第6章 存储器.ppt

1、第6章 存 储 器,第六章 存储器,6.1 随机存储器（RAM）,6.1.1 随机存储器概述 1随机存储器的概念 RAM是Random Access Memory的缩写，通常称为随机存储器，也称为随机读/写存储器。它的特点是在工作过程中，数据可以随时从任一指定的地址读出数据，也可随时将数据写入指定的存储单元，使用灵活方便，但所存数据在断电后消失。本章中凡涉及“随机存储器”就用RAM来代替。 2随机存储器的分类 RAM按工作原理可分为静态随机存储器SRAM（Static Random Access Memory）和动态随机存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）

2、两种。,第六章 存储器,（1）随机存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作。RAM信息易失：芯片必须供电才能保持存储的数据。（2）只读存储器（ROM）：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出。ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失。,第六章 存储器,3存储器的主要性能指标 容量：存储单元总数（bit）：1Kbit=1024bit=210bit，128Mbit=134217728bit=227bit。 字长：一个芯片可以同时存取的比特数：1位、4位、8位、16位、32位等。 标称：字数位数 如4K8位=2128=215单元（bit）。 存取时间：表明存储器的工作速度。 读操作和写操

3、作时序图：存储器的工作时序关系。 其他：材料、功耗、封装形式等。,第六章 存储器,6.1.2 随机存储器的结构与基本原理 由于静态随机存储器、动态随机存储器的基本结构相同，所以在随机存储器的结构与基本原理中一起介绍。 RAM电路由地址译码器、存储矩阵和读/写控制电路组成，RAM的读、写操作由读/写控制电路管理。RAM的方框图如图6.1所示，RAM中的核心部件是基本存储单元，其结构有双极型和MOS型两种，不过双极型已经很少使用了。,第六章 存储器,1存储矩阵 RAM的存储矩阵由许多存储单元构成，每个存储单元存放一位二进制码，“0”或“1”。与ROM 存储单元不同的是，RAM存储单元的数据不是预先

4、固定的，而是由外部信息决定的。要存储这些信息，RAM存储单元必须由具有记忆功能的电路，如触发器等电路构成。（1）静态随机存储器的存储矩阵（以六管静态存储单元为例） 静态存储单元在静态触发器的基础上附加门控管而成，它是靠触发器的自保持功能存储数据的。图6.2所示是由六只N沟道增强型MOS管组成的静态存储单元。,第六章 存储器,图6.1 RAM的结构框图,图6.2 六管静态存储单元,T1T6构成一个存储单元。T3、T4为负载，T1、T2为基本RS触发器； Xi =0，T5、T6截止，触发器与位线隔离； Xi =1，T5、T6导通，触发器与位线接通； Yj =1，T7、T8均导通，触发器的输出与数据

5、线接通，该单元数据可传送。,第六章 存储器,（2）动态随机存储器的存储矩阵（以三管和单管动态存储单元为例） 动态存储单元是利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理制成的。由于存储单元的结构能做得非常简单，所以在大容量、高集成度的RAM中得到广泛应用。如图6.3所示是三管动态存储单元。, 写入数据,，G1导通，G2截止。 当Xi=Yj=1时，输入数据DI经G3反相，被存入电容C中。 此时，T1、T3、T4、T5均导通，可以对存储单元进行存取操作。 若DI=0，电容充电；若DI=1，电容放电。当Xi=Yj=0时，写入的数 据由C保存。, 写入数据,第六章 存储器, 读出数据,当Xi=Yj=1时，T1

6、、T3、T4、T5均导通，此时可以对存储单元进行存取操作。,若C上充有电荷，T2导通，读位线输出数据0；反之，T2截止，输出数据1。 读位线信号分两路，一路经T5 由DO输出；另一路经G2、G3、T1对存储单元刷新。,，G2导通，G1截止。,第六章 存储器,G1,&,G2,G3,R,C,VDD,T3,T2,T1,DO,DI,“读”位线,“写”位线,存储单元,Yj (列选择线),Xi (行选择线),写入刷新控制,T4,T5,&,图6.3 三管动态存储单元,第六章 存储器, 刷新数据,若读位线为低电平，经过G3反相后为高电平，对电容C充电；若读位线为高电平，经过G3反相后为低电平，电容C放电。 当

7、 ，且Xi=1时，C上的数据经T2、T3到达“读”位线，然后经写入刷新控制电路对存储单元刷新。此时，Xi有效，整个一行存储单元被刷新。由于列选择线Yj无效，因此数据不被读出。,第六章 存储器,2地址译码器 地址译码器一般分为行地址译码器和列地址译码器两部分。行地址译码器将输入地址代码的若干位A0Ai译成某一条字线的输出高、低电平信号，从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址代码的其余几位Ai+1An1译成某一根输出线上的高、低电平信号，从字线选中的一行存储单元中再选1位（或几位），使这些被选中的单元经读/写控制电路与输入/输出接通，以便对这些单元进行读、写操作。 地址译码器可分为单

8、译码和双译码。 所谓单译码是指n位地址构成2n条地址线。若n=10，则有1024条地址线。而双译码地址线是指将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码，其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。,第六章 存储器,3片选信号与读/写控制电路,一片RAM芯片所能存储的信息量是一定的，当所要存储的信息量大于RAM的存储容量时，往往把多片RAM组成一个容量更大的存储器，以满足实际工作的需要。访问存储器时，每次只与其中的一片或几片交换信息，这种信息的交换就是通过片选控制端 进行控制的。 表示片选信号低电平有效，当多片RAM组合在一起时，只有 =0 的那一片才能工作，其余各片因

9、 =1而不工作。于是，只有 =0的那一片RAM的输入/输出端与外部总线接通，交换数据，而其余各片的输入/输出端呈现高阻态，虽然挂接在总线上，也不能进行数据交换。,第六章 存储器,图6.4 八根地址线的行列（双）译码结构图,第六章 存储器,当一个地址码选中相应的存储单元时，是读还是写，可采用高电平或低电平作为读/写控制信号。当读/写控制信号 时，执行读操作，RAM将存储矩阵中的内容送到输入/输出端（I/O）；当 时，执行写操作，RAM将输入/输出端上的输入数据写入存储矩阵中。在同一时间内不可能把读/写指令同时送RAM芯片，读和写的功能只能一项一项地执行。因此可以将输入线和输出线放在一起，合用一条

10、双向数据线（I/O），利用读/写控制信号和读/写控制电路，通过I/O线读出或写入数据。如图6.5所示就是片选信号与读/写控制电路。,第六章 存储器,图6.5 片选信号与读/写控制电路,第六章 存储器,当 时，三态门均为高阻态，I/O口与RAM内部隔离。当 时，选中该单元。若 ，三态门1、2关，3开，数据通过门3传到I/O口，进行读操作；若 ，门1、2开，门3关，数据将从I/O口通过门1、2，向T7、T8写入，进行写操作。当Xi和Yi中有一消失，该单元与数据线联系被切断，由于互锁作用，信息将被保存。,第六章 存储器,6.2 只读存储器（ROM）,6.2.1 只读存储器（ROM）概述 1随机存储器

11、的概念 ROM是Read-Only Memory的缩写，通常称为只读存储器。它的特点是在工作过程中，可重复读取所存储的信息代码，而不能改写存储的信息代码，是一种非易失性的半导体存储器件。其中所存放的信息可长期保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固定的程序和数据。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。可擦除的ROM芯片，可采用特殊的方法将原来信息擦除，以便再次编程。本章中凡涉及“只读存储器”就用ROM来代替。,第六章 存储器,只读存储器的分类按存贮矩阵中器件类型可分为：二极管ROM、三极管ROM、MOS管ROM等。按写入方式，可分

12、为： 固定ROM：厂家装入数据，永不改变； PROM：用户装入，只可装一次，永不改变； EPROM：用户装入，紫外线擦除； E2PROM：用户装入，电可擦除； Flash Memary：高集成度，大容量，低成本，使用方便。,第六章 存储器,6.2.2 只读存储器的结构与基本原理 1掩模只读存储器 掩膜ROM中储存的信息是在芯片制造过程中就固化好了的，用户只能选用而无法修改原存信息，故又称为固定只读存储器ROM。通常，用户可将自己设计好的程序（信息）委托生产厂家在生产芯片时进行固化（掩膜），但要根据用户程序（信息）制作专用的掩膜模具，该模具成本较高，故掩膜ROM适用于批量生产的产品。,第六章 存

13、储器,（1）ROM的组成ROM电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分，其框图如图6.6所示。 存储矩阵存储矩阵由许多存储单元排列而成。存储单元可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能存放1位二值代码（0或1），而每一个或一组存储单元有一个相应的地址代码。 地址译码器地址译码器是将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。,第六章 存储器,图6.6 掩模ROM的组成框图,第六章 存储器, 三态缓冲器三态缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，并实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。（2）二极管ROM图

14、6.7所示是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。其地址译码器由4个二极管与门构成，存储矩阵由二极管或门构成，输出电路是由三态门组成的。,第六章 存储器,图6.7 二极管ROM电路图,第六章 存储器,存储矩阵是由4个二极管或门组成的编码器，当译码器输出的每根线分别给出高电平信号时，都会在D0D3 4根线上输出二进制代码，故D0D3称为位线（或数据线）。输出端的缓冲器用来提高带负载能力，并将输出的高低电平变换成标准的逻辑电平。同时通过给定EN信号实现对输出的三态控制，以便与总线相联。在读出数据时，只要输入指定的地址代码，同时令EN=0，则指定的地址内各存储单元所存数据便出现在数据输出端。

15、需要注意的是：,通常将每个输出的代码叫一个“字”（WORD），译码器输出为字线，D0D3为位线，其相交叉的点就是一个存储单元，其中有二极管的相当于存1，没有二极管相当于存0。因此交叉点的数目即为存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量）即： 存储容量=字数位数 如上述ROM的存储量为44=16位。,第六章 存储器,二极管ROM的电路结构简单，故集成度可以做的得很高，可批量生产，价格便宜。 可以把ROM看成一个组合逻辑电路，每一条字线就是对应输入变量的最小项，而位线是最小项的或，故ROM可实现逻辑函数的与或标准式。,（3）CMOS构成的ROM电路 利用MOS工艺制成的RO

16、M，其译码器、存储矩阵和输出缓冲器全部采用MOS管。图6.8所示给出了由CMOS构成的ROM的原理图。,由图6.8可以看出，字线和位线的交叉点，接MOS管的相当于存1，没有的相当于存0。当某根字线为高电平时，接在其上的MOS导通，其位线为低电平，通过三态非门后，输出数据为1。,（4）掩模只读存储器的特点 出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产简单，便宜，非易失性。,第六章 存储器,图6.8 CMOS构成的ROM的原理图,第六章 存储器,2. 可编程只读存储器（PROM） 在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量生产产品时，由于需要的ROM数量有限，设计人员经常希望按照自己的设想迅速写入所需要

17、内容的ROM。这就出现了PROM可编程只读存储器。 PROM的整体结构和掩模ROM一样，也有由地址译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了1，如图6.9所示。：,在图6.9中，三极管的be结接在字线和位线之间，相当于字线和位线之间的二极管。快速熔断丝接在发射极，当想写入0时，只要把相应的存储单元的熔断丝烧断即可。但只可编写一次。 可编程只读存储器的特点是PROM的内容一经写入以后，就不可能再修改了，所以它只能写入一次。,第六章 存储器,图6.9 可编程只读存储器存储示意图,第六章 存储器,3. EPROM（Ultra-Violet Erasa

18、ble Programmable Read-Only Memory，简称UVEPROM）可擦除的可编程只读存储器 PROM的内容一旦写入则便无法更改，只可以写一次。，为了能够经常修改存储的内容，满足设计的要求，需要能多次修改的ROM，这就是可擦除重写的ROM。这种擦除分为紫外线擦除（EPROM）和电擦除E2PROM，及快闪存储器（Flash Memory）。 EPROM和前面的PROM在总体结构上没有大的区别，只是存储单元不同，采用叠栅注入MOS管（Stacked-gate Injuction Metal-Oxide-Semiconductor，简称SIMOS）做为存储单元。 图6.10所示为

19、SIMOS的结构原理图和符号。它是一个N沟道增强型MOS管，有两个重叠的栅极控制栅GC和浮置栅Gf。控制栅GC用于控制读写，浮置栅Gf用于长期保存注入的电荷。,第六章 存储器,图6.10 SIMOS管的结构原理图和符号,第六章 存储器,（1）信息存储原理 若浮栅上无电子，则在GC上加正电压，衬底表面将感应出大量电子，形成导电沟道，可导通，状态0。,若浮栅上有电子，则在GC上加正电压，由于该电压与浮栅上的电子有抵消作用，故衬底表面将感应出少量电子，不能形成导电沟道，不可导通，状态1。 图6.11 信息存储原理图 （2）写入信息 在D、S间加高电压（如25V），使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿

20、，产生大量的高能自由电子。同时在GC上加25V,50ms宽的正脉冲，吸引高速电子穿过SiO2到达Gf,形成注入电荷，堆积到浮栅上，相当于写入“1”。将高电压撤掉后，电子没有放电通道，只能待在浮栅上，70%以上的电荷能保存10年以上。,第六章 存储器,图6.11 信息存储原理图,第六章 存储器,图6.12 写入信息原理图,第六章 存储器,（3）擦除信息 紫外线照射1030分钟，浮栅上的电子获得能量，返回PN结。EPROM的擦除为一次性全部擦除，其数据写入需专用的编程器。为方便照射，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板，平时应封上以免日光照射使信息丢失。,4. E2PROM（Electrically

21、Erasable Programmable ReadOnly Memory，简写为E2PROM） 虽然紫外线擦除的EPROM具有重写功能，但擦除操作复杂，速度慢。为了祢补这些不足，则产生了用电信号擦除的PROM，就是E2PROM 。 E2PROM的存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管，简称Flotox管，其结构图和符号如图6.13所示。,第六章 存储器,图6.13 Flotox管的结构图和符号,第六章 存储器,Flotox的结构与SIMOS管相似，也是N沟道MOS管，也有两个栅极控制栅Gc和浮置栅Gf。不同的是Flotox管的浮置栅和漏区之间有个氧化层极薄的区域（ 210-8m）隧道区。当隧道区

22、的电场达到一定程度（107V/cm）时，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。 在使用Flotox管做存储单元时，为了提高擦、写的可靠性，在E2PROM的存储单元中除了Flotox管子外，还有一个选通管，如图6.14所示。,第六章 存储器,图6.14 E2PROM的存储单元,第六章 存储器,（1）读出状态 在读出时，控制栅Gc加3V电压，如图6.14所示，若Wi=1，此时选通管V2导通，若Flotox的浮置栅没充电荷，则V1导通，在位线Di上读出为0 ；若Flotox的浮置栅上充有电荷，则V1截止，在位线Di上读出为1。 （2）擦除（写1）状态 当擦除状态时，在控制栅和

23、位线加高电压脉冲（20V/10ms），使得浮置栅上存储电荷。当控制栅加正常电压时，Flotox管截止，一个字节被擦除，则这个字节的所有存储单元为1的状态。 （3）写入（写0）状态 在写入情况下，令控制栅为0V，同时在在字线和位线上加20V/10ms的脉冲电压，应使写入的那些单元的Flotox管的浮置栅放电，然后在控制栅Gc加正常的3V电压，使Flotox管导通，则所存储的内容为0。 注：虽然E2PROM改用电信号擦除，但由于擦除和写入需要加高电压脉冲，且擦除和写入的时间仍然较长，所以正常工作只做ROM用。,第六章 存储器,5. 快闪存储器（Flash Memory） 快闪存储器的其结构和EPR

24、OM中的SIMOS管相似，只是浮置栅和衬底之间的氧化层的厚度不同，快闪存储器中的此厚度很薄，仅为1015nm，。以及另外一些特殊的制造技术。因此快闪存储器即既吸收了EPROM的结构简单、编程可靠的优点，也保留了E2PROM擦除的快捷特性，且集成度很高。为提高集成度，省去V2（选通管）改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）。叠栅MOS管和flash存储单元如图6.15所示。,第六章 存储器,图6.15 快闪存储器中的叠栅MOS管及其存储单元,第六章 存储器,（1）读出状态 若字线为高电平，即Wi=1，存储单元的公共端Uss=0。若浮栅无充电，则叠栅MOS管导通，位线Di输出低电平；若浮栅上充有负电

25、荷，则叠栅MOS管截止，位线Di输出高电平。 （2）写入状态 首先在叠栅MOS管的漏极经位线加较高的电平（6V），Uss=0V，在控制栅加一个幅度较大（12V/10ms）的正脉冲，使得管子发生雪崩击穿，浮置栅出现充电电荷。此时由于叠栅MOS管的开启电压提高，使得字线上加正常的逻辑电平时管子不会导通，写入1。 （3）擦除状态 擦除是利用隧道效应。在控制栅处于低电平（0V），源极加高幅度正脉冲（12V/100ms）的情况下，浮置栅和源极之间产生隧道效应，浮置栅的电荷通过隧道区放电，此时管子的开启电压降低，当字线加正常高电平（5V）时，管子就会导通。由于存储单元的源极都是连在一起的，故全部的存储单元

26、同时被擦除，这是与和E2PROM不同的一个地方。,第六章 存储器,6.3 存储器容量的扩充 当使用一片ROM或RAM器件不能满足对存储容量的需求时，则需要将若干片ROM或RAM组合起来，构成更大容量的存储器。存储容量的扩展方式有两种：位扩展方式和字扩展方式。,第六章 存储器,6.3.1 字长位数扩展 字长位数扩展简称位扩展，是指存储芯片的字（单元）数满足要求而位数不够，需要对每个存储单元的位数进行扩展。位扩展的连接方式是将各存储芯片的地址线、片选线和读/写线相应地并联起来，而将各芯片的数据线单独列出。其位扩展的特点是存储器的单元数不变，位数增加。 图6.16所示是用8片10241的RAM构成10248的RAM接线图。,第六章 存储器,