数字逻辑电路

数据逻辑电路主讲老师：韩维良2005.71.第六章半导体存贮器2.（存贮器概述）存储器——用以存储二进制信息的器件。根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：1、随机存取存储器（RAM）也叫做读/写存储器。既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。2、只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。即其中的的信息不能被修改。随着技术的发展，只读的功能被扩展了。3.第一节随机存取存贮器一、RAM存贮单元RAM是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。RAM中的每个寄存器称为一个字，寄存器中的每一位称为一个存储单元，即能够存放一位二进制数的单元电路。随机存取存储器（RAM）可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出（读出）操作。4.与只读存储器ROM相比，RAM最大的优点是存取方便，使用灵活，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。静态RAM不需要刷新，外围电路比较简单。动态RAM需要比较复杂的刷新电路。静态RAM的工作速度一般要比动态RAM速度高。静态RAM功耗大，集成度低，而动态RAM正好相反。动态RAM的刷新如同在阳光下用水写字，易干，重写。5.1、静态RAM的存储单元6.即六管NMOS静态存储单元，T1、T2、T3、T4也为NMOS非门，两个非门即T1、T3交叉反馈连接，作为基本触发器存贮数据，T2、T4为偏置电阻。T5、T6为门控管。T7、T8是每一列共用的门控管。7.工作原理：在这个电路中，T1—T4组成一个基本RS触发器（有两个稳定状态），可用于存贮一位二进制数，而T5、T6则作为单控制门即（开关），控制位线与触发器的连接与否。当行选择线X=1（高电平，即写入信号）时，T5、T6被导通，位线与触发器保持连接，可将位线上的数据写入本存贮单元中，即本存贮单元被选中；当行选择线X=0时，T5、T6被截止，位线与触发器断开；T7、T8控制本单元与数据总线的连接与否，当列选择线Y=1（呈高电平）时，T7、T8导通，本单元与数据总线保持连接，可以与之交换信息；当Y=0时，本单元与数据总线断开。8.只有当行选择线与列选择线都呈高电平时，单元才会被选中，一个存贮单元才可以进行数据的写入与读出的操作。2、动态RAM存贮单元由于静态RAM功耗大，集成度低，成本高；动态RAM可以克服这些缺点。9.≥1&&T1T3T2T5T4CRVDDG3G2G1D1D0Yj列选择线Xi行选择线写位线读位线R/W10.动态存储单元是由MOS管的栅极电容C和门控管组成的。信号以电荷的形式存储在T2管的栅极电容C之中，而C上的电压又控制T2管的导通或截止。当电容C上存有足够的电荷时，使T2导通时，定义为0状态，即存贮了数据0；相反，C上没有电荷，T2截止时，定义为1状态，即存贮了数据1。即根据电容的电荷存贮效应，将存有电荷的状态定义为0状态，没有存贮电荷的状态定义为1状态。位线通过T1、T3与存贮连接，由行选择线X控制；数据总线通过T4、T5与位线连接，由列选择线Y控制；当X、Y均为高电平时，本存贮单元被选中，可通过数据总线进行数据的写入与读出的操作。11.因存在漏电，使电容存储的信息不能长久保持，为防止信息丢失，就必须定时地给电容补充电荷，及时进行数据再生（重写与刷新），这种操作称为“刷新”，由于要不断地刷新，所以称为动态存储。刷新原理：行选择线保持高电平，通过读位线将原有数据反馈到刷新电路上，再一次写入；原来是0，刷新时写入0，原来是1，刷新时写入1；刷新实际上就是不断地将原来存贮的数据写入的过程，沿着读位线经G2门写入，总是周期性地不断进行刷新操作。12.TCSXi位线所示为单管动态存储单元电路。它只包含一个MOS管和一个电容CS。数据存储在电容CS上。单管动态MOS存储单元是所有存储单元中结构最简单的一种，它占芯片面积最小，功耗也较低，目前大容量存储器都采用单管存储器。13.二、RAM存贮器的构成RAM由存储矩阵、地址译码器、读／写控制电路、输入／输出电路和片选控制电路等组成。14.1、存贮矩阵又称为存贮体，由多个存贮单元电路按一定的方式组成；每一个存贮单元存贮一个二进制数；如果存贮器的容量为64K，一个字节含8位二进制数，需要64K*8个存贮单元；可见存贮器由大量的存贮单元组成，这些存贮单元按一定的组合起来，排成一个矩阵，就是一个存贮体。15.在RAM存贮器是以字为单位存放二进制信息的，每个字包含若干个位；一个字包含的位数称为字长。通常情况下，字数乘以字长就是存贮器的容量。将存放一个字的存贮单元编为一组，统一赋予一个编号，称为地址；在存贮器中每个字按地址存放，根据地址选中要进行读写的字，实现随机读取。16.17.2．地址译码器存贮单元是按地址来选择的，如内存为64K，则地址信息为16位（216=64K），CPU要选择某一单元，就在地址总线上输出此单元的地址信号给存贮器。存贮器就必须对地址信号进行译码，经地址译码器找到被访问的字单元，最后由控制电路控制对字单元进行读或写操作。地址译码器有两种：单译码（适用于小容量存储器）和双译码。18.为了节约成本，双译码结构较为常用，地址译码器分成X向和Y向两个译码器，若每个译码器有n/2个输入端，可译出2n/2个输出状态，则两个译码器交叉可译出2n/2*2n/2=2n个输出状态，其中n为地址码的二进制位数。译码线只有2*2n/2根。由X选择线（行选择线）和Y选择线（列选择线）的交叉来选择所需要的字单元，当X、Y都为高电平时，交叉点上就是欲选择的存贮单元的几位。一般情况下，将地址信号对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中某存储单元。19.如上页的图中。行地址译码器：5输入32输出，输入为A0、A1、…、A4，输出为X0、X1、…、X31；列地址译码器：5输入32输出，输入为A5、A6、…、A9，输出为Y0、Y1、…、Y31，例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线X1＝1、列选线Y0＝1，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。20.3、其它外围电路片选控制端CS：目前每一片的存贮容量终究还是有限的，所以，一个存贮体，总还是要一定数量的片子组成；在地址选择时，首先要选片，用地址译码器输出和一些控制信号形成片选信号，只有当CS有效选中某一片时，此片所连的地址线才有效，才能对这一片上的存贮单元进行读写操作。一般情况下，由若干位地址线生成片选信号。随机存贮器RAM，能读出也能写入，而且得随时能够选择任一单元进行存取的，它的数据输入和输出通道是共用的，通过读写控制信号R/W来控制。21.三、RAM的容量扩展存贮容量是存贮器的重要技术指标。是存放信息的总数量。表示法：字数*位数。字：独立的信息单元，有独立统一的地址。位数：一个字里的信息长度（即二进制数的位数）。当单片RAM不能满足存储容量的要求时，可以把若干片RAM联在一起，以扩展存储容量，扩展的方法有位扩展和字扩展两种，在实际应用中，常将两种方法相互结合来达到预期要求。22.1．位扩展当所需的字长超过已有芯片的位数时，进行位的扩展。用8片1024（1K）×1位RAM构成的1024×8位RAM系统。23.方法：将地址线、片选、读写控制端对应相连，数据线各自独立。A0—A9的地址信号和片选信号同时选中一个字中的8位数据。24.2．字扩展位数不变，字数增加。例：用8片1K×8位RAM构成的8K×8位RAM。扩展方法：数据线、读写控制端对应相连，地址线分成两部分，一部分并接至各片的地址端上，另一部分用于译码产生各片的片选信号。25.26.1K字中有210个不同的存贮单元，需要210个不同地址，地址线是10根，8K字中有213个不同的存贮单元，需要213个不同地址，地址线是13根。扩展要求上看，需要8个1K的RAM；扩展后，地址线比扩展前多出3根；多出的地址线通过译码器产生8个不同信号，连接至8片的片选信号。27.第二节只读存储器(ROM)一、概述只读存储器英文为ReadOnlyMemory，通常简写为ROM。ROM存放的数据一般不能用简单的方法对其内容进行改写，正常使用时主要对其进行读取操作，ROM还具有掉电后其内部信息不丢失的特点(通常叫非易失性)，一般用于存放一些固定的数据或程序，其一般在器件生产出厂前由生产厂家将内容直接写入在器件中。28.二、

ROM的工作原理原理：以开关元件为存贮单元，以其导通和截止两种状态表示所存贮的数据，导通为1，截止为0。由于存贮单元简单，集成度较高。29.30.矩阵的纵横交叉点上是一个存贮单元。交叉点的二极管导通，表示存贮数据1，截止或者不接二极管表示存贮数据0。三、ROM的分类按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：1、掩膜ROM在制造时就把需要存储的信息用电路结构固定下来，使用中用户不能更改其存储内容，所以又称固定存储器。31.在生产时，根据需要，直接将数据写在存贮矩阵中；生产数量较少时，成本会较高。32.2、一次性可编程ROM（PROM）出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要写入数据，一经写入就不能更改。这种ROM一般由二极管矩阵组成，如上面的图是PROM的一种存储单元,它由三极管和熔丝组成。33.存储矩阵中的所有存储单元都具有这种结构。PROM封装出厂时，所有存储单元的熔丝都是通的，存储单元中的内容全为“1”（或全为“0”）。用户在使用前进行一次性编程。写入时，利用外部引腿输入地址，对其中的二极管键进行选择，使一部分熔丝通过足够大的电流，把熔丝烧断，存贮单元的内容改为“0”。另一部分保持原状，于是就进行了编程。那些保持原状的二极管键代表“1”，而那些被烧断的二极管键代表“0”。34.熔丝一旦烧断将无法接上，也就是一旦写成“0”后就无法再重写成“1”了。因此PROM只能编程一次，使用起来很不方便。可改写ROM（EPROM）则克服了这一缺点。

3、光可擦除可编程ROM（EPROM）采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次擦写。35.在EPROM中，信息的存储是通过电荷分布来决定的，所以，编程过程就是一个电荷注入过程。编程结束后，尽管撤除了电源，但是，由于绝缘层的包围，注入的电荷无法泄漏，因此，电荷分布能维持不变，也就是说，EPROM也是一种非易失性的存储器件。只有当某一个外部能源(比如紫外线光源)加到EPROM上时，EPROM内部的电荷分布才会被破坏，此时，聚集在各基本存储电路中的电荷会形成光电流泄漏走使电路恢复为初始状态，从而擦除了写入信息。36.为了使用EPROM具有可修改性，EPROM和其他集成电路的包装方法不同，在EPROM芯片上方有一个石英窗，从而允许紫外线穿过而照射到电路上。将EPROM放在紫外线光源下照射30分钟(一般为10～50分钟，视具体型号而异)后，EPROM中的内容就被抹除，使全部存储单元恢复“0”，以便用户重新编写。EPROM在初始状态下，所有的数位均为“0”，写入时只能将“0”改变为“1”，用紫外线光源抹除时，才能将“1”变为“0”。37.38.存贮单元采用了浮栅雪崩注入MOS电路，简称为FAMOS管。由于其栅极全部被二氧化硅包围，处于悬浮状态，所以称为：“浮栅”，原始的浮栅不带电荷，FAMOS管不导通，位线上是低电位，存贮的信息为0。当FAMOS管的源极S与衬底接地电位、漏极D接较高电压（大于正常工作电压）时，漏极PN结反向击穿产生“雪崩”现象（瞬间击穿），电子通过绝缘层进入浮栅积累电荷，FAMOS管处于导通状态，存贮的信息为1。此后，撤去电源，浮栅所带的电荷，无法泄漏而保持长期带电状态。当受到紫外线照射时，浮栅上的电荷形成光电流泄掉。39.主要工作原理：浮栅带电时，形成导电沟道，管子导通，存贮数据1；浮栅不带电时，没有导电沟道，管子截止，存贮数据0。由于浮栅被绝缘的二氧化硅包围，电荷不会丢失，这样存贮信息的可以安全保存20年以上，但为了防止平时日光中的紫外线照射，在其玻璃窗口上贴上黑纸。40.4、电可擦除可编程ROM（E2PROM）EPROM尽管可以擦除后重新进行编程，但擦除时需用紫外线光源，使用起来仍然不太方便。也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并且擦除的速度要快得多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。41.42.主要原理：在FAMOS管的基础上，在浮栅和衬底之间，增加了一个遂道二极管（浮栅与衬底间的一层很薄的氧化层），在编程时，可使电荷通过它流向浮栅，而擦除时，可使电荷通过它流向漏极。控制栅极为电擦写端口。43.5、快闪存储器（FlashMemory）也是采