数电 第6章 半导体存储器与可编程逻辑器件

第6章半导体存储器与可编程逻辑器件习题与思考题练习题：1,3,4,5,6,76.1概述6.2随机存储器RAM6.3只读存储器ROM6.4可编程逻辑器件PLD6.5高密度可编程逻辑器件6.6*硬件描述语言简介1半导体存储器是固态存储器SSD(SolidStateDrives)

，具有存储密度高、体积小、容量大、读写速度快、功耗低和抗震等优点!硬磁盘固态硬盘SSD光盘6.1概述2存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。用途：在计算机或数字系统中存储数据。与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。作业:【6.1】【6.2】【6.3】【6.4】【6.5】【6.6】【6.7】【6.8】【6.9】存储器分类：存储特点挥发性存储器VM非挥发性存储器NVM原理和介质半导体存储器磁存储器光存储器读写特性只读存储器ROM随机存储器RAM1.半导体存储器34硬磁盘固态硬盘SSD容量TB量级TB量级价格(元/GB)0.5~110以上寿命(小时)无限100万以上速度(延迟时间,ms)101量级10-2量级功耗(W)101量级1以下噪声有无震动敏感性敏感不敏感硬磁盘与固态硬盘比较5随机存储器RAM(RandomAccessMemory)静态存储器SRAM(StaticRAM)

主要用于高速缓存等动态存储器DRAM(DynamicRAM)按功能特点SDRAM,DDR-SDRAM等非挥发存储器（Non-VolatileMemory--NVM）挥发存储器（VolatileMemory--VM）或者称易失存储器半导体存储器分类主要指标：存储容量、存取速度。存储容量：用字数×位数表示固定ROM(掩模ROM)可编程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可编程ROM(EPROM--ErasablePROM)特指UVEPROMEEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快闪存储器，如U盘)ROM断电后数据仍能保留，而RAM内数据会丢失。676.2随机存储器RAM6.2.1RAM存储单元(1)片选控制信号CS’:控制I/O端是否处在高阻状态。(ChipSelect)(2)读写控制信号R/W’:控制电路处于读出,还是写入状态。(Read/Write)触发器是存储核心电路这也是“静态”名称由来1．SRAM存储单元—6管CMOS82．DRAM存储单元--单管存储单元动态存储单元电路结构简单，可以提高存储密度，降低成本。极间电容DRAM利用电容存储电荷实现信息存储，但电容漏电属性限制了其本身只能维持毫秒量级的存储时间，所以需要刷新控制电路配合使用，才能长期保存数据，这也是“动态”名称的由来。96.2.2RAM的结构m条地址线对应2m个字(字线)，每个字包含的n位数据(字长,位线)，则:总存储容量=字线数×位线数

=2m×n位

m－地址数

n－位线、数据线(I/O)数

计算练习10行地址选择多字，列地址在从多字中选择出1个字进行读写(本质上行列地址是不分先后的)11因为单个存储器芯片容量有限，所以在实际应用场合，往往需要多颗RAM芯片组成更大容量的存储模块，这就是容量扩展问题容量=字线数量×位线数量位扩展方法和字扩展方法126.2.3RAM的扩展1．位扩展用256字×1位RAM芯片构成256字×4位RAM存储器N=(扩展后)芯片组容量（扩展前)单片容量方法:所有输入信号都并联(地址信号、片选信号和读写信号),输出各自独立。所需片数：芯片组132．字扩展用256字×4位RAM芯片组成1024字×4位存储器。还需要增加2根地址线——经译码后作为片选信号！0001…10111读写

高阻…高阻方法:除片选信号外，其他信号都并联(地址、读写及数据线)14器件编号A9

A8扩展地址译码输出各个芯片地址范围（十六进制）芯片状态Y3′Y2′Y1′Y0′1001110000～0FF芯片（1）读写，其他高阻2011101100～1FF芯片（2）读写，其他高阻3101011200～2FF芯片（3）读写，其他高阻4110111300～3FF芯片（4）读写，其他高阻有时为满足存储容量和数据宽度要求，既需要进行位扩展，又要进行字扩展。字扩展后的各个芯片地址空间分配情况15题6.1试说明ROM和RAM的区别，它们各适用于什么场合？答：ROM断电后数据仍能保留，而RAM内数据会丢失；ROM主要适合要求数据永久存储的场合，而RAM适合临时存储数据。题6.3试说明SRAM和DRAM存储原理有何不同？答：

SRAM利用触发器电路存储数据，能长期自行存储数据；而DRAM利用电容效应存储数据，由于电容的漏电特性，DRAM本身不能长期保存数据，需要控制电路配合使用。16题6.5某计算机具有16位宽度的地址总线和8位宽度的数据总线，试计算其可访问的最大存储器容量是多少？如计算机已安装存储器容量超过此数值，会怎样？答：2168比特。如果超出此数值，超出部分计算机不能直接访问（使用）。题6.6试用512×4的RAM芯片构成5128的存储器。17题6.7试用256×4的RAM芯片构成10244的存储器。需要一个怎样规格的二进制译码器？需要一个2线到4线的二进制译码器，输出低电平有效。181.ROM的地址译码输出地址变量的最小项，W1=A’1A0，W3=A1A02.存储矩阵根据其存储内容，数据输出为各最小项的或运算6.3只读存储器ROM6.3.1固定ROMROM是组合逻辑电路!D3=W1+W3=A’1A0+A1A019查找表LookUpTable/真值表A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入“0”ROM也可看作是译码－编码的过程D3=W1+W3=A’1A0+A1A020MOS管构成的存储矩阵此存储矩阵是“或非”逻辑矩阵A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110等效为电阻216.3.2可编程只读存储器PROM1．只能编程一次的PROM--OTPROM编程时将VCC和字线电压提高熔丝熔断过程是不可逆的，所以只能编程一次！写入数据时，需要专门的编程器222．可擦除可编程只读存储器EPROM--UVEPROM1）EPROM存储元件2）存储原理叠栅/浮栅MOSFGMOS:Floating-GateMOS浮置栅极存储电荷改变了阈值特性23浮栅没有电子，有导电沟道，相当于存储1浮栅有电子，没有导电沟道，相当于存储0EPROM关键技术-浮栅电荷的存储和去除，分别称为编程和擦除由于浮栅周围是绝缘的SiO2，放电回路电阻相当大，所以EPROM存储数据可以长期保存243）热电子注入（Hot-electroninjection）编程和紫外线擦除原理编程--热电子注入(雪崩注入)编程1.源漏极加高压，发生雪崩击穿，实现电子流加速，形成高速电子流，即热电子。2.在控制栅极上加高压脉冲，吸引高速运动电子穿过SiO2到达浮栅，并被捕获。25UVEPROM芯片和擦除器紫外线或X射线，距管子2厘米处照射15~20分钟；阳光下1周，荧光灯下3年。紫外线擦除透明窗口紫外线灯26使用时先去除EPROM存储器芯片窗口上的遮光不干胶纸，擦除器最多可以同时擦除16片芯片，将定时器设定在10分钟位置，接通电源即可。对于比较旧的芯片,一般要加大擦除的时间,可设为20分钟左右。价格：68元2728是制作紫外线擦除器需要的全部零件，计有紫外线灯管一只，镇流器一只、启动器一只、灯管插座两只、电源线及少许绝缘导线、启动器插座、电源开关一只等。什么？对了，和普通的日光灯的组成一样，不过，只是采用了紫外线灯管而已。2930均匀隧道编程与擦除4）FN隧道穿越（Fowler-Nordheimtunneling）编程和擦除原理均匀隧道编程与擦除是有条件的，即隧道区厚度要足够小，如小于12nm31非均匀隧道编程与擦除隧道区靠近漏极或源极一侧32EEPROM的编程和擦除都是基于非均匀隧道穿越原理3．电擦除可编程只读存储器EEPROM（E2PROM）T2为了提高擦、写的可靠性T1为实现数据存储的存储管存储单元为双管结构336.3.3现代常用ROM1．FlashROM存储单元相对于EEPROM，只需要一个MOS管，结构简单，集成度高，成本低。因为MOS管的源极是连在一起的，所以擦除时按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits)整体擦除，所以叫FlashMemory，用来形容擦除速度快。存储单元为单管结构34NORFlashROM存储矩阵及其等效电路NORFlash同一位线上的单元是并联的关系，逻辑上为或非逻辑NOR指的就是或非逻辑35NANDFlashROM存储矩阵及其等效电路NANDFlash同一位线上的单元是串联的关系，逻辑上为与非逻辑NAND指的就是与非逻辑36典型的NANDFlashROM的结构37NOR与NAND比较参数NORFlashROMNANDFlashROM容量中等容量（256MB）大容量（16GB或更高）程序直接运行（XIP，eXecuteInPlace）可以（类似RAM）不可以（类似硬盘）工作速度擦除慢（5s）快（4ms以下）写慢快读较快快擦除次数10000～100000100000～1000000擦除方式FN隧道穿越FN隧道穿越编程方式热电子注入FN隧道穿越访问方式随机访问顺序访问价格高很低擦除单位块小块（8～32KB）编程单位字节页（典型为528Byte）读取单位字节页优势随机访问寿命长、成本低382．单比特单元SLC与多比特单元MLCSingleLevelCellVSMultipleLevelCell目前，多比特单元已经成为主流！尤其是超大容量的FlashROM39Kingston1GSDcard左侧为三星K9G808U0MMLCFlashROM2bits/cell

右侧为SD控制芯片，49元

¥49.0040虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程次数都是有限的，典型次数为100万次(NANDFlash)。所以ROM还不能代替RAM！U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为芯片内部往往有电荷泵（chargepump

）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高电压的要求。41题6.2试说明PROM种