第六章 半导体存储器

1、第六章第六章 半导体存储器半导体存储器计算机科学与工程系2第第6章章 半导体存储器半导体存储器 半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用于计算机的内存及数字系统存储部件。6.1 概述概述6.2 只读存储器只读存储器6.3 随机存取存储器 计算机科学与工程系36.1 概述概述 6.1.1 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类n 按存储信号的原理不同：按存储信号的原理不同： 分为静态存储器和动态存储器两种。 分成TTL和MOS存储器两大类。TTL型速度快，MOS型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点。n按制造工艺不同分类：按制造工艺不同分类

2、：计算机科学与工程系4静态存储器静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和1的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；动态存储器动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电。 称为刷新。动态存储器都为MOS型。n按工作特点不同：按工作特点不同： 分成只读存储器、随机存取存储器。计算机科学与工程系5 6.1.2 半导体存储器的主要技术指标：半导体存储器有两个主要技术指标：存储容量和存取时间。1、存储容量：存储器中存储单元个数叫存储容量，即存放二进制信息的多少。计算机科学与工程系6n存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做字

3、长。例如，16位构成一个字，该字的字长为16位。一个存储单元只能存放一位二值代码，要存储字长为16的一个字，就需要16个存储单元。若存储器能够存储1024个字，就得有102416个存储单元。通常,存储容量应表示为字数乘以位数。 计算机科学与工程系7例如: 某存储器能存储1024个字 ，每个字4位，那它的存储容量就为10244=4096，即该存储器有4096个存储单元。p 存储器写入（存）或者读出（取）时，每次只能写入或读出一个字。若字长为8位，每次必须选中8个存储单元。选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址码来决定。计算机科学与工程系8p 地址码的位数n与字数之间存在2n=字数的

4、关系。如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存210=1024个字。 2、存取周期 连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。 计算机科学与工程系9 6.2 只读存储器半导体只读存储器(Read-only Memory,简称ROM)是只能读不能写的存储器。通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符等。只读存储器为非易失性存储器，去掉电源，所存信息不会丢失。计算机科学与工程系10ROM按存储内容的写入方式，可分为固定ROM,可编程序只读存储器，简称（PROM)和可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memo

5、ry，简称EPROM)。固定固定ROM：在制造时根据特定的要求做成固定的存储内容，出厂后，用户无法更改，只能读出。计算机科学与工程系11PROM：存储内容可以由使用者编制写入，但只能写入一次，一经写入就不能再更改。EPROM：存储内容可以改变，但EPROM所存内容的擦去或改写，需要专门的擦抹器和编程器实现。在工作时，也只能读出。E2PROM：可用电擦写方法擦写。计算机科学与工程系126.2.1 固定只读存储器(ROM) 图图6-1 ROM结构图结构图ROM由地址译由地址译码器、存储矩阵、码器、存储矩阵、输出和控制电路输出和控制电路组成，如图组成，如图6-1所示。所示。计算机科学与工程系13图图

6、6-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出电路输出电路字线字线计算机科学与工程系14图6-2是一个44位的NMOS固定ROM。地址译码器：有两根地址输入线A1和A0，共有4个地址号，每个地址存放一个4位二进制信息；译码器输出线：W0、W1、W2、W3称为字线，由输入的地址代码A1A0确定选中哪条字线。被选中的数据经过输出缓冲器输出。计算机科学与工程系15存储矩阵：是NMOS管的或门阵列。一个字有4位信息，故有四条数据线输出又称为位线。它是字位结构。存储矩阵实际上是一个编码器，工作时编码内容不变。位线经过反相后输出，即为ROM的输出端D0、D1、D2、D

7、3。 0123,D D D D计算机科学与工程系16每根字线和位线的交叉处是一个存储单元，共有16个单元。交叉处有NMOS管的存储单元存储“1”，无NMOS管的存储单元存储“0”。例如，当地址A1A0=00时，则W0=1（W1、W2、W3均为0），此时选中0号地址使第一行的两个NMOS管导通， 计算机科学与工程系17经输出电路反相后，经输出电路反相后，输出输出D3D2D1D0=0101。因此，选中一个地址，因此，选中一个地址，该行的存储内容输出。该行的存储内容输出。四个地址存储的内容四个地址存储的内容如表如表6-1所示。所示。1100D01011D20101D10101D3内 容0 00 11

8、 01 1A1 A0地 址表表6-1 ROM中的信息表中的信息表20310,0,1DDDD计算机科学与工程系18固定ROM的编程是设计者根据要求确定存储内容，设计出存储矩阵，即哪些交叉点（存储单元）的信息为1，哪些为0。为1的制造管子，为0的不需制造管子，画出存储矩阵编码图。通常，存储矩阵中有管子处，用“码点”表示，由生产厂制作。图6-2的存储矩阵简化编码图如图6-3所示。计算机科学与工程系19位线与字线之间逻辑关系为：D0=W0+W 1D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3图图6-3 ROM的符号矩阵的符号矩阵计算机科学与工程系20p存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存

9、储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩阵是或矩阵。地址译码器的输出和存储矩阵是或矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关系，因此输入是与的关系，因此ROM是一个多输是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）的入变量（地址）和多输出变量（数据）的与或逻辑阵列。与或逻辑阵列。 计算机科学与工程系21 PROM和和ROM的区别在于的区别在于ROM由厂家由厂家编程，编程，PROM由用户编程。出厂时由用户编程。出厂时PROM的的内容全是内容全是0或全是或全是1，使用时，用户可以根据，使用时，用户可以根据需要编好代码，写入需要编好代码，写入PROM中。中。计算机科学与工程系22图图6-4 326-4 32

10、字字8 8位熔断丝结构位熔断丝结构PROMPROM这种电路存这种电路存储内容全部为储内容全部为0。如果想使某单如果想使某单元改写为元改写为1，需，需要使熔断丝通要使熔断丝通过大电流，使过大电流，使它烧断。一经它烧断。一经烧断，再不能烧断，再不能恢复。恢复。计算机科学与工程系23 6.2.3 可擦可编程只读存储器(EPROM) 可擦除可编程存储器又可以分为：光可擦除可编程存储器UVEPROM(UltraViolet Ereasable Programmable ReadOnly Memory)电可擦除可编程存储器E2 PROM (Electrical Ereasable Programmable

11、 ReadOnly Memory)快闪存储器(Flash Memory)等。 计算机科学与工程系24例例6-1试用试用ROM设计一个能实设计一个能实现函数现函数y=x2的运算表电路的运算表电路,x的的取值范围为取值范围为015的正整数。的正整数。解：因为自变量解：因为自变量x的取值范围为的取值范围为015的正整数的正整数,所以应用所以应用4位二位二进制正整数进制正整数,用用B=B3B2B1B0表表示示,而而 y的最大值是的最大值是=225,可以用可以用8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。根据根据y=x2的关系可列出的关系可列出Y7、 Y6、Y5、Y4、Y3、Y

12、2、Y1、Y0计算机科学与工程系250149162536496481100121144169196225十进制数注0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7

13、Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0输 出0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0输 入真值表真值表计算机科学与工程系26根据表达式画出ROM存储点阵如下图。ROM点阵图点阵图计算机科学与工程系276.3 随机存取存储器随机存取存储器 n随机存取存储器RAM（Random Access Memory）可随时从任一指定地址存入（写入）或取出（读出）信息。n在计算机中，RAM用作内存储器和高

14、速缓冲存储器。RAM分为静态RAM和动态RAM；静态RAM又分为双极型和MOS型。计算机科学与工程系28 6.3.1 静态RAM 1、双极型RAM存储单元; 2、静态MOS型RAM ;计算机科学与工程系29 6.3. 2 动态RAM n动态RAM与静态RAM的区别在于：信息的存储单元是由门控管和电容组成。用电容上是否存储电荷表示存1或存0。为防止因电荷泄漏而丢失信息，需要周期性地对这种存储器的内容进行重写，称为刷新。动态MOS存储单元电路主要是三管和单管结构。 计算机科学与工程系306.3.3 集成RAM简介 以Intel公司的MOS型静态2114为例。计算机科学与工程系31图6-14是Int

15、el公司的MOS型静态2114的结构图。10244位RAM。可以选择4位的字1024个。采用X、Y双向译码方式。4096个存储单元排列成64行64列矩阵，64列中每四列为一组，分别由16根Y译码输出线控制。即每一根译码输出线控制存储矩阵中四列的数据输入、输出通路，读写操作在 （读/写信号）和 （选片信号）的控制下进行。CSWR/图图6-14 2114RAM10244位位 存储器结构图存储器结构图计算机科学与工程系32 6.3.4 RAM的扩展 nRAM的种类很多，存储容量有大有小。当一片RAM不能满足存储容量需要时，就需要将若干片RAM组合起来，构成满足存储容量要求的存储器。RAM的扩展分为位

16、扩展和字扩展两种。 1. 位扩展 字数满足要求，而位数不够时，应采用位扩展。 计算机科学与工程系33实现位扩展的原则是：多个单片RAM的I/O端分别接到数据线上。多个RAM的CS接到一起，作为RAM的片选端（同时被选中）；地址端对应接到一起，作为RAM的地址输入端。多个单片RAM的R/W端接到一起，作为RAM的读/写控制端（读/写控制端只能有一个）； 计算机科学与工程系34图6-15是用4片2561位的RAM扩展成2564位的RAM的接线图。 图图6-15 RAM位扩展接线图位扩展接线图计算机科学与工程系35 2.字扩展n在RAM的数据位的位数足够，而字数达不到要求时，需要进行字扩展。字数增加

17、，地址线数就得相应增加。如2568位RAM的地址线数为8条，而10248位RAM的地址线数为10条（接线见图6-16）。n实现字扩展的原则是： 多个单片RAM的I/O端并联，作为RAM的I/O端 . 计算机科学与工程系36 多片构成字扩展之后，每次访问只能选中一片，选中哪一片，由字扩展后多出的地址线决定。多出的地址线经译码器译码，接至各片RAM的CS端； 地址端对应接到一起，作为低位地址输入端。 R/W端接到一起作为RAM的读/写控制端（读写控制端只能有一个）；计算机科学与工程系37图图6-16 RAM的字扩展接法的字扩展接法计算机科学与工程系38例6-1 试用10244位RAM实现40968

18、位存储器。解：40968位存储器需10244位RAM的芯片数片一片存储容量总存储器容量84102484096C计算机科学与工程系39n 根据2n =字数，求得4096个字的地址线数n=12，两片10244位RAM并联实现了位扩展，达到8位的要求。n地址线A11、A10接译码器输入端，译码器的每一条输出线对应接到二片10244位RAM的CS 端。连接方式见图6-17所示。计算机科学与工程系40RAM的字、位扩展的字、位扩展地址总线数据总线计算机科学与工程系41半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储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单元可存储一位二进制数 。根据存取功

19、能的不。根据存取功能的不同，同，半导体存储器分为只读存储器半导体存储器分为只读存储器( (ROM) )和随和随机存取存储器机存取存储器( (RAM) )，两者的存储单元结构不，两者的存储单元结构不同。同。ROM 属于大规模组合逻辑电路，属于大规模组合逻辑电路，RAM 属属于大规模时序逻辑电路于大规模时序逻辑电路。本 章 小 结计算机科学与工程系42ROM 用于存放固定不变的数据，存储内容不用于存放固定不变的数据，存储内容不能随意改写。工作时，只能根据地址码能随意改写。工作时，只能根据地址码读出数读出数据。断电后其数据不会丢失据。断电后其数据不会丢失。ROM有固定有固定 ROM( (又称掩膜又称掩膜 ROM) ) 和可编程和可编程 ROM之分。之分。固定固定 ROM 由制造商在制造芯片时，用掩膜技由制造商在制造芯片时，用掩膜技术向芯片写入数据，而可编程术向芯片写入数据，而可编程 ROM 则由用户则由用户向芯片写入数据。可编程向芯片写入数据。可编程 ROM 又分为一次可又分为一次可编程的编程的 PROM 和可重复改写、重复编程的和可重复改写、重复编程的 EPROM 和和 E2PROM。EPROM 为电写入紫外为电写入紫外擦除型，擦除型，E2PROM 为电写入电擦除型，后者比为电写入电擦除型