首先时，首先 应在漏源之间加较高的电压应在漏源之间加较高的电压 （20V25V），发生雪崩击穿。同），发生雪崩击穿。同 时在控制栅上加以高压脉冲时在控制栅上加以高压脉冲 （25V/50ms),在栅极电场的作用下，在栅极电场的作用下， 浮置栅上注入电荷。此时浮置栅上注入电荷。此时Gc加正常加正常 高电平时，高电平时，SIMOS截止，截止，Dj1,而浮而浮 置栅未注入电荷，置栅未注入电荷， Gc加正常高电平加正常高电平 时时SIMOS导通，导通， Dj0.即写即写1的操作的操

29、作 就是对浮置栅的充电操作。就是对浮置栅的充电操作。 SIMOS管的管的EPROM用紫外线擦除，再写入新的用紫外线擦除，再写入新的 数据。数据。 年）光灯下分钟（阳光下一周，荧紫外线照射 的泄放通道空穴对，提供浮栅电子生电子“擦除”：通过照射产 ”相当于写入“形成注入电荷到达过 电子穿宽的正脉冲，吸引高速上加同时在 发生雪崩击穿）间加高压（“写入”：雪崩注入 33020 1, 50,25 ,2520, 2 f c GSiO msVG VSD 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（EPROM） 常用的常用的EPROM有有2716(2K8)、 2732(4K8)、2764

30、（8K8)等，等， 型号后面的几位数表示的是存型号后面的几位数表示的是存 储容量，单位为储容量，单位为K。 二二 、E2PROM（Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory，简写为，简写为E2PROM） 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（EPROM） 虽然紫外线擦除的虽然紫外线擦除的EPROM具有重写功能，但擦除具有重写功能，但擦除 操作复杂，速度慢。为了祢补这些不足，则产生了用操作复杂，速度慢。为了祢补这些不足，则产生了用 电信号擦除的电信号擦除的PROM就是就是E2PROM 。 E2PROM的存的存 储

31、单元采用浮栅储单元采用浮栅 隧道氧化层隧道氧化层MOS 管，简称管，简称Flotox 管，其结构图和管，其结构图和 符号如图符号如图7.2.11 所示。所示。 图图7.2.11 Flotox的结构与的结构与SIMOS管相似，也是管相似，也是N沟道沟道MOS 管，也有两个栅极控制栅管，也有两个栅极控制栅Gc和浮置栅和浮置栅Gf。不同的。不同的 是是Flotox管的浮置栅和漏区之间有个氧化层极薄的区管的浮置栅和漏区之间有个氧化层极薄的区 域域( 210 8m）隧道区。当隧道区的电场达到一 ）隧道区。当隧道区的电场达到一 定程度（定程度（ 107V/cm）时，便在漏区和浮置栅之间出现）时，便在漏区和

32、浮置栅之间出现 导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。 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（EPROM） 图图7.2.11 在使用在使用Flotox管做存储单元时，为了提高擦、写的可管做存储单元时，为了提高擦、写的可 靠性，在靠性，在E2PROM的存储单元中除了的存储单元中除了Flotox管子外，管子外， 还有一个选通管，如图还有一个选通管，如图7.2.12所示。所示。 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（EPROM） *工作原理：工作原理： a. 读出状态读出状态 在读出时，控制栅在读出时，控制栅G

33、c加加 3V电压，如图电压，如图7.2.12所示，若所示，若Wj 1，此时选通管，此时选通管T2导通，若导通，若 Flotox的浮置栅没充电荷，则的浮置栅没充电荷，则T1 导通，在位线导通，在位线Bj上读出为上读出为0 ；若；若 Flotox的浮置栅上充有电荷，则的浮置栅上充有电荷，则 T1截止，在位线截止，在位线Bj上读出为上读出为1. 图图7.2.12 Gf 3V 5V b. 擦除（写擦除（写1）状态）状态 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（EPROM） 当擦除状态时，在当擦除状态时，在 控制栅和位线加高电压控制栅和位线加高电压 脉冲脉冲(20V/10ms)，

34、使得浮，使得浮 置栅上存储电荷。当控置栅上存储电荷。当控 制栅加正常电压时，制栅加正常电压时， Flotox管截止，一个字节管截止，一个字节 被擦除，则这个字节的被擦除，则这个字节的 所有存储单元为所有存储单元为1的状态。的状态。 c.写入（写写入（写0)状态状态 在写入情况下，令控在写入情况下，令控 制栅为制栅为0V，同时在在字线，同时在在字线 和位线上加和位线上加20V/10ms的脉的脉 冲电压，应使写入的那些冲电压，应使写入的那些 单元的单元的Flotox管的浮置栅放管的浮置栅放 电，然后在控制栅电，然后在控制栅Gc加正加正 常的常的3V电压，使电压，使Flotox 管导通，则所存储的内

35、容管导通，则所存储的内容 为为0. 注：虽然注：虽然E2PROM改用电信号擦除，但由于擦除和写改用电信号擦除，但由于擦除和写 入需要加高电压脉冲，且擦除和写入的时间仍然较长，入需要加高电压脉冲，且擦除和写入的时间仍然较长， 所以正常工作只做所以正常工作只做ROM用。用。 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（EPROM） 010100 0101010111 01010122 01010133 ),( ),( ),( ),( AAAAFD AAAAAAAAFD AAAAAAFD AAAAAAFD 结论：用具有结论：用具有n位输入地址和位输入地址和m位位 数据输出的数据输

36、出的ROM可以获得一组可以获得一组 （最多（最多m个）任何形式的个）任何形式的n变量组变量组 合逻辑函数。合逻辑函数。 CBBAY 0 例例 用用ROM实现下列组合逻辑函数。实现下列组合逻辑函数。 CBACDDABY 1 BCDACY 2 DBACDABCY 3 解：解： )11,10, 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2( 0 mY )15,14,13,12,11, 5 , 4( 1 mY )15,14,11,10, 7( 2 mY )15,14,11, 9 , 3 , 1 ( 3 mY )11,10, 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2( 0 mY )15,14,13,12

37、,11, 5 , 4( 1 mY )15,14,11,10, 7( 2 mY )15,14,11, 9 , 3 , 1 ( 3 mY )11,10, 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2( 0 mY 7.3 随机存储器随机存储器（RAM） 随机存储器也叫随机读随机存储器也叫随机读/写存储器，即在写存储器，即在RAM工工 作时，可以随时从任一指定的地址读出数据，也可作时，可以随时从任一指定的地址读出数据，也可 随时将数据写入指定的存储单元。随时将数据写入指定的存储单元。 其特点是：读、写方便，使用灵活。缺点是：存入的其特点是：读、写方便，使用灵活。缺点是：存入的 数据易丢失（即停电后数据随

38、之丢失）。分类：静态数据易丢失（即停电后数据随之丢失）。分类：静态 随机存储器（随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（）和动态随机存储器（DRAM）。）。 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 SRAM电路一般由存储矩阵、地址译码器和读电路一般由存储矩阵、地址译码器和读/ 写控制电路（也叫输入写控制电路（也叫输入/输出电路）三部分组成，其输出电路）三部分组成，其 框图如图框图如图7.3.1所示。所示。 其中：其中： *存储矩阵：它是由许多存储单元排列而成，每个存存储矩阵：它是由许多存储单元排列而成，每个存 储单元都能存储储

39、单元都能存储1位二值数据（位二值数据（1或或0)，在译码器和读，在译码器和读/ 写电路的控制下，即可写入数据，也可读出数据。写电路的控制下，即可写入数据，也可读出数据。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 图图7.3.1 *地址译码器：地址译码器： 地址译码器一般都分为地址译码器一般都分为行地址译码器和列地址译行地址译码器和列地址译 码器码器两部分。行地址译码器将输入的地址代码的若干两部分。行地址译码器将输入的地址代码的若干 位位A0Ai译成某一条字线的输出高、低电平信号，从存译成某一条字线的输出高、低电平信号，从存 储矩阵中选中一行存储单元；储矩阵中选中一行存储单元； 7

40、.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 列地址译码器将输入地址代码的其余几位列地址译码器将输入地址代码的其余几位Ai 1 An1 译成某一根输出线上的高、低电平信号，从字线选中译成某一根输出线上的高、低电平信号，从字线选中 的一行存储单元中再选的一行存储单元中再选1位（或几位），使这些被选位（或几位），使这些被选 中的单元经读中的单元经读/写控制电路与输入写控制电路与输入/输出接通，以便对输出接通，以便对 这些单元进行读、写操作。这些单元进行读、写操作。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） *读读/写控制电路写控制电路: 读读/写控制电路用于对电路的工作状态进

41、行控制。当写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。当 读读/写控制信号写控制信号R/W =1时，执行读操作时，执行读操作，将存储单元里，将存储单元里 的数据送到输入的数据送到输入/输出端上；输出端上；当当 R/W 0时，执行写操时，执行写操 作作，加到输入，加到输入/输出端上的数据被写入存储单元中。在读输出端上的数据被写入存储单元中。在读 /写控制电路中另设有片选输入端写控制电路中另设有片选输入端 CS 。当。当CS 0时，时， RAM为正常工作状态；当为正常工作状态；当CS 1时，所有的输入时，所有的输入/输出输出 端均为高阻态，不能对端均为高阻态，不能对RAM进行读进行读/写操作。写操作。

42、 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 注：上述框图的双向注：上述框图的双向 箭头表示一组可双向箭头表示一组可双向 传输数据的导线，它传输数据的导线，它 所包含的导线的数目所包含的导线的数目 等于并行输入等于并行输入/输出输出 数据的位数。数据的位数。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） *总之，一个总之，一个RAM有三根线：有三根线：地址线是单向的，它传地址线是单向的，它传 送地址码（二进制），以便按地址访问存储单元。送地址码（二进制），以便按地址访问存储单元。数数 据线是双向的，它将数据码（二进制数）送入存储矩阵据线是双向的，它将数据码（二进制数）送入

43、存储矩阵 或从存储矩阵读出。或从存储矩阵读出。读读/写控制线传送读（写）命令，写控制线传送读（写）命令， 即读时不写，写时不读。即读时不写，写时不读。 图图7.3.2为为10244位的位的RAM2114的工作原理图的工作原理图 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）图图7.3.2 A9 地址译码器：地址译码器：10根地址线根地址线A0A9，分，分2组，组，6根行地址根行地址 输入线输入线A8A3加到行地址译码器上，其输出为加到行地址译码器上，其输出为2664根根 行地址输出线行地址输出线X0X63；4根列地址输入线根列地址输入线A2A0、A9 加到列地址译码器上，译出加到列地址

44、译码器上，译出24 16列地址输出线，其列地址输出线，其 输出信号从已选中一行里挑出要读写的输出信号从已选中一行里挑出要读写的4个存储单元，个存储单元， 即每个字线包含即每个字线包含4位位I/O1 I/O4。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 逻辑符号如图逻辑符号如图7.3.3所示所示 图图7.3.3 其中：其中： 存储单元：存储单元：64644096， 排列成排列成64行和行和64列的矩阵列的矩阵 *I/O1 I/O4：数据输入：数据输入 端也是数据读出端。读端也是数据读出端。读/ 写操作是由写操作是由 R/W 和和 CS 控制的。控制的。 *读读/写控制：当写控制：当

45、 CS 0， R/W 1时，为读出状态，时，为读出状态， 存储矩阵地数据被读出，数据从存储矩阵地数据被读出，数据从I/O1 I/O4输出。当输出。当CS 0, R/W 0时，执行写入操作，时，执行写入操作，I/O1 I/O4上的数据上的数据 写入到存储矩阵中。写入到存储矩阵中。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 若若CS 1 ，则所有的，则所有的I/O端都处于禁止状态，将存储端都处于禁止状态，将存储 器内部电路与外部连线隔离，此时可以直接把器内部电路与外部连线隔离，此时可以直接把I/O1 I/O4与系统总线相连，或将多片与系统总线相连，或将多片2114的输入的输入/输出端

46、并输出端并 联使用。联使用。 如：如： A9A2A0=0001,A8 A3=111110时，则时，则 Y1=1,X62=1,这样可这样可 对它们交点对它们交点D4D1 进行读写操作。进行读写操作。 * 存储矩阵：存储矩阵：2114中有中有64行行（164)列列4096个存个存 储单元，每个存储单元都是由储单元，每个存储单元都是由6个个NMOS管组成，其管组成，其 示意图如图示意图如图7.3.4所示。所示。 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 静态存储单元静态存储单元 是在静态触发器的是在静态触发器的 基础上附加门控管基础上附加门控管 而成，它是靠触发而成，它是靠触发 器的自

47、保持功能存器的自保持功能存 储数据的。储数据的。 图图7.3.5是由六是由六 只只N沟道增强型沟道增强型 MOS管组成的静管组成的静 态存储单元。态存储单元。 1.MOS管构成：管构成： 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 图图7.3.5 图图7.3.5 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 其中：其中： T1T4：组成基本：组成基本 SR锁存器，用于锁存器，用于 记忆一位二值代记忆一位二值代 码；码； T5、T6 ：是门控：是门控 管，作模拟开关管，作模拟开关 使用，用来控制使用，用来控制 触发器的触发器的Q、Q ， 和和 位线位线Bj、Bj 之之 间的

48、联系。间的联系。 T5、T6的开关状态的开关状态 是由是由 字线字线Xi 决定，决定， 当当Xi 1时，时， T5、 T6导通，锁存器的导通，锁存器的 输出和位线接通；输出和位线接通； 当当 Xi0时，时， T5、 T6截止，锁存器与截止，锁存器与 位线断开。位线断开。 图图7.3.5 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） T7、T8 ：是每一列：是每一列 存储单元公用的两存储单元公用的两 个门控管，用于和个门控管，用于和 读读/写缓冲放大器写缓冲放大器 之间的连接之间的连接 j Y T7、T8是由列地是由列地 址译码器的输出址译码器的输出 端端Yj来控制的。来控制的。 当当

49、 Yj1时，所时，所 在的列被选中在的列被选中 ， T7、T8导通，这导通，这 时第时第i行第行第j 列的列的 单元的单元与缓单元的单元与缓 冲器相连；当冲器相连；当 Yj 0 时，时， T7、T8 截止。截止。 图图7.3.5 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 当存储单元所在当存储单元所在 的一行和所在地的一行和所在地 一列同时被选中一列同时被选中 以后，即以后，即Xi 1 ， Yj1 ，T5、T6 、 T7、T8均处于导均处于导 通状态，通状态， Q、Q 和和 Bj、Bj 之间接之间接 通。通。 若这时若这时CS

50、 0，R/W 1,则读则读/写缓冲放大器的写缓冲放大器的A1接通，接通， A2、A3不通，不通，Q的状态经的状态经A1送到送到I/O端，实现数据读出端，实现数据读出 图图7.3.5 若若 CS 0，R/W 0 ，则，则A1不通，不通， A2、A3接通，加接通，加 到到I/O的数据被写的数据被写 入存储单元。入存储单元。 注：由于注：由于CMOS 电路的功耗极低，电路的功耗极低， 虽然制造工艺比虽然制造工艺比 较复杂，但大容较复杂，但大容 量的静态存储器量的静态存储器 几乎全部采用几乎全部采用 CMOS存储单元存储单元 7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM） 图图7.3.5 7.

51、4 存储容量的扩展存储容量的扩展 当使用一片当使用一片ROM或或RAM器件不能满足对存储容器件不能满足对存储容 量的需求时，则需要将若干片量的需求时，则需要将若干片ROM或或RAM组合起来，组合起来， 构成更大容量的存储器。构成更大容量的存储器。存储容量的扩展方式有两种：存储容量的扩展方式有两种： 位扩展方式和字扩展方式。位扩展方式和字扩展方式。 7.4.1 位扩展方式位扩展方式 若每一片若每一片ROM或或RAM的的字数够用而位数不足字数够用而位数不足时，时， 应采用位扩展方式。接法：将各片的地址线、读写线、应采用位扩展方式。接法：将各片的地址线、读写线、 片选线并联即可片选线并联即可 图图7

52、.4.1是用是用8片片10241的的RAM构成构成10248的的RAM 接线图。接线图。 7.4.1 位扩展方式位扩展方式 图图7.4.1 图图7.4.2是由两片是由两片2114扩展成扩展成10248位的位的RAM电路连电路连 线图。线图。 7.4.1 位扩展方式位扩展方式 7.4.2 字扩展方式字扩展方式 若每一片存储器若每一片存储器(ROM或或RAM）的数据位数够而）的数据位数够而 字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存 储器的字数，得到字数更多的存储器。储器的字数，得到字数更多的存储器。 例例7.4.1 用用4片片2568位的位的RAM接成一个接成一个10248位的位的 RAM接线图接线图 WR AAAA OIOI 写信号：读 地址线： 数据线： / 9870 70 , 70 OIOI. 9870 ,.AAAAWR 10248 RAM SC WR AA OIOI 片选信号： 写信号：读 地址线： 数据线： / 70 70 解：解： 每一片每一片2568的的A0 A7可提供可提供28256个地址，为个地址，为0 0到到11，用扩展的字，用扩展的