第7章 半导体存储器

1《电子技术基础

数字部分》第七章半导体存储器

存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码（地址码），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一个“字”）。2计算机对存储器的要求容量大速度高成本低主要计算机存储器： 内存、硬盘、移动硬盘、闪存、软盘、光盘3存储器类别按存储媒介分半导体存储器和其它存储器按存取方式分随机存储器、顺序存储器和半顺序存储器按读写功能分读/写存储器（随机存储器）和只读存储器按信息的可保存性分易失性存储器和非易失性存储器按在计算机系统中的作用分主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器457.1只读存储器7.2随机存取存储器第七章半导体存储器RAM(随机存取存储器):在运行状态可以随时进行读或写操作。存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电,数据全部丢失。ROM(只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息(如程序、常数等)。7.1

只读存储器存储器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)固定ROM可编程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：静态RAMDRAM(DynamicRAM)：动态RAM6几个基本概念存储容量(M)：存储二值信息的总量。字数：存储器能存储的字的总量。字长（位数）：字的位数称为字长。存储容量(M)＝字数×位数

=2n×m

地址：存储器中每个字的编号。字数=2n(n为存储器外部地址线的线数)字：表示一个信息的多位二进制码。787.1.1

ROM的基本结构ROM的分类按写入情况划分

固定ROM可编程ROMPROMEPROME2PROM按存贮单元的器件划分

二极管ROM三极管ROMMOS管ROM存储矩阵

地址译码器地址输入ROM的基本结构框图地址单元的个数N与二进制地址码的位数n满足：N=2n9ROM(二极管)结构示意图M=22×4存储矩阵位线字线输出控制电路地址译码器10字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管相当存1，无二极管相当存0当OE=1时000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0内容当OE=0时输出为高阻状态1112例：256×1位7.1.2二维译码与存储阵列单向（一维）译码方式和双向（二维）译码方式13字线存储矩阵位线字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有MOS管相当存0，无MOS管相当存1。14A7A6A5A4A3A2A1A0=00010001高电平低电平D0=I1=0157.1.3可编程ROM（256X1位EPROM）256个存储单元排成1616的矩阵行译码器从16行中选出要读的一行。列译码器再从选中的一行存储单元中选出要读的一列的一个存储单元。如选中的存储单元的MOS管的浮栅注入了电荷，该管截止，读得1；相反读得0。一次编程ROM（PROM）（1）熔丝工艺（2）反熔丝工艺可编程序的ROM，在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为“0”,然而只能改写一次，称其为PROM。

若将熔丝烧断，该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。16场氧化物场氧化物多晶硅扩散层绝缘层反熔丝结构示意图EPROM工艺EPROM的另外一种广泛使用的存储器。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”或“0”，以便用户重新编写。17E2PROM

E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存储器，又可写为EEPROM。其主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。1819快闪存储器ROMEPROME2PROM非易失性是是是是高密度是是是否单管存储单元是是是否在系统可写是否否是几种ROM性能比较207.1.4

ROM读取操作实例128K×8位OTP

PROMAT27C010VCCVPPA16A0…OECEPGMGNDO7O0………OECEPGM读操作工作电压写操作编程电压输出使能信号编程选通信号片选信号

工作模式A16~A0VPPO7~O0读00XAiX数据输出输出无效X1XXX高阻等待1XXAiX高阻快速编程010AiVPP数据输入编程校验001AiVPP数据输出21AT27C010VCCVPPA16A0…OECEPGMGNDO7O0………OECEPGM（2）加入有效的片选信号（3）使输出使能信号有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；（4）让片选信号或输出使能信号无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；22读操作及定时图tAA地址存取时间:从地址信号加到存储器上到数据输出端有稳定的数据输出所需的时间23读操作及定时图tCE

片选存取时间:在地址输入稳定和OE有效时，从片选信号CE有效到数据稳定输出所需时间tOE输出使能时间：在地址输入稳定和CE有效时，从输出使能信号OE到数据稳定输出所需时间247.1.5

ROM应用举例（1）用于存储固定的专用程序（3）利用ROM可实现查表或码制变换等功能

查表功能－－查某个角度的三角函数

把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。

码制变换－－把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。（2）可实现各种组合逻辑函数CI3I2I1I0二进制码O3O2O1O0格雷码CI3I2I1I0格雷码O3O2O1O0二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010例：用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路25C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)二进制码O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷码C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)格雷码O3O2O1O0(D3D2D1D0)二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010C=A4I3I2I1I0=A3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D02627例:试用ROM实现下列各函数28297.1只读存储器7.2随机存取存储器第七章半导体存储器307.2随机存取存储器

7.2.1

SRAMSRAM结构框图CE

WE

OE

=

1

×

×I/O0~I/Om-1

高阻保持（微功耗）CE

WE

OE

=

0

1

0I/O0~I/Om-1

数据输出读CE

WE

OE

=

0

0

×I/O0~I/Om-1

数据输入写CE

WE

OE

=

0

1

1I/O0~I/Om-1

高阻输出无效两个与门输出0与门1输出0与门2输出1与门1输出1与门2输出0两个与门输出0SRAM存储单元双稳态存储单元电路列存储单元公用的门控制管，与读写控制电路相接Yi＝1时导通本单元门控制管:控制触发器与位线的接通。Xi=1时导通来自列地址译码器的输出来自行地址译码器的输出31T5、T6导通T7

、T8均导通Xi=1Yj=1触发器的输出与数据线接通，该单元通过数据线读取数据。触发器与位线接通32（a）地址控制的读操作（b）片选控制的读操作SRAM的读操作及时序图33SRAM的写操作及时序图（a）片选控制的写操作（b）写信号控制的写操作34357.2.2同步SRAM-同步静态随机存取存储器（SSRAM）SSRAM是一种高速RAM。与SRAM不同,SSRAM的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。寄存地址线上的地址寄存要写入的数据ADV=0:普通模式读写ADV=1:丛发模式读写=0:写操作=1:读操作

寄存各种使能控制信号，生成最终的内部读写控制信号2位二进制计数器,处理A1A036ADV=0:普通模式读写片选无效=0:写操作WE=1:读操作WE普通模式读写模式:在每个时钟有效沿锁存输入信号,在一个时钟周期内,由内部电路完成数据的读(写)操作。读A1地址单元数据I/O输出A1数据;开始读A2数据I/O输出A2数据;开始读A3数据I/O输出A6数据;开始读A7数据开始读A4地址单元数据I/O输入A5数据;开始写A6数据I/O输出A4数据;开始写A5数据,37读A2地址单元数据丛发模式读A2+1中的数据丛发模式读A2+2中的数据丛发模式读A2+3中的数据丛发模式重新读A2中的数据

ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写模式：在有新地址输入后,自动产生后续地址进行读写操作,地址总线让出。读A1地址单元数据丛发模式读A1+1中的数据丛发模式读A1+2中的数据38在由SSRAM构成的计算机系统中，由于在时钟有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到SSRAM内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均在时钟作用下，由SSRAM内部控制完成。此时，系统中的微处理器在读写SSRAM的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个系统的工作速度。SSRAM的使用特点39407.2.3

DRAM-动态随机存取存储器

T

存储单元写操作:X=1=0T导通，电容器C与位线B连通输入缓冲器被选通，数据DI经缓冲器和位线写入存储单元如果DI为1，则向电容器充电，C存1;反之电容器放电,C存0。

-

刷新R行选线X读/写输出缓冲器/灵敏放大器刷新缓冲器输入缓冲器位线B读操作:X=1=1T导通，电容器C与位线B连通输出缓冲器/灵敏放大器被选通，C中存储的数据通过位线和缓冲器输出每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此时刷新控制R也为高电平，则读出的数据又经刷新缓冲器和位线对电容器C进行刷新。

T

存储单元

刷新R行选线X读/写输出缓冲器/灵敏放大器刷新缓冲器输入缓冲器位线B41SRAM和DRAM的比较种类用途存取速度成本基本元件挥发性充电耗电量集成度SRAMCache较快高触发器否不需要高低DRAM主存较慢低电容是需要低高42字扩展各片RAM对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的选片控制端。7.2.4存储容量的扩展例:将8×1的存储器扩展为32×1的存储器43位扩展把各片对应的地址线连接在一起，数据线并列使用即可例:将8×1的存储器扩展为8×3的存储器44A1D1A0D0R/WCS上图为4×2集成存储单元,试将其扩展为8×4的存储器。此处是D1和D0，不是Di和Do——现在的存储器的输入端和输出端是公共的，即所谓I/O端。45A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0方法：先进行位扩展，构成4×4再进行字扩展，构成8×4（或相反）位扩展——地址、控制端并联，输出端分别输出46A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0字扩展——地址、R/W端并联，输出端分别并联用高位地址控制片选端47A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA2148先字扩展（4×2——8×2），再位扩展A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2两片电路，如片选（地址）相同，输出分开——位扩展片选（地址）不同，输出并联——字扩展49A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D01D3D250一些错误情况A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD0D1BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216×2只作了字扩展,未做位扩展51A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×41位地址码变成了2位地址码A3A2=01时选中左边,A3A2=10时选中右边,然则A3A2=00或11时，二片皆不工作,电路无输出.52A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0

1A3A3=0时D1D0有输出D3D2无输出,而A3=1时D1D0无输出D3D2有输出，输出并非4位，且不相同53A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012E