第七章 半导体存储器.ppt

1、第7章 半导体存储器,7.1 概述 7.2 只读存储器 7.3 随机存储器 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数,重点难点,电路的结构特点、地址与数据的对应关系,重点：,内部详细结构、物理过程（非重点 ）,存储器容量的扩展,分类、特点、应用场合,难点：,第七章 半导体存储器,产生组合逻辑函数,半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息的大规模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。,半导体存储器,ROM,EPROM,快闪存储器,PROM,E2PROM,掩膜ROM,可编程ROM,RAM,SRAM,DRAM,按存取方式来分,7.1 概述,按制造工艺来分,半导体存储

2、器,双极型,MOS型,对存储器的操作通常分为两类：,写即把信息存入存储器的过程。,读即从存储器中取出信息的过程。,两个重要技术指标,存储容量存储器能存放二值信息的多少。单位是位或比特（bit）。1K=210=1024，1M=210K=220。,存储时间存储器读出（或写入）数据的时间。一般用读（或写）周期来表示。,7.2.1 掩膜只读存储器（ROM）,存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性。,特点： 只能读出，不能写入；,1、 ROM的基本结构,ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。,7.2 只读存储器（ROM）,掩模ROM ：厂家把数据“固化”在存储器中，用户无法进行任何修

3、改。适合大量生产，简单，便宜，非易失性，使用时，只能读出，不能写入。,ROM的基本结构,字线,位线,存储单元可以由二极管、双极型三极管或者MOS管构成。每个存储单元可存储1位二值信息（“0”或“1”）。,按“字”存放、读取数据，每个“字”由若干个存储单元组成，即包含若干“位”。字的位数称为“字长”。,每当给定一组输入地址时，译码器选中某一条输出字线Wi，该字线对应存储矩阵中的某个“字”，并将该字中的m位信息通过位线送至输出缓冲器进行输出。,存储器的容量字数位数2nm位,2、二极管ROM,地址译码器实现地址码的与运算，每条字线对应一个最小项。,地址译码器,存储矩阵实现字线的或运算,存储矩阵,RO

4、M的数据表,制作芯片时，若在某个字中的某一位存入“1”，则在该字的字线与位线之间接入二极管，反之，就不接二极管。,3、MOS管ROM,ROM的数据表,ROM的点阵图,“1”,“0”,一次性可编程ROM（PROM）：出厂时，存储内容全为1，用户可根据自己的需要进行编程，但只能编程一次。总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同。,7.2.2 可编程的只读存储器,ROM的编程是指将信息存入ROM的过程。,熔丝型PROM的存储单元,1、数据写入,例：将W0=01111111写入,输入地址码0000，使W0=1，(选中该组存储单元),在D7端加高压脉冲(20V)，使稳压管DZ导通， 写入放大器AW导通，

5、输出呈低电平、低内阻状态， 有大电流流过熔断丝，将其熔断。,2、数据读出,输入地址码0000，使W0=1，数据端不加电压，AR工作，输出数据,读出时，AR输出的5V高电平不足以使DZ导通，AW不工作。,工作原理,只能写入一次，不能满足经常修改存储内容的需要,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器（EPROM）,一、紫外线擦除可编程ROM（UVEPROM）,总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同. UVEPROM采用浮栅技术，可通过紫外线照射而被擦除，可重复擦除上万次。,Flash Memory也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，一般一只芯

6、片可以擦除/写入100万次以上。,E2PROM也是采用浮栅技术，用电擦除，可重复擦写100次，并且擦除的速度要快的多。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。,二、电可擦除可编程ROM（E2PROM）,三、快闪存储器（Flash Memory）,7.3 随机存取存储器（RAM）,断电后存储的数据随之消失，具有易失性。,特点： 可随时读出，也可随时写入数据；,根据存储单元工作原理不同，分为静态RAM和动态RAM,静态SRAM: 优点:数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能永久保存,缺点:存储单元所用的管子数目多,功耗大,集成度受到限制,

7、动态DRAM:,优点:存储单元所用的管子数目少,功耗小,集成度高,缺点:为避免存储数据的丢失,必须定期刷新,一、SRAM的基本结构,7.3.1、静态随机存储器(SRAM),由存储矩阵、地址译码器、读/写控制电路三部分组成.,SRAM的基本结构图,双向箭头表示一组可双向传输数据的导线,2114RAM,存储容量,210字4位/字=10244=4096位,211410244位RAM,SRAM 2114的功能,2、SRAM静态存储单元,基本SR触发器,无论读出还是写入操作，都必须使行选线X和列选线Y同时为“1”.,PMOS管,7.3.2、动态随机存储器(DRAM),动态MOS存储单元利用MOS管的栅极

8、电容来存储信息，但由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把这种操作称为“刷新”。 刷新之间的时间间隔一般不大于 20ms。,动态MOS存储单元有四管电路、三管电路和单管电路等。,写入数据：,D=1时，C2充电，写入Q=1；,D=0时，C1充电，写入Q=0。,X=Y=“1”,0,1,1,0,1,0,0,1,读出数据：,Q=0时，读出D=0；,Q=1时，读出D=1；,X=Y=“1”,1,0,CO1、CO2预充电,0,1,写入信息时，字线为高电平，VT导通，位线上的数据经过VT存入CS。,读出信息时，字

9、线为高电平，VT管导通，这时CS经VT向CO充电，使位线获得读出的信息。这是一种破坏性读出。因此每次读出后，要对该单元补充电荷进行刷新，同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信号加以放大。,单管动态MOS存储单元,7.4 存储器容量的扩展,位扩展可以用多片芯片并联的方式来实现 各地址线、读/写线、片选信号对应并联； 各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位。,1、位扩展方式增加I/O端个数,用10241 位的RAM扩展为10248 位RAM,八片,2、字扩展方式增加地址端个数,例：用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM。,分析：N=4,25628，每片有8条地址线；,10242

10、10，需要10条地址线；,所以，需要增加2条高位地址线来控制4片分别工作，即需要一个2-4线译码器。,用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM的系统框图,I/O0 I/O1 I/O2 I/O3,A0A1 A9,2-4线译码器,将 (10244位)扩展成( 40964位)的RAM,RAM的地址分配,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,原理：,地址相当于输入变量 数据相当于输出变量,任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM 中写入相应的数据来实现。,用存储器设计组合逻辑电路步骤,1、进行逻辑抽象，得出所设计组合逻辑电路的逻辑真值表,2、选择存储器芯片。芯片的地址输入端等于输入变量数，芯片的数据

11、输出端等于输出函数的数目。,3、若一片存储器芯片的地址输入端数或数据输出端数达不到上述要求，可采用字、位扩展的方法将多片存储器芯片组和成一个符合要求的存储器。,4、将输入变量接至存储器的地址输入端，取存储器的输出端作为函数输出端，并从函数的真值表得到与之对应的存储器数据表。,5、将得到的数据表写入存储器中，就得到了所设计的组合逻辑电路。,例1：试用ROM设计一个八段字符显示译码器（带小数点）,解：电路要求4位输入，8位输出，故选用4位地址线，8位数据线的ROM。,用掩模ROM实现,画出存储矩阵的连接图（有二极管表示0）,例2：试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数。,解：,电路要求4位输入，4

12、位输出，故选用4位地址线，4位数据线的ROM。,为得真值表，先将逻辑式化为最小项之和的形式,用掩模ROM实现,画出存储矩阵的连接图（有二极管表示1）,选用一片有4位地址输入、4位数据输出的164位存储器。 若选用10244位RAM，以它的地址输入端A3、A2、A1、A0作为D、C、B、A，以它的数据输出端D3、D2、D1、D0作为Y3、Y2、Y1、Y0，得到RAM的数据表：,例、设计一个代码转换电路，将8421码转换为余3循环码。,解：以8421码的4位作为4个输入变量，以余3循环码的4位作为多输出函数的4个输出端。得到逻辑真值表：,将数据表写入RAM中，就得到了所设计的代码转换电路,RAM的

13、数据表,存储器的实际应用,算术运算器,存储矩阵的点阵图,ROM存储器的测试,RAM存储器的测试,第7章 小结,3. 掌握用ROM实现组合逻辑电路的方法,重点掌握,1掌握各种存储器的特点,2掌握存储器的扩展方法,主要内容：,1. 各种半导体存储器的原理和特点 2. 存储器的扩展 3. 用存储器设计组合逻辑电路,本章习题类型与解题方法,一、存储器扩展容量的方法,1、位扩展方法：将各片的地址线、读写控制线R/W、片选CS分别并联起来。如果每一片是m位，n片组合成的存储器有mn 位数据输出。,2、字扩展方法：将各片的地址线、读写控制线R/W、数据线分别并联起来，然后通过每一片的片选CS信号来区分地址代码选中的是哪一片中的存储单元。各片的片选信号是由地址代码的附加位译出。如果每一片字数是m，n片组合成的存储器可存储mn 个字。,3、字、位扩展方法：如果存储器芯片的字数和位数都不够用，则同时采用位、字扩展方法，将多片存储器芯片组和成一个有更多字数和位数的存储器。,二、用存储器设计组合逻辑电路,1、进行逻辑抽象，得出所设计组