第12章 半导体存储器

1、第第 12章章 半导体存储器半导体存储器12.1 概概 述述12.1.1 存储器功能描述存储器功能描述存放二值数据存放二值数据12.1.2 存储器的分类存储器的分类从存、取功能上分从存、取功能上分 只读存储器只读存储器 (ROM) 随机存储器随机存储器 (RAM) SRAMDRAM 从制造工艺上分从制造工艺上分 双极型双极型MOS型型UVEPROME2PROM快闪存储器快闪存储器 （FLASH）掩模掩模ROMPROM EPROM12.2 只读存储器只读存储器ROM定义：定义：只读存储器只读存储器ROM（ReadOnly memory）是存是存储固定信息的存储器件，即先把信息和数据写入到存储储固

2、定信息的存储器件，即先把信息和数据写入到存储器中，在器中，在正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能读出，不能迅速写入读出，不能迅速写入，故称为只读存储器。，故称为只读存储器。特点特点：掉电后存储的数据不会丢失。掉电后存储的数据不会丢失。1、按使用的器件的类型、按使用的器件的类型12.2.1 ROM的分类的分类二极管二极管ROM 双极型三极管双极型三极管ROM MOS管管ROM2、按数据的写入方式分、按数据的写入方式分掩模掩模ROM： 出厂时已完全固定下来，使用时无出厂时已完全固定下来，使用时无 法再更改，也称法再更改，也称固定固定ROM。 PROM：可

3、编程可编程 ROM( (Programmable ROM） 许用户根据需要写入，但只能写一次。许用户根据需要写入，但只能写一次。EPROM：可擦除可擦除 PROM( (Erasable PROM）写入）写入 的数据可用紫外线擦除，用户可以多次的数据可用紫外线擦除，用户可以多次 改写存储的数据。改写存储的数据。E2PROM：电可擦除：电可擦除 EPROM( (Electrically EPROM) )写入的数据可电擦除，可以写入的数据可电擦除，可以 多次改写存储的数据。多次改写存储的数据。 闪速存储器：闪速存储器：仍是仍是ROM，兼有，兼有E2PROM、RAM的的 特点，既有存储内容非失性，又有

4、特点，既有存储内容非失性，又有 快速擦和快速擦和 读取的特性。读取的特性。(Flash Memory) 1、ROM的电路结构的电路结构 ROM的电路结构包含的电路结构包含存储矩阵存储矩阵、地址译码器地址译码器和和输输出缓冲器出缓冲器三个组成部分三个组成部分输出缓冲器：输出缓冲器：既有缓冲作用，又可以提供不同的既有缓冲作用，又可以提供不同的 输出结输出结 构，如三态输出、构，如三态输出、OC输出等。输出等。12.2.2 掩模只读存储器掩模只读存储器（1）存储矩阵）存储矩阵 每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指 存储单元的数目。存储单元的

5、数目。存储容量存储容量=存储单元的数目存储单元的数目=行数行数*列数列数 =字线数字线数*位线数位线数（2）地址译码）地址译码 一个一个存储器由若干字和位存储器由若干字和位组成。通常信息的读出和写入是组成。通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了区分不同的字，将存放同一个字的以字为单位进行的。为了区分不同的字，将存放同一个字的各个存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。各个存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。 地址的选择是借助于地址的选择是借助于地址译码器地址译码器实现的。实现的。 容量小：只用一个译码器；容量小：只用一个译码器； 容量大：采用双译码结构，即将输入地址分为两部分

6、，分容量大：采用双译码结构，即将输入地址分为两部分，分别由别由行译码器行译码器和和列译码器列译码器进行译码。行列译码器的输出即为进行译码。行列译码器的输出即为存储矩阵的存储矩阵的字线字线和和位线位线，由它们共同确定欲选择的存储单元。，由它们共同确定欲选择的存储单元。例例1：1024*1的存储器，可以排列成的存储器，可以排列成32*32的矩阵。的矩阵。（30，0）（30，1）（30，2）（30，30）（30，31 ）X1 A5 A6 A7 A8 A9A0A1A2A3A4行 译 码 器列 译 码 器（ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）（0，30）（ 0，31 ）（ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）

7、（1，30）（ 1，31）（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）（2，30）（ 2，31 ）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（3，2）（31，30）（31，31 ）Y0Y31Y1Y2Y302、ROM电路的工作原理电路的工作原理与逻辑阵列或逻辑阵列字线字线位线位线2.2.举例举例4 44 4存储器存储器2 2位地址代码位地址代码A A1 1、A A0 0给出给出4 4个个不同地址，不同地址，4 4个地址代码分别个地址代码分别译出译出W W0 0W W3 3上的上的高电平高电平信号。信号。位输出线位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W W3 3W W2 2W W1 1W W

8、0 0地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵END3VccVccA1A0W W3 3二极管与门作译码二极管与门作译码A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；存储矩阵由存储矩阵由4 4个二极管或门组成，个二极管或门组成，当当W W0 0W W3 3线上给出线上给出高电平高电平信号时，信号时，会在会在D D0 0D D3 3输出一个二值代码输出一个二值代码位输出线位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W W3 3W W2 2W W1 1W W0 0地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵END3D3W W3 3W W1 1二极管或门作编码器二极

9、管或门作编码器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W W0 0W W3 3：字线：字线D D0 0D D3 3：位线（数据线）：位线（数据线）A A0 0、A A1 1：地址线：地址线位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3字线和位线的字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元每个交叉点都是一个存储单元，在，在交叉点上接交叉点上接二极管相当于存二极管相当于存1 1，没接二极管相当于存，没接二极管相当于存0 0，交叉点的数目就是，交叉点的数目就是存储容量存储容量，写成，写成“字数字数位数位数”的形式的形式D3W1W3D2W0W2

10、W3D1 W1W3 D0W0W1存储内容真值表地 址数 据A1 A0 D3 D2 D1 D00 00 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0m m1 1m m3 3m m0 0m m2 2m m3 3m m1 1m m3 3m m0 0m m1 1地 址数 据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 01A1A0A0AD3D2D1D0与阵列或阵列W1W0W2W3简化简化ROMROM点阵图点阵图D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1字输出：字输出：D D3 3D D2 2D D1 1

11、D D0 0随着地址的不同有不同的数据。随着地址的不同有不同的数据。位输出：位输出：D D3 3、D D2 2、D D1 1、D D0 0每根位线，由不同的最小项组成，每根位线，由不同的最小项组成， 可实现组合逻辑函数。可实现组合逻辑函数。输出方式输出方式12.2.3 PROM(可编程可编程ROM)1 1、PROMPROM只能写一次，一旦写入就不能修改。只能写一次，一旦写入就不能修改。2 2、基本结构同掩模、基本结构同掩模ROMROM，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。3 3、出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元，一般存、出厂时在存储矩阵地所有交

12、叉点上都做有存储单元，一般存1 1。4 4、存数方法：熔丝法。、存数方法：熔丝法。熔丝法图示熔丝法图示e e熔丝熔丝c cb bVccVcc字线字线位线位线加高电压将熔丝化断，加高电压将熔丝化断，即可将原有的即可将原有的1 1改写为改写为0 0。写入过程写入过程1）输入地址，选中字线；）输入地址，选中字线；2）写）写0的位线加高压脉冲；的位线加高压脉冲；3）DZ导通，导通，AW输出为输出为0；4）熔丝烧断，写入）熔丝烧断，写入0。AWARAW写入放大器写入放大器AR读出放大器读出放大器12.2.4 EPROM、E2PROM、FLASH ROM电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接电擦除，一

13、般芯片内部带有升压电路，可以直接 读写读写EEPROMEEPROM，擦除时间短擦除时间短(ms(ms级级) )，可对单个存储单元擦除。，可对单个存储单元擦除。读出：读出：5V5V；擦除：；擦除：20V20V；写入：；写入：20V20V。EPROMEPROM：光擦除可编程：光擦除可编程ROMROME E2 2PROMPROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROMFLASH ROMFLASH ROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROM紫外线照射擦除，时间长紫外线照射擦除，时间长10102020分钟分钟整片擦除整片擦除写入一般需要专门的工具写入一般需要专门的工具结合结合EPROMEPROM和和

14、EEPROMEEPROM的特点，构成的电路形式简的特点，构成的电路形式简 单，集成度高，可靠性好。单，集成度高，可靠性好。 擦除时间短擦除时间短(ms(ms级级) )，整片擦除、或分块擦除。整片擦除、或分块擦除。读出：读出：5V5V；写入：；写入：12V12V；擦除：；擦除：12V(12V(整块擦除整块擦除) )12.2.5 EPROM集成芯片及应用举例集成芯片及应用举例 27 系列系列 EPROM 是最常用的是最常用的 EPROM，型，型号从号从 2716、2732、2764 一直到一直到 27C040。存储容。存储容量分别为量分别为 2K 8、4K 8一直到一直到 512K 8。下面。下面

15、以以 Intel 2716 为例，介绍其功能及使用方法。为例，介绍其功能及使用方法。VCCIntel 2716A8A9VPPCSA10OED7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413 A10 A0 为地址码输入端。为地址码输入端。D7 D0 为数据线，工作时为为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据数据输出端，编程时为写入数据输入端。输入端。VCC 和和 GND：+5 V 工作电源工作电源和地。和地。VPP 为编程高电平输入端。编程时加为编程高电平输入端。编程时加 +25 V 电压，工

16、作时加电压，工作时加 +5 V 电压。电压。 ( (一一) ) 引脚图及其功能引脚图及其功能 OE 为允许数据输出端，低电为允许数据输出端，低电平有效。平有效。OE = 0 时，允许读出数时，允许读出数据；据；OE = 1 时，不能读出数据。时，不能读出数据。存储容量存储容量2K8位位CS 有两种功能：有两种功能： (1)工作时为片选使能端，低电工作时为片选使能端，低电 平有效。平有效。CS = 0 时，芯片被时，芯片被 选中，处于工作状态。选中，处于工作状态。 (2)编程时为编程脉冲输入端。编程时为编程脉冲输入端。 (二二)由由 CS、OE 和和 VPP 的不同状态，确定的不同状态，确定27

17、16 的下列的下列 5 种工种工 作方式作方式 (1)读方式：读方式： 当当 CS = 0、OE = 0，并有地址码输入时，并有地址码输入时， 从从 D7 D0 读出读出该地址单元的数据。该地址单元的数据。(2)维持方式：维持方式：当当 CS = 1 时，数据输出端时，数据输出端 D7 D0 呈高阻呈高阻 隔离态隔离态，此时芯片处于维持状态，电源电，此时芯片处于维持状态，电源电 流下降到维持电流流下降到维持电流 27 mA 以下。以下。 (3)编程方式：编程方式：OE = 1，在，在 VPP 加入加入 25 V 编程电压，在地址编程电压，在地址 线上输入单元地址，数据线上输入要写入的线上输入单

18、元地址，数据线上输入要写入的 数据后，在数据后，在 CS 端送入端送入 50 ms 宽的编程正脉宽的编程正脉 冲冲， 数据就被写入到由地址码确定的存储单数据就被写入到由地址码确定的存储单 元中。元中。(4) 编程禁止：编程禁止： 在编程方式下，如果在编程方式下，如果 CS 端不送入编程正脉端不送入编程正脉 冲，冲，而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编程禁止方式，数据端为高阻隔离态。程禁止方式，数据端为高阻隔离态。(5) 编程检验：编程检验： 当当 VPP = +25 V，CS 和和 OE 均为有效电平时，均为有效电平时， 送入地址码，可以读出相应存储

19、单元中的送入地址码，可以读出相应存储单元中的 数据，以便检验。数据，以便检验。E2PROM2864PGM为编程脉冲输入端；为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源是编程电源12.2.6 存储器的应用存储器的应用一、思路一、思路1、存储器的译码器输出包含了输入地址变量全部的最小项、存储器的译码器输出包含了输入地址变量全部的最小项;2、存储器数据输出又都是若干个最小项之和、存储器数据输出又都是若干个最小项之和;3、而任何的组合逻辑函数可用输入逻辑变量的最小项之和、而任何的组合逻辑函数可用输入逻辑变量的最小项之和表示。表示。ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAYROM4

20、3211实现下例函数。：试用例 ),(mY),(mY),(mY),(mY15214414107676324321解：解：例出真值表例出真值表例例2 用用ROM实现一位全加器。实现一位全加器。结论：结论： n位输入地址、位输入地址、m位数据输出的存储器可以设计位数据输出的存储器可以设计 一组一组(最多为最多为m个个)任何形式的任何形式的n输入逻辑变量组输入逻辑变量组 合逻辑函数合逻辑函数步骤：步骤：1、根据输入变量数和输出端个数确定存储器的类型；、根据输入变量数和输出端个数确定存储器的类型； 2、将函数化为最小项之和的形式（列出函数的真值表）；、将函数化为最小项之和的形式（列出函数的真值表）；3

21、、列出函数的数据表；、列出函数的数据表；4、画出相应的电路的结点图（编程写入数据）。画出相应的电路的结点图（编程写入数据）。 可读可写可读可写 读写方便读写方便 所存储信息会因断电而丢失所存储信息会因断电而丢失用途用途特点特点常用来放一些采样值、运算的中间常用来放一些采样值、运算的中间 结果，数据暂存、缓冲和标志位等。结果，数据暂存、缓冲和标志位等。12.3 随机存取器随机存取器一、一、 静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)1、SRAM的结构和工作原理的结构和工作原理 SRAM电路通常由电路通常由存储矩阵存储矩阵、地址译码器地址译码器和和读写控制读写控制电路电路三部分组成三部分组成。2、SRAM的静态存储单元的静态存储单元静态存储单元静态存储单元=触发器触发器+控制电路控制电路T5和和T6是门控管，由字线是门控管，由字线Wi控制其导控制其导通或截止：通或截止：Wi1则导通，否则截止。则导通，否则截止。门控管门控管T5和和T6导通时，导通时，“读读”、“写写”操作由读写控制端操作由读写控制端R/W控制：控制： R/W=0时，时，1、3门打开，数据由门打开，数据由I/O端送入存储器，完成端送入存储器，完成写操作写操作； 反之，反之，R