数字电路逻辑设计第七章

1、第章半导体存储器第章半导体存储器7.1概述概述7.2顺序存取存储器顺序存取存储器(SAM)7.3随机存取存储器随机存取存储器(RAM)7.4只读存储器只读存储器(ROM)7-27.1 概述概述v在在数字系统工作过程中，有大量数据需要存储，半数字系统工作过程中，有大量数据需要存储，半导体存储器是一种能够存储大量的二值导体存储器是一种能够存储大量的二值信息的存储器；信息的存储器；它在数字系统中能它在数字系统中能存储数据、程序、资料等信息，半存储数据、程序、资料等信息，半导体存储器因此而成为数字系统不可缺少的组成部分导体存储器因此而成为数字系统不可缺少的组成部分.7.1.1 半导体存储器的特点与应用

2、半导体存储器的特点与应用v半导体存储器具有集成度高、体积小、价格低、半导体存储器具有集成度高、体积小、价格低、外围电路简单、接口方便和易于大批量生产等特点外围电路简单、接口方便和易于大批量生产等特点7-3v按制造工艺分按制造工艺分 双极型双极型 双极型存储器工作速度快、功耗大、价格高、双极型存储器工作速度快、功耗大、价格高、集成度不高集成度不高 MOS型型 MOS型存储器功耗低、工艺简单、集成度型存储器功耗低、工艺简单、集成度高、价格低高、价格低7.1.2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类v按存取方式分按存取方式分 顺序存取存储器顺序存取存储器(Sequential Access Memo

3、ry,简称简称SAM) 随机存取存储器随机存取存储器(Random Access Memory,简称简称RAM) 只读存储器只读存储器(Only Read Memory,简称简称ROM)q按存取功能分按存取功能分顺序顺序存取存储器存取存储器(SAM)FIFO型型SAM(动态移存单元动态移存单元)FILO型型SAM(动态移存单元动态移存单元)随机随机存取存储器存取存储器(RAM)静态静态存取存储器存取存储器(SRAM)：速度快速度快动态动态存取存储器存取存储器(DRAM)：结构简单结构简单只读只读存储器存储器(ROM) 固定固定(掩膜掩膜)ROM 可编程可编程ROM7.1.2 半导体存储器的分类

4、半导体存储器的分类一次性可编程一次性可编程ROM(PROM) 光可擦光可擦可编程可编程ROM(EPROM)电可擦电可擦可编程可编程ROM(E2PROM)快闪快闪存储器存储器7-5v存储容量存储容量位位(bit) 存储器最基本的存储单元，可存储一个存储器最基本的存储单元，可存储一个0或一个或一个1字字(byte) 若干个基本存储单元排列在一起组成一个字若干个基本存储单元排列在一起组成一个字存储器的存储容量通常用存储器的存储容量通常用(字数字数) (位数位数)表示；例如表示；例如 存存储容量为储容量为1024(字字) 8(位位)的存储器内包含有的存储器内包含有8192个基本存个基本存储单元，常表示

5、成储单元，常表示成1k8位位(1k=1024)，或，或1k字（字长字（字长8位）位）7.1.3 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标v存取时间（读存取时间（读/写周期）写周期） 连续两次读取连续两次读取(或写入或写入)操作的间隔时间称为读操作的间隔时间称为读(写写)周期，周期，表征存储器工作速度的高低表征存储器工作速度的高低7.3 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）随机存储器也叫随机读写存储器，简称随机存储器也叫随机读写存储器，简称RAM (Random Access Memory)。特点：特点：可随时从任何一个指定地址的存储单元中可随时从任何一个指定地址的存储单元中读出

6、数据，也可随时将数据写入任何一个指定的存储读出数据，也可随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。单元中去。优点：优点：读、写方便，使用灵活。读、写方便，使用灵活。 缺点：缺点：一旦停电，所有的数据将随之丢失，如计一旦停电，所有的数据将随之丢失，如计算机内存。算机内存。RAM又分为静态随机存储器又分为静态随机存储器SRAM和动态随机存和动态随机存储器储器DRAM两大类。两大类。 RAM主要由主要由存储矩阵存储矩阵、地址译码器地址译码器和和读读/写控写控制电路制电路（I/O电路）三部分组成。电路）三部分组成。7.3.1 RAM的结构的结构7.3.1 RAM的结构的结构1 1、存储矩阵、存储矩阵、

7、每个、每个小方小方块块都代表一个都代表一个存储存储单元单元，可存储一位，可存储一位二值代码或；二值代码或；、存储单元、存储单元一般按列阵排列，一般按列阵排列，形成矩阵；形成矩阵；000001111151511515150115列 译 码 器行译码器. .位线位线位线位线位线位线.X XX XX XY YY YY Y01150115AAAA地 址 输 入地址输入4567DD数据线.2A3A01AA7.3.1 RAM的结构的结构1 1、存储矩阵、存储矩阵、矩阵的、矩阵的单元数单元数即为存储即为存储的字节数，也即的字节数，也即存储容量存储容量。如图矩阵的如图矩阵的存储容量为存储容量为： 16162

8、2=256Bit=256Bit称称256256个字节。个字节。000001111151511515150115列 译 码 器行译码器. .位线位线位线位线位线位线.X XX XX XY YY YY Y01310115AAAA地 址 输 入地址输入4567DD数据线.2A3A01AA7.3.1 RAM的结构的结构1 1、存储矩阵、存储矩阵、为了存取、为了存取方便，给矩阵编上方便，给矩阵编上号。号。1616行编号为：行编号为：X X0 0、X X1 1、X X1515；1616列编号为：列编号为：Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y1515。这样，每一个存这样，每一个存储单元都有一个固定储单元都有一

9、个固定的编号，称为的编号，称为地址地址。000001111151511515150115列 译 码 器行译码器. .位线位线位线位线位线位线.X XX XX XY YY YY Y01310115AAAA地 址 输 入地址输入4567DD数据线.2A3A01AA例如，输入地址码：例如，输入地址码：A7A6A5A4A3A2A1A0 =00000001则选中则选中Y0列列X1行的那个存储单元。行的那个存储单元。7.3.1 RAM的结构的结构2 2、地址译码器、地址译码器、功能、功能将寄存器将寄存器地址地址对应的二进制数对应的二进制数译译成成有效的有效的行行选选信号信号和和列列选选信号信号，从而，从而

10、选中该存储单元。选中该存储单元。000001111151511515150115列 译 码 器行译码器. .位线位线位线位线位线位线.X XX XX XY YY YY Y01150115AAAA地 址 输 入地址输入4567DD数据线.2A3A01AA7.3.1 RAM的结构的结构2 2、地址译码器、地址译码器、地址码位数与可寻址数的关系、地址码位数与可寻址数的关系地址码位数地址码位数n可寻址数可寻址数2 2n n10111213141516171819201 024（1K）2 048（2K）4 096（4K）8 192（8K）16 384（16K）32 768（32K）65 536（64K）

11、131 072（1128K）262 144（256K）524 288（512K）1 048 576（1 024K=1M）7.3.1 RAM的结构的结构3 3、片选与读、片选与读/ /写控制电路（写控制电路（I/OI/O电路）电路） 数字系统中的数字系统中的RAM一般要由多片组成，而系一般要由多片组成，而系统每次读写时，只针对其统每次读写时，只针对其中的一片中的一片(或几片或几片)，为此，为此，在在每片每片RAM上均加有片上均加有片选端选端 。CS11CS （）、G1、G2、G3均为高阻态，均为高阻态，因此，因此，I/O端与存储器内部完全端与存储器内部完全隔离，隔离，存储器禁止读存储器禁止读/写

12、操作写操作，即不工作。即不工作。20CS （ ）、1/1R W、G5输出高电平，输出高电平，G2被被打开，被选中的单元所存打开，被选中的单元所存储的数据内部位线、储的数据内部位线、 G2出现在出现在I/O端。端。存储器执存储器执行读操作行读操作； G4输出低电平，输出低电平，G1、G3呈高阻态，呈高阻态，禁止写操作禁止写操作。该片被选中该片被选中7.3.1 RAM的结构的结构20CS （ ）、2/0R W、G4输出高电平，输出高电平，G1、G3被打开，此时加在被打开，此时加在I/O端端的数据经的数据经G1、G3及内部位及内部位线写入指定单元。线写入指定单元。存储器存储器执行写操作执行写操作。G

13、5输出低电平，输出低电平，G2、呈高阻态，呈高阻态，禁止读操作禁止读操作。该片被选中该片被选中7.3.1 RAM的结构的结构/0R W 例例7-1：指出，指出，7.3.1 RAM的结构的结构0CS 对对A7A0=00000001的操作。的操作。解：解：将将I/O端口数据写入第端口数据写入第2行第行第1列存储单元。列存储单元。时，时，六管六管NMOSNMOS静态存储单元静态存储单元7.3.2 RAM存储单元存储单元T3T4T6T2T1TjTjDYjXiT5VDDD位线位线存储单元7-187.3.2 RAM存储单元MOS动态存储单元T3T4T6T2T1TjDYjXiT5VDDR读位线写位线T4存储

14、单元CO&COW写行线读行线预充脉冲C7.3.3 RAM集成片集成片HM6264简介简介HM6264HM6264为为8K8K8 8位的位的CMOCMO静态静态RAMRAM存取时间：存取时间：100ns100ns电源电压：电源电压：+5V+5V工作电流：工作电流：40mA40mA维持电流：维持电流：2A2A7.3.3 RAM集成片集成片HM6264简介简介HM6264HM6264为为8K8K8 8位的位的CMOCMO静态静态RAMRAMI/OI/O线：线：8 8条，条， I/OI/O0 0I/OI/O7 7 即每字即每字8 8位。位。地址线：地址线：1313条，条，A A1212A A0

15、 0 即每个地址寻找即每个地址寻找 1 1个字（个字（8 8位）。位）。控制线：控制线：4 4条条12CSCS、/R W：片选控制端：片选控制端0E：读：读/ /写控制端写控制端：输出控制端：输出控制端7.3.3 RAM集成片集成片HM6264简介简介HM6264HM6264为为8K8K8 8位的位的CMOCMO静态静态RAMRAM工作状态工作状态I/O读（选中）读（选中）输出数据输出数据写（选中）写（选中）输入数据输入数据维持（未选中）维持（未选中）高阻浮置高阻浮置维持（未选中）维持（未选中）高阻浮置高阻浮置禁止输出禁止输出高阻浮置高阻浮置210/CSCSER W1、位扩展、位扩展根据需要根

16、据需要字数够字数够而而位数不够位数不够时，采用位扩展方时，采用位扩展方法。法。、连接方法、连接方法、将字数相同各片的、将字数相同各片的地址线地址线、R/W、CS分别分别并联连接并联连接；、每片的每片的I/O端端作为整个作为整个RAM输入输入/输出数据输出数据端的端的一位一位。、扩展后的存储容量、扩展后的存储容量总存储容量每片的字数总存储容量每片的字数n位位7.3. RAM存储容量的扩展存储容量的扩展例例7-2：每片为每片为1K，共，共8片，扩展成片，扩展成8位输出，位输出，故故总容量为：总容量为：1K8位位 或为：或为： 8K将将10241位的位的RAM扩展为扩展为10248位。位。7.3.

17、RAM存储容量的扩展存储容量的扩展解：解：各片连接后如图。各片连接后如图。 2、字扩展、字扩展根据需要位数够而字数不够时，采用字扩展方法。根据需要位数够而字数不够时，采用字扩展方法。、连接方法、连接方法、将位数相同各片的、将位数相同各片的I/O端端、 R/W分别分别并联连接并联连接，作为扩展后的作为扩展后的位输出端位输出端；、将位数相同、将位数相同各片的地址各片的地址输入端也分别输入端也分别并联连接并联连接，作为扩展后作为扩展后低地址低地址输入端；输入端；、高地址高地址信号由信号由各片各片CS端端接成的接成的译码电路的输出译码电路的输出端提供端提供。、扩展后的存储容量、扩展后的存储容量总存储容

18、量每片的容量之和总存储容量每片的容量之和7.3. RAM存储容量的扩展存储容量的扩展例例7-3：要求用要求用6264型型RAM构成存储容量为构成存储容量为32K8位的存储器。位的存储器。解：解： 6264型型RAM的存储容量为的存储容量为8K8位，地位，地址线址线13条，即条，即A A1212A A0 0 。故故1、所需片数为：、所需片数为：32K8K4片；片；2、每片的、每片的 I/O I/O7 并联，作为输出；并联，作为输出；3、因、因2n=32K，即，即2n=25210=215故所需地址线为：故所需地址线为：n=15条；条；每片的每片的A12A0 并联作为低地址线；并联作为低地址线；A1

19、4A13利用利用CS端，通过译码器获得。端，通过译码器获得。7.3. RAM存储容量的扩展存储容量的扩展接法如下：接法如下：A14A13=00，选第一片，选第一片，CS1=0； A14A13=01，选第二片，选第二片，CS2=0 ； A14A13=10，选第三片，选第三片，CS3=0 ； A14A13=11，选第四片，选第四片，CS4=0 ；4、连接电路、连接电路7.3. RAM存储容量的扩展存储容量的扩展断电时断电时的数据的数据保护用保护用5、各片地址分配、各片地址分配7.3. RAM存储容量的扩展存储容量的扩展寻址的片子寻址的片子A14A13地地 址址 范范 围围 A13 A12 A11

20、等效十进制等效十进制等效十六进制等效十六进制0 00 1 1 100 0000000000000 00 1111111111111 0 81910 1FFF0 11 0 1 101 0000000000000 01 1111111111111 8192 163832000 3FFF1 01 1 0 110 0000000000000 10 1111111111111 16384 245754000 5FFF1 11 1 1 011 0000000000000 11 1111111111111 24576 327686000 7FFF013YY YY2如果如果字和位都不够字和位都不够，则可，则可

21、同时同时进行字扩展和位进行字扩展和位扩展扩展。7.4 只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器，简称只读存储器，简称ROM(Read Only Memory)。特点：特点：正常工作时只能读出，不能写入。正常工作时只能读出，不能写入。优点：优点：所存放的程序、表格、函数以及常数、所存放的程序、表格、函数以及常数、符号等数据在断电时不会丢失。符号等数据在断电时不会丢失。缺点：缺点：不能随时修改数据。不能随时修改数据。ROM又分为固定又分为固定ROM（又叫掩膜（又叫掩膜ROM）和可）和可编程编程ROM两大类。两大类。、二极管固定、二极管固定ROM、电路图、电路图、地址译码器、地址译码器由由与门与门

22、组成。组成。A1 、 A0：地：地址线；址线；W0 W3：存储矩阵的字线。：存储矩阵的字线。两者关系：两者关系：“与与”的关系。的关系。010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 7.4.1 固定固定ROM固定固定ROM与与RAM一样，也由三部分组一样，也由三部分组成：地址译码器、存储矩阵和输出电路。成：地址译码器、存储矩阵和输出电路。、二极管固定、二极管固定ROM、存储矩阵、存储矩阵由由或门或门组成。组成。存储数据：存储数据：有二极管有二极管处存处存“1”，无二极管无二极管处存处存“0”。 W0 W3：字线。：字线。Y0 Y3 ：位线。：位线。两者关系：两者关系：“或或”的关系。

23、的关系。7.4.1 固定固定ROM013YWW123YWW223YWW323YWW、输出电路、输出电路-由由三态门三态门组成。组成。、二极管固定、二极管固定ROM例例7-4：如图电路，字线数与如图电路，字线数与地址变量数的关系如何？存地址变量数的关系如何？存储容量是多少？地址变量与储容量是多少？地址变量与输出数据的关系如何？输出数据的关系如何？解：设解：设地址变量数为：地址变量数为：n字线数为：字线数为： l位线数为：位线数为： m存储容量为：存储容量为：M7.4.1 固定固定ROM则：则： l =2n = 22 = 4 M=lm = 44=16Bit也称也称44位位 、二极管固定、二极管固定

24、ROM、地址译码器和存储距阵的点阵图、地址译码器和存储距阵的点阵图、译码器点阵图译码器点阵图中，中，地址线与字线交点处地址线与字线交点处根据根据“与与”的关系的关系画点画点；010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 7.4.1 固定固定ROM、存储距阵点阵图存储距阵点阵图中，字线与位线交点处有中，字线与位线交点处有二极管的画点二极管的画点。2、MOS管固定管固定ROM、电路、电路7.4.1 固定固定ROM、将二极管、将二极管ROM中的中的二二极管用极管用NMOS管代替管代替；、输出缓冲器为、输出缓冲器为三态控三态控制的制的“非门非门”，故，故D与与W是是“或非或非”关系关系。该电

25、路的字线与位线的关该电路的字线与位线的关系为：系为：013DWW12323DDDWW其它与二极管故定其它与二极管故定ROM一样，有一样，有MOS管处存管处存1，无无MOS管处存管处存“”。7.4.2 可编程可编程ROM1、一次性可编程、一次性可编程ROM（PROM：Programmable Read-Only Memory ）1、一次性可编程、一次性可编程ROM（PROM：Programmable Read-Only Memory ）产品产品出厂时出厂时，已经在存储距阵的所有交叉点上，已经在存储距阵的所有交叉点上全部制作了存储元件，相当于在所有存储单元中都全部制作了存储元件，相当于在所有存储单

26、元中都已存入了已存入了。用户用户编程时编程时，只做，只做“0”的写入的写入，即把要存入，即把要存入“0”的那些存储单元的熔丝熔断。的那些存储单元的熔丝熔断。（见（见P307）问题：问题：PROM只能写入一次，一经写入，就不能被只能写入一次，一经写入，就不能被再修改。再修改。7.4.2 可编程可编程ROM 2 2光可擦除可编程存储器光可擦除可编程存储器EPROMEPROM光可擦除可编程存储器光可擦除可编程存储器EPROM(EPROM(通常简称通常简称EPROM)EPROM)是是采用采用浮栅技术浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单生产的可编程存储器，它的存储单元多采用元多采用N N沟道叠栅沟道叠

27、栅M0SM0S管，简称管，简称SIM0SSIM0S管，其结构管，其结构及符号如图所示。及符号如图所示。利用浮栅是否积累负电荷来存取二值数据利用浮栅是否积累负电荷来存取二值数据。图图 SIMOS管的结构和符号管的结构和符号通通处处正正常常逻逻辑辑高高电电平平下下导导上上未未充充负负电电荷荷，则则若若导导通通处处正正常常逻逻辑辑高高电电平平下下不不上上充充以以负负电电荷荷，则则若若工工作作原原理理：cfcfGGGG38年）年）光灯下光灯下分钟（阳光下一周，荧分钟（阳光下一周，荧紫外线照射紫外线照射空穴对，提供泄放通道空穴对，提供泄放通道生电子生电子“擦除”：通过照射产“擦除”：通过照射产形成注入电

28、荷形成注入电荷到达到达吸引高速电子穿过吸引高速电子穿过宽的正脉冲，宽的正脉冲，上加上加同时在同时在发生雪崩击穿发生雪崩击穿）间加高压（间加高压（“写入”：雪崩注入“写入”：雪崩注入33020,50,25,2520,2 fcGSiOmsVGVSD为和固定为和固定ROM区别，可编程区别，可编程ROM的的存储单元的的存储单元在阵列图中用在阵列图中用表示，而不是点。表示，而不是点。3、电可擦可编程、电可擦可编程ROM（EEPROM或或E2PROM）7.4.2 可编程可编程ROMEEPROM中的存储单元中的存储单元是一个是一个Flotox（Floating gate Turnnel Oxide MOS)

29、管管。进行进行“0”的写入的写入时，时， Flotox管是利用隧道效应使管是利用隧道效应使浮栅俘获电子浮栅俘获电子，与，与SIMOS管的雪崩效应不同，速度更管的雪崩效应不同，速度更快。快。门控管门控管Flotox管管3、电可擦可编程、电可擦可编程ROM（EEPROM或或E2PROM）7.4.2 可编程可编程ROMEEPROM中的存储单元中的存储单元是一个是一个Flotox（Floating gate Turnnel Oxide MOS)管管。EEPROM只需用高压脉冲就可擦除只需用高压脉冲就可擦除，不用紫外线，不用紫外线照射。它也是利用隧道效应，擦除的速度很快，而且可照射。它也是利用隧道效应，

30、擦除的速度很快，而且可只擦一个字或一些字，比只擦一个字或一些字，比EPROM灵活方便。灵活方便。、快闪存储器（、快闪存储器（Flash Memory）7.4.2 可编程可编程ROM快闪存储器中的存储单元是一个快闪存储器中的存储单元是一个类似于类似于SIMOS的管子的管子，区别是浮栅与衬底间的氧化层的，区别是浮栅与衬底间的氧化层的厚度比厚度比SIMOS管小管小， SIMOS管有管有3040nm，它仅为，它仅为1015nm，相当于，相当于Flotox管的隧道效应。管的隧道效应。快闪存储器既吸收了快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、变成可结构简单、变成可靠的优点，又具有靠的优点，又具有EEPROM

31、用隧道效应擦除的快捷用隧道效应擦除的快捷特性，集成度可以做得很高。特性，集成度可以做得很高。缺点是只能全部存储单元同时擦除。缺点是只能全部存储单元同时擦除。电源电压：电源电压：+5V+5V 编程高电压：编程高电压：+25V+25V工作最大电流：工作最大电流：25mA25mA最大存取时间：最大存取时间：450ns450ns7.4.4 EPROM集成片简介集成片简介27162716为为2K2K8 8位的位的EPROMEPROM2716 27512系列系列EPROM集成片，除了存储容量、集成片，除了存储容量、编程高电压等参数不同外，其它都基本相同，故只介编程高电压等参数不同外，其它都基本相同，故只介

32、绍绍2716型。型。7.4.4 EPROM集成片简介集成片简介27162716为为2K2K8 8位的位的EPROMEPROM数据线：数据线：8 8条，条，D D0 0D D7 7 即每字即每字8 8位。位。地址线：地址线：1111条，条，A A0 0A A1010 即每个地址寻找即每个地址寻找 1 1个字（个字（8 8位）。位）。控制线：控制线：3 3条条CE/PGMPPV：片选：片选/ /编程控制端编程控制端0E：编程电压控制端：编程电压控制端：输出允许控制端：输出允许控制端7.4.4 EPROM集成片简介集成片简介27162716为为2K2K8 8位的位的EPROMEPROM工作方式工作方

33、式输出输出D读出读出 +5 数据输出数据输出维持维持 +5 高阻浮置高阻浮置编程编程 +25 数据写入数据写入编程禁止编程禁止 +25 高阻浮置高阻浮置编程检验编程检验 +25 数据输出数据输出0/PPEVCEVPGM/宽宽50nm详见详见P314P314由由ROM图知图知(RAM也也类似类似)，字线就是组合逻辑，字线就是组合逻辑函数中的最小项：函数中的最小项：0010mAAW1011mAAW2012mAAW3013mAAW而位线是相应最小项而位线是相应最小项之和：之和：00101DWWmm11313DWWmm2023023DWWWmmm31313DWWmm故可将逻辑函数故可将逻辑函数化成最小

34、项之和形式，化成最小项之和形式，用用ROM(或或RAM)来实来实现。现。7.4.3 利用利用ROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数7.4.3 利用利用ROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数例例7-5：用用PROM构成一个码型转换器，将构成一个码型转换器，将4位位二进制码二进制码B3B2B1B0转换成循环码转换成循环码G3G2G1G0 。解：解：循环码（格雷码）又称循环二进制码或反循环码（格雷码）又称循环二进制码或反射二进制码。射二进制码。二进制码转换成循环码真值表二进制码转换成循环码真值表二进制码二进制码B3B2B1B0数据字数据字Wi循环码循环码G3G2G1G00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1W0W1W2W3W4W5W6W70 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0二