清华数字电路课件第七章__半导体存储器

1、2022-4-13数电内容提要内容提要 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，也此外，也介绍了存储器扩展容量的连接方法以及用存介绍了

2、存储器扩展容量的连接方法以及用存储器设计组合逻辑电路，储器设计组合逻辑电路，重点放在这里。重点放在这里。2022-4-13数电本章内容本章内容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2022-4-13数电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

3、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7.1.12022-4-13数电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

4、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）。）。2022-4-13数电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

5、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 ：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

6、据写入存储器中，一旦写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固制成，其存储的数据就固定不变，无法更改。定不变，无法更改。2022-4-13数电*EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据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，而且还能擦除不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。它的数据的写入重写，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，为一需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。电擦除的次全部擦除。电擦除的PROM有有 E2PROM和快闪和快闪ROM。7.1

7、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（或者全为（或者全为0),用户用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为将某些单元改写为0(或为或为1)。*PROM在出厂时存储内容全为在出厂时存储内容全为1（或者全为（或者全为0),用户用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为将某些单元改写为0(或为或为1)。2022-4-13数电b.随机存储器随机存储器RAM（读写存储器）（读写存储器） 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

8、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 Memory，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，

9、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。2022-4-13数电（2）从制造工艺上分类）从制造工艺上分类 RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地使用灵活方便，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。 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

10、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储器都是采用储器都是采用MOS工艺制作的。工艺制作的。7.1 概述概述2022-4-13数电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计的，因此出厂时数据已经照用户的要求专门设计的，因

11、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7.2.12022-4-13数电 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的地址代码。一个相应的地址代码。图图7.2.17.

12、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2022-4-13数电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7.2.17.2.1 掩模只

13、读存储器掩模只读存储器2022-4-13数电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7.2.22022-4-13数电其中：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根根线上的

14、高电平信号。线上的高电平信号。 W0W3叫做字线。叫做字线。图图7.2.27.2.1 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）。2022-4-13数电7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器A0An-1W0W(2n-1)字线字线位线位线2022-4-13数电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，并将输出的高低电平变

15、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2022-4-13数电图图7.2.2的存储的内容的存储的内容见表见表7.2.1图图7.2.27.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器2022-4-13数电7.2.1 掩模只读存储器掩

16、模只读存储器图图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7.2.22022-4-13数电注：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

17、因此交叉点的数目即为存储单元数。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字

18、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 。2022-4-13数电 利用利用MOS工艺制成的工艺制成的ROM，其译码器、存储矩阵，其译码器、存储矩阵和输出缓冲器全部采用和输出缓冲器全部采用MOS管。图管。图7.2.5只给出存储矩只给出存储矩阵的原理图。存储的数据与表阵的原理图。存储的数据与表7.2.1相同。相同。图图7.2.57.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器2022-4-13数电由图中可以看出，字线和位线的交叉点，接由图中可以看出，字线和位线的交叉点，接MOS管的管的相当于存相当于存1,没有的相当于存没有的相当于存0.当某根字线为高电平时，当某根字线为高电平时，接在

19、其上的接在其上的MOS导通，其位线为低电平，通过三态非导通，其位线为低电平，通过三态非门后，输出数据为门后，输出数据为1.7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器图图7.2.52022-4-13数电掩模掩模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2022-4-13数电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

20、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

21、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7.2.62022-4-13数电图图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7.2.72022-4-13数电 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

22、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擦除（。这种擦除分为紫外线擦除（EPROM）和）和电擦除电擦除E2PROM，及快闪存储器（，及快闪存储器（Flash Memory）。）。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

23、，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 MetalOxideSemiconductor，简称，简称SIMOS）做为存储单元。）做为存储单元。2022-4-13数电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，

24、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:fcGG图图7.2.82022-4-13数电浮置栅控制栅:fcGG图图7.2.87.2.3 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SIM

25、OS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2022-4-13数电 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。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

26、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。2022-4-13数电年）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330201,50,25,2520,2fcGSiOmsVGV

27、SD7.2.3 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（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。2022-4-13数电二二 、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，

28、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7.2.112022-4-13数电 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

29、的区域域( 2108m）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7.2.112022-4-13数电在使用在使用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

30、。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Gc加加3V电压，如图电压，如图7.2.12所示，若所示，若Wj1，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7.2.12Gf3V5V2022-4-13数电b. 擦除（写擦除（写1）状态）状态7.2.3 可擦除的可

31、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)，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。2022-4-13数电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

32、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）2022-4-13数电三、三、 快闪存储器（快闪存储器（Flash Memory） 其结构和其结构和EPRO

33、M中的中的SIMOS管相似，只是浮置管相似，只是浮置栅和衬底之间的氧化层的厚度不同，快闪存储器中的栅和衬底之间的氧化层的厚度不同，快闪存储器中的此厚度很薄，仅为此厚度很薄，仅为1015nm。以及另外一些特殊的制。以及另外一些特殊的制造技术。因此快闪存储器即吸收了造技术。因此快闪存储器即吸收了EPROM的结构简的结构简单、编程可靠的优点，也保留了单、编程可靠的优点，也保留了E2PROM擦除的快捷擦除的快捷特性，且集成度很高。特性，且集成度很高。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）为提高集成度，省去为提高集成度，省去T2（选通管）改用叠栅（选通管）改用叠栅M

34、OS管管（类似（类似SIMOS管）管）叠栅叠栅MOS管和管和flash存储单元如图存储单元如图7.2.13所示。所示。2022-4-13数电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：若字线为高电平，即若字线为高电平，即Wj1,存储单元的公存储单元的公共端共端Vss0.若浮栅无充电，则叠栅若浮栅无充电，则叠栅MOS管导通，位线管导通，位线Bj输出低电平；若浮栅上充有负电荷，则叠栅输出低电平；若浮栅上充有负电荷，则叠栅MOS管管截止，位线截止，位线Bj输出高电平。输出高电平。5V0V图图7.2.13 叠栅叠栅MOS管和

35、存储单元管和存储单元2022-4-13数电b. 写入状态：写入状态： 首先在叠栅首先在叠栅MOS管的漏极管的漏极经位线加较高的电平（经位线加较高的电平（6V），），Vss0V，在，在 控制栅加一个幅控制栅加一个幅度较大（度较大（12V/10s）的正脉冲，）的正脉冲，使得管子发生雪崩击穿，浮置使得管子发生雪崩击穿，浮置栅出现充电电荷。此时由于叠栅出现充电电荷。此时由于叠栅栅MOS管的开启电压提高，使管的开启电压提高，使得字线上加正常的逻辑电平时得字线上加正常的逻辑电平时管子不会导通，写入管子不会导通，写入1。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）6V0V20

36、22-4-13数电c. 擦除状态：擦除状态： 擦除是利用隧道效应。在擦除是利用隧道效应。在控制栅处于低电平（控制栅处于低电平（0V），源），源极加高幅度正脉冲极加高幅度正脉冲（ 12V/100ms）的情况下，浮）的情况下，浮置栅和源极之间产生隧道效应，置栅和源极之间产生隧道效应，浮置栅的电荷通过隧道区放电，浮置栅的电荷通过隧道区放电，此时管子的开启电压降低，当此时管子的开启电压降低，当字线加正常高电平（字线加正常高电平（5V）时，）时，管子就会导通。由于存储单元管子就会导通。由于存储单元的源极都是连在一起的，故全的源极都是连在一起的，故全部的存储单元同时被擦除，这部的存储单元同时被擦除，这是和

37、是和E2PROM不同的一个地方。不同的一个地方。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）0V5V2022-4-13数电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（即停电后数据随之丢失）。分类：静态数据易丢失（即停电后数据随之丢失）。分类

38、：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。2022-4-13数电其中：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单元都能存储1位二值数据（位二值数据（1或或0)，在译

39、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7.3.12022-4-13数电*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；7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRA

40、M）2022-4-13数电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Ai1 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）2022-4-13数电*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行控制。当写控制电路

41、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。7.3.1 静态随机存储器（静态

42、随机存储器（SRAM）2022-4-13数电注：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）送入存储矩阵或从存储矩阵读出。或从存

43、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。2022-4-13数电图图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7.3.2A92022-4-13数电地址译码器：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，译出加到列地址译码器

44、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2022-4-13数电*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 CS

45、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/输出端并输出端并联使用。

46、联使用。2022-4-13数电如：如：A9A2A0=0001,A8A3=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）2022-4-13数电 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，它是靠触发器的自保持

47、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7.3.52022-4-13数电图图7.3.57.3.1 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 之之间的联系。间的联系。 20

48、22-4-13数电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7.3.57.3.1 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2022-4-13数电jYT7、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 Yj1时，所时，

49、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 Yj0 时，时， T7、T8截止。截止。图图7.3.57.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）2022-4-13数电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 0，R/W 1,则读则读/写缓冲

50、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7.3.52022-4-13数电若若 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7.3.52022-4-13数电2.双极型双极型SRAM

51、的存储单元（自学）的存储单元（自学）7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）*7.3.2 动态随机存储器（动态随机存储器（DRAM）（自学）（自学）7.4 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

52、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2022-4-13数电图图7.4.1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7.4.12022-4-13数电图图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2022-4-13数电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

53、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WRAAAAOIOI写信号：读地址线：数据线：/987070,70OIOI.9870,.AAAAWR10248 RAMSCWRAAOIOI片选信号：写信号：读地址线：数据线：/7070解：解：2022-4-13数电每一片每一片2568的的A0 A7可提供可提供28256个地址，为个地址，为00到到11，用扩展的字，用扩展的字A8、 A9构成的两位

54、代码区别四构成的两位代码区别四片片2568的的RAM，即将，即将A8、 A9译成四个低电平信号，译成四个低电平信号，分别接到四片分别接到四片2568RAM的的CS ，如下表，如下表A9A8CS1 CS2 CS3 CS4 7.4.2 字扩展方式字扩展方式2022-4-13数电四片四片2568RAM地址分配为地址分配为7.4.2 字扩展方式字扩展方式25500007AA5112560107AA7675121007AA10237681107AA(2)(3)(4)2022-4-13数电实现的电路如图实现的电路如图7.4.3所示所示7.4.2 字扩展方式字扩展方式图图7.4.32022-4-13数电图图

55、7.4.4为由为由4片片2114构成的构成的40964位位RAM的电路连线图。的电路连线图。7.4.2 字扩展方式字扩展方式2022-4-13数电其各片其各片RAM电路的地址分配如表电路的地址分配如表7.2.17.4.2 字扩展方式字扩展方式由于由于ROM芯片上没有读芯片上没有读/写控制端，所以除此之写控制端，所以除此之外位扩展方式其余引出线的接法和外位扩展方式其余引出线的接法和RAM相同；而字扩相同；而字扩展方式也同样适用于展方式也同样适用于ROM。2022-4-13数电7.4.2 字扩展方式字扩展方式例例7.4.2 试用试用2564位的位的RAM，用复合扩展的方法组成，用复合扩展的方法组成

56、10248位的位的RAM。要求：要求：画出连线图；画出连线图；指出当指出当R/W =1，地址为，地址为0011001100时，哪个芯片组被选通？时，哪个芯片组被选通？指出芯片组指出芯片组(0)、(1)、(2)、(3)的地址范围。的地址范围。解解 ：（1)先用位扩展方式构成先用位扩展方式构成2568位的位的RAM，其其连线图如图连线图如图7.4.5所示；所示；2022-4-13数电再由字扩展方式构成再由字扩展方式构成10248位位RAM，如图，如图7.4.6所示，所示，所以一共用了所以一共用了8片片2564位的位的RAM。7.4.2 字扩展方式字扩展方式2022-4-13数电(2) 当地址码为当

57、地址码为0011001100,且且R/W =1 时，时，A9A8=00，2568(1)组被选中，其他组被封锁。组被选中，其他组被封锁。(3)2568(1)的地址为（的地址为（0000000000)B(0011111111)B ;2568(2)的地址为（的地址为（0100000000)B(0111111111)B ; 2568(3)的地址为（的地址为（1000000000)B(1011111111)B ; 2568(4)的地址为（的地址为（1100000000)B(1111111111)B 。7.4.2 字扩展方式字扩展方式2022-4-13数电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对于前面讲过的二极管掩模对于前面讲过的二极管掩模ROM中，有一个数据输出中，有一个数据输出表（如下）表（如下）A0An-1W0W(2n-1)2022-4-13数电可以看出，若把地址输入可以看出，若把地址输入A1和和A0看成是两个输入变量，看成是两个输入变量，数据输出看成是一组输出变量，则数据输出看成是一组输出变量，则D3D0就是一组就是一组A1A0的组合逻辑函数。可写成：的组合逻辑函数。可写成：0101100010131101010132020101313AAAAmmDAAAAm