数字电路逻辑设计第七章

第７章半导体存储器7.1概述7.2顺序存取存储器(SAM)7.3随机存取存储器(RAM)7.4只读存储器(ROM)√√√7-27.1概述在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信息的存储器；它在数字系统中能存储数据、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.7.1.1半导体存储器的特点与应用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7-3按制造工艺分

双极型

双极型存储器工作速度快、功耗大、价格高、集成度不高

MOS型

MOS型存储器功耗低、工艺简单、集成度高、价格低7.1.2半导体存储器的分类按存取方式分

顺序存取存储器(SequentialAccess

Memory,简称SAM)

随机存取存储器(RandomAccessMemory,简称RAM)

只读存储器(OnlyReadMemory,简称ROM)按存取功能分顺序存取存储器(SAM)

FIFO型SAM(动态移存单元)

FILO型SAM(动态移存单元)随机存取存储器(RAM)

静态存取存储器(SRAM)：速度快

动态存取存储器(DRAM)：结构简单只读存储器(ROM)

固定(掩膜)ROM

可编程ROM7.1.2半导体存储器的分类一次性可编程ROM(PROM)光可擦可编程ROM(EPROM)电可擦可编程ROM(E2PROM)快闪存储器7-5存储容量位(bit)

存储器最基本的存储单元，可存储一个0或一个1字(byte)

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(字数)×(位数)表示；例如存储容量为1024(字)×8(位)的存储器内包含有8192个基本存储单元，常表示成1k×8位(1k=1024)，或1k字（字长8位）7.1.3半导体存储器的主要技术指标存取时间（读/写周期）连续两次读取(或写入)操作的间隔时间称为读(写)周期，表征存储器工作速度的高低7.3随机存取存储器（RAM）

随机存储器也叫随机读／写存储器，简称RAM(RandomAccessMemory)。

特点：可随时从任何一个指定地址的存储单元中读出数据，也可随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。

优点：读、写方便，使用灵活。

缺点：一旦停电，所有的数据将随之丢失，如计算机内存。

RAM又分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类。

RAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（I/O电路）三部分组成。7.3.1RAM的结构7.3.1RAM的结构1、存储矩阵

⑴、每个小方块都代表一个存储单元，可存储一位二值代码０或１；⑵、存储单元一般按列阵排列，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.......XXXYYY01150115AAAA地址输入地址输入4567DD数据线....2A3A01AA7.3.1RAM的结构1、存储矩阵

⑶、矩阵的单元数即为存储的字节数，也即存储容量。如图矩阵的存储容量为：

162=256Bit称256个字节。000001111151511515150115列译码器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......XXXYYY01310115AAAA地址输入地址输入4567DD数据线....2A3A01AA7.3.1RAM的结构1、存储矩阵

⑷、为了存取方便，给矩阵编上号。16行编号为：X0、X1、…、X15；16列编号为：Y0、Y1、…、Y15。这样，每一个存储单元都有一个固定的编号，称为地址。000001111151511515150115列译码器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......XXXYYY01310115AAAA地址输入地址输入4567DD数据线....2A3A01AA例如，输入地址码：A7A6A5A4A3A2A1A0

=00000001则选中Y0列X1行的那个存储单元。7.3.1RAM的结构2、地址译码器⑴、功能将寄存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。000001111151511515150115列译码器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......XXXYYY01150115AAAA地址输入地址输入4567DD数据线....2A3A01AA7.3.1RAM的结构

2、地址译码器⑵、地址码位数与可寻址数的关系地址码位数n可寻址数2n10111213141516171819201024（1K）2048（2K）4096（4K）8192（8K）16384（16K）32768（32K）65536（64K）131072（1128K）262144（256K）524288（512K）1048576（1024K=1M）7.3.1RAM的结构3、片选与读/写控制电路（I/O电路）数字系统中的RAM一般要由多片组成，而系统每次读写时，只针对其中的一片(或几片)，为此，在每片RAM上均加有片选端。

G1、G2、G3均为高阻态，因此，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作。

G5输出高电平，G2被打开，被选中的单元所存储的数据内部位线、G2出现在I/O端。存储器执行读操作；

G4输出低电平，G1、G3呈高阻态，禁止写操作。该片被选中7.3.1RAM的结构

G4输出高电平，G1、G3被打开，此时加在I/O端的数据经G1、G3及内部位线写入指定单元。存储器执行写操作。

G5输出低电平，G2、呈高阻态，禁止读操作。该片被选中7.3.1RAM的结构例7-1：指出，7.3.1RAM的结构对A7~A0=00000001的操作。解：将I/O端口数据写入第2行第1列存储单元。时，六管NMOS静态存储单元7.3.2RAM存储单元T3T4T6T2T1TjTjDYjXiT5VDDD位线位线′存储单元7-187.3.2RAM存储单元MOS动态存储单元T3T4T6T2T1TjDYjXiT5VDDR读位线写位线T4′存储单元CO′&&COW写行线读行线预充脉冲C7.3.3RAM集成片HM6264简介HM6264为8K×8位的CMO静态RAM存取时间：100ns电源电压：+5V工作电流：40mA维持电流：2μA7.3.3RAM集成片HM6264简介HM6264为8K×8位的CMO静态RAMI/O线：8条，I/O0～I/O7

即每字8位。地址线：13条，A12～A0

即每个地址寻找

1个字（8位）。控制线：4条：片选控制端：读/写控制端：输出控制端7.3.3RAM集成片HM6264简介HM6264为8K×8位的CMO静态RAM工作状态I/O读（选中）０１０１输出数据写（选中）０１×０输入数据维持（未选中）１×

×

×高阻浮置维持（未选中）×０×

×高阻浮置禁止输出０１１１高阻浮置1、位扩展

根据需要字数够而位数不够时，采用位扩展方法。⑴、连接方法①、将字数相同各片的地址线、R/W、CS分别并联连接；②、每片的I/O端作为整个RAM输入/输出数据端的一位。⑵、扩展后的存储容量

总存储容量＝每片的字数×n位

7.3.４RAM存储容量的扩展例7-2：每片为1K，共8片，扩展成8位输出，故总容量为：

1K×8位

或为：8K将1024×1位的RAM扩展为1024×8位。7.3.４RAM存储容量的扩展解：各片连接后如图。

2、字扩展

根据需要位数够而字数不够时，采用字扩展方法。⑴、连接方法①、将位数相同各片的I/O端、R/W分别并联连接，作为扩展后的位输出端；②、将位数相同各片的地址输入端也分别并联连接，作为扩展后低地址输入端；③、高地址信号由各片CS端接成的译码电路的输出端提供。⑵、扩展后的存储容量

总存储容量＝每片的容量之和

7.3.４RAM存储容量的扩展例7-3：要求用6264型RAM构成存储容量为32K×8位的存储器。解：

6264型RAM的存储容量为8K×8位，地址线13条，即A12～A0。故1>、所需片数为：32K÷8K＝4片；

2>、每片的I/O０～

I/O7并联，作为输出；

3>、因2n=32K，即2n=25·210=215故所需地址线为：n=15条；每片的A12～A0并联作为低地址线；A14A13利用CS端，通过译码器获得。7.3.４RAM存储容量的扩展接法如下：A14A13=00，选第一片，CS1=0；

A14A13=01，选第二片，CS2=0；

A14A13=10，选第三片，CS3=0；

A14A13=11，选第四片，CS4=0；4>、连接电路7.3.４RAM存储容量的扩展断电时的数据保护用5>、各片地址分配7.3.４RAM存储容量的扩展寻址的片子A14A13地址范围…A13A12A11

等效十进制等效十六进制Ⅰ000111000000000000000～0011111111111110～81910～1FFFⅡ011011010000000000000～0111111111111118192～163832000～3FFFⅢ101101100000000000000～10111111111111116384～245754000～5FFFⅣ111110110000000000000～11111111111111124576～327686000～7FFF如果字和位都不够，则可同时进行字扩展和位扩展。7.4只读存储器（ROM）

只读存储器，简称ROM(ReadOnlyMemory)。

特点：正常工作时只能读出，不能写入。

优点：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。

缺点：不能随时修改数据。

ROM又分为固定ROM（又叫掩膜ROM）和可编程ROM两大类。１、二极管固定ROM⑴、电路图①、地址译码器由与门组成。A1、

A0：地址线；W0~

W3：存储矩阵的字线。两者关系：“与”的关系。7.4.1固定ROM

固定ROM与RAM一样，也由三部分组成：地址译码器、存储矩阵和输出电路。１、二极管固定ROM②、存储矩阵由或门组成。存储数据：有二极管处存“1”，无二极管处存“0”。

W0~W3：字线。Y0~

Y3

：位线。两者关系：“或”的关系。7.4.1固定ROM③、输出电路---由三态门组成。１、二极管固定ROM例7-4：如图电路，字线数与地址变量数的关系如何？存储容量是多少？地址变量与输出数据的关系如何？解：设地址变量数为：n字线数为：l位线数为：m存储容量为：M7.4.1固定ROM则：l=2n=22=4M=l×m=4×4=16Bit也称4×4位１、二极管固定ROM⑵、地址译码器和存储距阵的点阵图①、译码器点阵图中，地址线与字线交点处根据“与”的关系画点；7.4.1固定ROM②、存储距阵点阵图中，字线与位线交点处有二极管的画点。

2、MOS管固定ROM⑴、电路7.4.1固定ROM①、将二极管ROM中的二极管用NMOS管代替；②、输出缓冲器为三态控制的“非门”，故D与W是“或非”关系。该电路的字线与位线的关系为：其它与二极管故定ROM一样，有MOS管处存1，无MOS管处存“０”。7.4.2可编程ROM1、一次性可编程ROM（PROM：ProgrammableRead-OnlyMemory）1、一次性可编程ROM（PROM：ProgrammableRead-OnlyMemory）

产品出厂时，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已存入了１。用户编程时，只做“0”的写入，即把要存入“0”的那些存储单元的熔丝熔断。（见P307）问题：PROM只能写入一次，一经写入，就不能被再修改。7.4.2可编程ROM2．光可擦除可编程存储器EPROM光可擦除可编程存储器EPROM(通常简称EPROM)是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅M0S管，简称SIM0S管，其结构及符号如图所示。利用浮栅是否积累负电荷来存取二值数据。图SIMOS管的结构和符号38

为和固定ROM区别，可编程ROM的的存储单元在阵列图中用×表示，而不是点。3、电可擦可编程ROM（EEPROM或E2PROM）7.4.2可编程ROM

EEPROM中的存储单元是一个Flotox（FloatinggateTurnnelOxideMOS)管。进行“0”的写入时，Flotox管是利用隧道效应使浮栅俘获电子，与SIMOS管的雪崩效应不同，速度更快。门控管Flotox管3、电可擦可编程ROM（EEPROM或E2PROM）7.4.2可编程ROM

EEPROM中的存储单元是一个Flotox（FloatinggateTurnnelOxideMOS)管。

EEPROM只需用高压脉冲就可擦除，不用紫外线照射。它也是利用隧道效应，擦除的速度很快，而且可只擦一个字或一些字，比EPROM灵活方便。４、快闪存储器（FlashMemory）7.4.2可编程ROM

快闪存储器中的存储单元是一个类似于SIMOS的管子，区别是浮栅与衬底间的氧化层的厚度比SIMOS管小，SIMOS管有30～40nm，它仅为10～15nm，相当于Flotox管的隧道效应。

快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、变成可靠的优点，又具有EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性，集成度可以做得很高。缺点是只能全部存储单元同时擦除。电源电压：+5V

编程高电压：+25V工作最大电流：25mA最大存取时间：450ns7.4.4EPROM集成片简介2716为2K×8位的EPROM

2716~27512系列EPROM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，故只介绍2716型。7.4.4EPROM集成片简介2716为2K×8位的EPROM数据线：8条，D0～D7

即每字8位。地址线：11条，A0～A10

即每个地址寻找

1个字（8位）。控制线：3条：片选/编程控制端：编程电压控制端：输出允许控制端7.4.4EPROM集成片简介2716为2K×8位的EPROM工作方式输出D读出００+5数据输出维持１×+5高阻浮置编程１+25数据写入编程禁止０１+25高阻浮置编程检验００+25数据输出宽50nm详见P314由ROM图知(RAM也类似)，字线就是组合逻辑函数中的最小项：而位线是相应最小项之和：故可将逻辑函数化成最小项之和形式，用ROM(或RAM)来实现。7.4.3利用ROM实现组合逻辑函数7.4.3利用ROM实现组合逻辑函数例7-5：用PROM构成一个码型转换器，将4位二进制码B3B2B1B0转换成循环码G3G2G1G0

。解：循环码（格雷码）又称循环二进制码或反射二进制码。二进制码转换成循环码真值表二进制码B3B2B1B0数据字Wi循环码G3G2G1G000000001001000110100010101100111W0W1W2W3W4W5W6W700000001001100100110011101010100二进制码B3B2B1B0数据字Wi循环码G