数字电路基础D0601只读存储器ROMA

1、6.1半导体存储器（A） 存储器就是存储信息的设备或组件。存储器的种类很多，常见的有磁盘、磁带、光盘、电宿胡合器件以及半导体存储器等。半导体存储器以半导体器件为基本存储单元，存储大量的二值数据(O或1)，用集成工艺制成，属于大规模集成电路。半导体存储器目前主要用于计算创的内存储器和数字系统的存储设备。 半导体存储器的种类很多，根据用户能对存储器进行的操作分为只读存储器(ReadOnljMemory，ROM)和随机读写存储器(Random Access Memory，RAM)两大类；从制作工艺上又把存储器分为双极型和MOS型。双极型存储器工作速度高，但制造工艺复杂，成本高，功耗大，集成度低，主要

2、用于高速场合。MOS型存储器制造工艺简单，成本低，功耗小，集成度高，所以目前大容量的存储器都是采用MOS型存储器。 6-1-1 只读存储器(ROM) 只读存储器有各种各样的类型，根据采用的基本存储单元工作原理的不同，可分为固定内容的只读存储器、光擦除可编程的只读存储器(EPROM)、电擦除可编程的只读存储器(E2PROM)等等。习惯上根据存储器的数据能否改写将存储器分为以下三类： · 固定内容的只读存储器(ROM)； · 一次改写的只读存储器(PROM)； · 可多次改写的只读存储器(EPROM，E2PROM)。 1固定内容的只读存储器(ROM) 固定内容的只读存

3、储器(ROM)是采用掩模工艺制作的，存储器的数据在芯片的制作过程中就确定了。产品出厂时存储的数据已经固化在芯片上。数据只能读出，不能写入。ROM的电路结构如图6-1-1所示。 存储矩阵是ROM的主体，一个ROM由若干个基本存储单元组成，每个基本存储单元可存放一位二值代码，基本存储单元可以用二极管构成，也可以用三极管或MOS管构成。为了存取方便，通常将存储单元设计成矩阵形式，所以称为存储矩阵。 基本存储单元越多，存储器存储的信息越多，表示该存储器的容量越大。存储容量通常指存储矩阵中基本存储单元的总数。存储容量很大而器件的引脚数目有限，不可能像寄存器那样把每个基本存储单元的输入和输出单独引出，这样

4、就引入了地址译码器。 地址译码器可以对每个存储单元的所在位置进行编码。每个存储单元分配一个地址码，当输入一个地址码时，就可以在存储矩阵中找到相应的存储单元，对存储单元进行相应的操作。 输出及控制电路能提高存储器的带负载能力，还可以实现对输出状态的三态控制，方便与系统的总线联接。 图6-1-2所示为2位地址输入端，4位数据输出端，由二极管构成的ROM电路 2位地址输入代码AlAo经地址译码器后分别译成W。W3四根线上的高电平信号，分别代表4个不同的地址。每个地址存放一个4位二进制信息，并在D3一DO四根线上将4位二进制信息输出。通常将D3D2DlDO表示的代码叫一个字，将Wo一W3称为字线，DO

5、一D3为位线(数据线)，Al、AO称为地址线。 只要给出存储器内不同存储单元的地址，存储单元的内容便可以在输出数据线D3一Do 上读到。例如，当AlAo11时，W3l(Wo一W2均为0)，D3、D2、D1三根线分别与 W3间接有二极管，二极管导通后使D3、D2、D1为高电平，Do为低电平。如果这时使能 信号有效(EN0)，经输出缓冲器在输出端得到D3D2DlDOl110。全部地址内的存储内容 如表61l所示。字线与地址线的逻辑关系为： 位线与字线之间的关系：D0 = W0 + W1D1 =W1 + W2 + W3D2 =W0 + W2 + W3 D3Wl十W3 可以看出，地址译码器输出Wo-W

6、3是地址输入变量的所有最小项，表明地址译码器构成与门阵列，存储矩阵为或门阵列。与门阵列输出每条字线均为最小项，不可以编程。或门阵列不同的输入，在数据输出端就可以得到的最小项与或表达式。图6-1-2可用图6-1-3所示的ROM阵列结构示意图来表示。 图中字线和位线的每个交叉点对应一个存储单元，交叉点上的黑点，表示该存储单元的内容为1；交叉点上无黑点，表示该存储单元的内容为0。交叉点的数目也就是存储单元数，、即为前面提到的存储容量。图6-1-2所示的ROM存储器的存储容量=字数*位数=4*4位。 固定内容的只读存储器(ROM)也可以采用MOS管构成，若完成图61-3阵列结构的功能，需要将地址译码器

7、；存储阵列和输出缓冲器全部用MOS管代替，将交叉点处曲二极管换成NMOS管即可。 对图6-l-2的分析可以看出，固定内容的只读存储器(ROM)存储的内容是固定的。一旦出厂则无法改变存储的数据，只能读出。由于它的可靠性高，集成度高，价格便宜。定型的产品上经常可以见到。 在开发新产品时，设计人员需要将自己所需的存储器内容迅速写到存储器里，进行调试。这样有了可一次改写的只读存储器(PROM)。一次改写的只读存储器(PROM)的电路结构与固定只读存储器一样，也是由存储矩阵、地址译码器和输出部分组成。但是其存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储器件，相当于在所有的存储单元内都存了1。存储器件的原理图如图6

8、-1-4所示。图中，存储器件由三极管和串在发射极的快速熔断丝组成。三极管的发射结相当于接在字线和位线间的二极管，写人数据时只要设法将存入0的那些存储单元上的熔丝烧断就可以了。一经编程写入后，存储单元内的数据就是永久性的无法再更改。 3可多次改写的只读存储器(EPROM，E2PROM) 由于存储单元工作原理不同，可多次改写的只读存储器有各种各样的类型，常见的如光擦除可编程，的只读存储器(EPROM)、电擦除可编程的只读存储器(E2PROM)等等。（1）光擦除可编程的只读存储器(U1traViolet Erasable Programmable Read Only Memory，UVEPROM)是

9、最早投入使用的EPROM；我们习惯上所说的EPROM 就是指光擦除可编程的只读存储器。如果将PROM存储单元中的熔断丝用浮置栅雪崩注入MOS管(Floatinggate AvalancheInjection MetalOxideSemiconductor，FAMOS管)代替，由于FAMOS管的特性，用户可以实现信息的多次写入和擦除。FAMOS管的结构和 符号示意图如图6-l-5所示。它与普通MOS管类似，但是栅极浮 置在Si02层中，与其它部分没有任何连接，处于完全绝缘状态；栅极不带电， FAMOS管处于截止状态。我们可以画 出使用FAMOS管的存储单元电路视图6-l-6所示。因为FAMOS管

10、处于截止状态，故存储单元的内容为0。 我们在使用EPROM编程时，数据的写入是由写入器完成的。如果我们希望清除存储单元的内容，需要先用紫外线照射FAMOS管的栅极氧化层，Si02层中将产生电子空穴对为俘置栅上的电荷提供放电通道；当浮置栅上的电荷消失后，导电沟道随之消失，FAMOS管回到截止状态，完成擦除过程。对于EPROM的擦除使用擦除器。为了方便擦除，在器件表面密闭留有石英窗口，写好数据后，应将石英窗口遮盖，以防、数据丢失。(2)E2PROMEPROM，可多次写入，每次写之前都必须用紫外光擦除存储器中原有的信息。E2PROM(Electrically Erasable Programmabl

11、e Read Only Memory)是用电信号可擦除的可编程ROM，EEPROM 的结构和符号示意图如图6-1-7所示，由图中可见，其结构与EPROM类似，但工作原理不同。，浮栅Gl与漏极之间有一很小的薄层氧化层区，能产生隧道效应。 当漏极D接地，G2栅极加正脉冲时，由于隧道效应，电子由衬底注入到Gl浮栅，相当于 存储了 1 ，若漏极D加正脉冲时，G2栅接地，G1浮栅上电子通过隧道返回衬底，相当于写 0。由于写入和擦除是同时进行的，所以每次写入时，就以新的信息代替原来存储的信息。 由于器件内部设置了升压电路，E2PROM可以在器件的工作电压下随时改写，擦除和写入。 图6-1-7置EPROM存

12、储单元新一代用电信号擦除的可编程ROM闪速存储器(F1ash Memory)，吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，在编程方法上，与EPROM原理相似。擦除方式上则与E2PROM技术相似，保留了E2PROM用隧道效应擦除、写入的快捷特性，集成度可以做得很高，获得了广泛的应用。 4用ROM实现组合逻辑函数 由ROM结构可以看到，其译码器输出是全部输入变量的最小项，而每一位数据的输出又都是某些最小项之和。因此，任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM中写入相应的数据来实现。 例6-1-1 试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数，画出存储器的阵列结构图。 解首先将函数化为最小项之和的形式。 为了书

13、写方便，通常将函数记为Zmi的形式。这样就有： F1S(2，3，6，7) F2S(6，7，10，14)F3=S(0，2，4，6，9，14)F4=S(0,1,2，3，4，6，7，8，9，10，11，12，13，14) 确定输入端和输出端个数及ROM的容量。 由所给表达式知输入为4个变量，有4个输出端。故选用有4位地址输入，4位数据输出的16×4位的ROM，将A、BiC、D分别接至地址输入端，按照逻辑函数表达式存入相应的数据，即可在数据输出端得到Fl、F2、F3、F4。ROM存储矩阵内的数据表，如表6l2所示。根据ROM存储矩阵内的数据表，将数据写入对应的地址单元内，圆点对应存储器件，接入存储器件表示存l，不接人存储器件表示存0。存储器的阵列结构图如图6-l-8所示。 例6-1-2用ROM实现4位二进制码到格雷码的转换。解列出4位二进制码转换为格雷码的真值表，如表6-1-3所示。其中BoB3为输入变量。 由真值表写出最小项表达式： G3S(8，9，10，ll，12，13，14，15)， G2S(4，5，6，7，8，9，10，1