數(shù)字電子技術基礎 第7章 半導體存儲器

1、7.1 7.1 只讀存儲器（只讀存儲器（ROMROM）7.2 7.2 隨機存儲器（隨機存儲器（RAMRAM）用以存儲二進制信息的器件。用以存儲二進制信息的器件。半導體存儲器的分類：半導體存儲器的分類：根據使用功能的不同，半導體存儲器可分為兩大類：根據使用功能的不同，半導體存儲器可分為兩大類：（1 1）隨機存取存儲器（）隨機存取存儲器（RAMRAM）也叫做讀也叫做讀/ /寫存儲器。既能方寫存儲器。既能方便地讀出所存數(shù)據，又能隨時寫入新的數(shù)據。便地讀出所存數(shù)據，又能隨時寫入新的數(shù)據。RAMRAM的缺點的缺點是數(shù)據易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據全部丟失。是數(shù)據易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據全部丟失。（2

2、 2）只讀存儲器（）只讀存儲器（ROMROM）其內容只能讀出不能寫入。其內容只能讀出不能寫入。 存儲存儲的數(shù)據不會因斷電而消失，即具有非易失性。的數(shù)據不會因斷電而消失，即具有非易失性。（1）存儲器的容量：存儲器的容量）存儲器的容量：存儲器的容量=2nm(bit) n：地址線總數(shù)，：地址線總數(shù)， 2n 稱為字線數(shù)。稱為字線數(shù)。 m: 每一地址單元存儲每一地址單元存儲m位二值數(shù)，又稱為位線數(shù)。位二值數(shù)，又稱為位線數(shù)。8位為一字節(jié)位為一字節(jié)(Byte)， 210=1024=1K, 220=1024K=1M, 230=1024M=1G例：例：11根地址線，根地址線，8根數(shù)據線（根數(shù)據線（8位輸出），容

3、量為位輸出），容量為2118=16Kb=2KB(2)存取時間存取時間接收到尋址信號到讀接收到尋址信號到讀/寫數(shù)據為止。寫數(shù)據為止。 以一個以一個224的存儲器為例進行說明。它有二根地址線的存儲器為例進行說明。它有二根地址線A1、A0，四根數(shù)據線，四根數(shù)據線D3 D0。二根地址線有四種地址組合，假設對。二根地址線有四種地址組合，假設對應輸出數(shù)據如表。應輸出數(shù)據如表。 存儲器MD3D2D1D0A1A07.1 7.1 只讀存儲器（只讀存儲器（ROMROM）7.2 7.2 隨機存儲器（隨機存儲器（RAMRAM）ROM ROM (read-only memory)由由地址譯碼器和存儲體地址譯碼器和存儲體

4、兩部分構成。地址譯碼器產生了輸入變量的全部最小兩部分構成。地址譯碼器產生了輸入變量的全部最小項，即實現(xiàn)了對輸入變量的與運算；存儲體實現(xiàn)了有項，即實現(xiàn)了對輸入變量的與運算；存儲體實現(xiàn)了有關最小項的或運算。因此，關最小項的或運算。因此，ROMROM實際上是由實際上是由與門陣列和與門陣列和或門陣列或門陣列構成的構成的組合電路組合電路，利用，利用ROMROM可以實現(xiàn)任何組合可以實現(xiàn)任何組合邏輯函數(shù)。邏輯函數(shù)。（2 2）一次性可編程）一次性可編程ROMROM（PROMPROM）。）。出廠時，存儲內容全為出廠時，存儲內容全為1 1（或全為（或全為0 0），用戶可根據自己的需要編程，但只能編程），用戶可根據

5、自己的需要編程，但只能編程一次。一次。 PROMPROM具有熔絲結構，它的編程方法稱為熔絲編程。用具有熔絲結構，它的編程方法稱為熔絲編程。用戶對戶對PROMPROM編程是逐字逐位進行的。首先通過字線和位線編程是逐字逐位進行的。首先通過字線和位線選擇需要編程的存儲單元，然后通過規(guī)定寬度和幅度的脈選擇需要編程的存儲單元，然后通過規(guī)定寬度和幅度的脈沖電流，將該存儲管的熔絲熔斷，這樣就將該單元的內容沖電流，將該存儲管的熔絲熔斷，這樣就將該單元的內容改寫了。改寫了。按照數(shù)據寫入方式特點不同，按照數(shù)據寫入方式特點不同，ROMROM可分為以下幾種：可分為以下幾種：（1 1）固定）固定ROMROM。廠家把數(shù)據

6、寫入存儲器中，用戶無法進行廠家把數(shù)據寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。任何修改。（5 5）快閃存儲器（）快閃存儲器（Flash MemoryFlash Memory）。）。也是采用浮柵型也是采用浮柵型MOSMOS管，管，存儲器中數(shù)據的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)據寫入方式存儲器中數(shù)據的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)據寫入方式與與EPROMEPROM相同，一般一只芯片可以擦除相同，一般一只芯片可以擦除/ /寫入寫入100100萬次以上。萬次以上。（4 4）電可擦除可編程）電可擦除可編程ROMROM（E E2 2PROMPROM）。）。也是采用浮柵技術生也是采用浮柵技術生產的可編程產的可編程ROMRO

7、M，但是構成其存儲單元的是隧道，但是構成其存儲單元的是隧道MOSMOS管，管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量級）。級）。E E2 2PROMPROM的電擦除過程就是改寫過程，它具有的電擦除過程就是改寫過程，它具有ROMROM的的非易失性，又具備類似非易失性，又具備類似RAMRAM的功能，可以隨時改寫（可重的功能，可以隨時改寫（可重復擦寫復擦寫1 1萬次以上）。萬次以上）。（3 3）光可擦除可編程）光可擦除可編程ROMROM（EPROMEPROM）。）。采用浮柵技術生產的采用浮柵技術生產的可編程存儲器。其內容可通過紫外線照射而

8、被擦除，可多可編程存儲器。其內容可通過紫外線照射而被擦除，可多次編程。次編程。ROMROM的結構的結構W0W1Wi12 nWD0 D1 Db-1 位線輸出數(shù)據0 單元1 單元i 單元2n-1 單元存儲體地址輸入字線地址譯碼器A0A1An-1存儲容量字線數(shù)存儲容量字線數(shù)位線數(shù)位線數(shù)2 2n nb b（位）（位）存儲單元地址存儲單元地址ROMROM的工作原理的工作原理 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & 4 44 4位位R RO OM M0A1A0m0W 0A1A1m1W 0A1A2m2W 0A1A3m

9、3W 地址譯碼器地址譯碼器存儲體存儲體302022123123103030013013D =W +W = m +m D =W +W +W =m +m +mD =W +W =m +m D =W +W +W =m +m +m 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & D3=1D2=0D1=1D0=1A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=0A0=1D3=0D2=1

10、D1=0D0=1W0=0W1=1W2=0W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=1A0=0D3=1D2=1D1=0D0=0W0=0W1=0W2=1W3=0 1 1 D3 D2 D1 D0 A1 A0 W0 W1 W2 W3 1 1 1 1 & & & & A1=1A0=1D3=0D2=1D1=1D0=1W0=0W1=0W2=0W3=11.1.作函數(shù)運算表電路作函數(shù)運算表電路 試用試用ROMROM構成能實現(xiàn)函數(shù)構成能實現(xiàn)函數(shù)y y= =x x2 2的運算表電

11、路，的運算表電路，x x的取值范圍的取值范圍為為0 01515的正整數(shù)。的正整數(shù)。 （1 1）分析要求、設定變量）分析要求、設定變量 自變量自變量x x的取值范圍為的取值范圍為0 01515的正整數(shù)，對應的的正整數(shù)，對應的4 4位二位二進制正整數(shù)，用進制正整數(shù)，用B=B3B2B1B0表示。根據表示。根據y=x2的運算關系，的運算關系，可求出可求出y的最大值是的最大值是152225，可以用可以用8 8位二進制數(shù)位二進制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0

12、 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 輸輸 出出0149162536496481100121144169196225對應對應十進制數(shù)十進制數(shù)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00

13、 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0 輸輸 入入（2 2）列真值表）列真值表Y7=m12+m13+m14+m15（3 3）寫標準與或表達式）寫標準與或表達式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1= 0Y2=m2+m6+m10+m14(4)(4)畫畫ROMROM存儲矩陣結點連接圖存儲矩陣結點連接圖Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m

14、15B13B12B11B10m0W0)()(11mWW23WW4W56WW78W9WW10W11W12W1314WW15或或門門陣陣列列陣陣矩矩取取存存（）址址 門門（碼碼）地地陣陣器器列列與與譯譯Y76YY5Y4Y3Y2Y10YY3=m3+m5+m11+m13Y7=m12+m13+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15 數(shù)學運算是數(shù)控裝置和數(shù)字系統(tǒng)中需要經常進行的操數(shù)學運算是數(shù)控裝置和數(shù)字系統(tǒng)中需要經常進行的操作，如果事先把要用到的基本函數(shù)變量在一定范圍內的取值作，如果事先把要用到的基本函數(shù)變量在一定范圍內的

15、取值和相應的函數(shù)取值列成表格，寫入只讀存儲器中，則在需要和相應的函數(shù)取值列成表格，寫入只讀存儲器中，則在需要時只要給出規(guī)定時只要給出規(guī)定“地址地址”就可以快速地得到相應的函數(shù)值。就可以快速地得到相應的函數(shù)值。這種這種ROMROM，實際上已經成為函數(shù)運算表電路。，實際上已經成為函數(shù)運算表電路。 存儲器很經常用于當作存儲數(shù)據的表格，因為輸入地址，存儲器很經常用于當作存儲數(shù)據的表格，因為輸入地址，就可輸出存儲在該地址單元的數(shù)據輸出。就可輸出存儲在該地址單元的數(shù)據輸出。 （1 1）寫出各函數(shù)的標準與或表達式：）寫出各函數(shù)的標準與或表達式： 按按A、B、C、D順序排列變量，將順序排列變量，將Y1、Y2、

16、Y4擴展成為四變擴展成為四變量邏輯函數(shù)。量邏輯函數(shù)。試用試用ROMROM實現(xiàn)下列函數(shù)：實現(xiàn)下列函數(shù)：ABCCBACBACBAY 1CABCY 2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY 3BCDACDABDABCY 4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY與與）取取列列WWWm)1存存門門107(碼碼門門91WWW1)0m41（(01123WYYY14WYW11址址或或WW13W643W1512WW陣陣521譯譯器器）陣陣地地矩矩列列（陣陣W8C CD DA AB B），（），（），（），（15141

17、311715129630151411107615149854324321mmmmYYYYBBBB0123GGGG0123 二進制碼二進制碼 格雷碼格雷碼 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

18、 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 (2) (2) 由真值表寫出最小表達式由真值表寫出最小表達式 (3)(3)畫出畫出4 4位二進制位二進制-GRY-GRY轉換器的轉換器的ROMROM陣列結構圖陣列結構圖, ,如下如下: : 3 3字符顯示字符顯示 字符發(fā)生器常用于顯示終端、打印機及其他一些數(shù)字裝字符發(fā)生器常用于顯示終端、打印機及其他一些數(shù)字裝置。將各種字母、數(shù)字等字符事先存儲在置。將各種字母、數(shù)字等字符事先存儲在ROMROM的存儲矩陣中，的存儲矩陣中，再以適當方式給出地址碼，某個字符就能讀出，并驅動顯再以適當方式給出地址碼，某個字符就能讀出，并驅動顯示器進行顯示

19、示器進行顯示 下圖用下圖用ROM構成字母構成字母“T”的原理。的原理。 VVppccCEPGMAADD12007地2764AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410VPP127PGM(PGM)VCCVIH20CSOECSOE221112131415161718地址輸入數(shù)據據輸出AA120DD7CE0PGMVppccV引腳功能地址輸入芯片使能編程脈沖電壓輸入數(shù) 據7.1 7.1 只讀存儲器（只讀存儲器（ROMROM）7.2 7.2 隨機存儲器（隨機存儲器（RAMRAM）隨機存取存儲器（隨機存取存儲

20、器（RAM, RAM, random-access memory random-access memory ）可以在任意時刻、對任意選中的存儲單元進行信息的可以在任意時刻、對任意選中的存儲單元進行信息的存入（寫入）或取出（讀出）操作。與只讀存儲器存入（寫入）或取出（讀出）操作。與只讀存儲器ROMROM相比，相比，RAMRAM最大的優(yōu)點是存取方便，使用靈活，既最大的優(yōu)點是存取方便，使用靈活，既能不破壞地讀出所存信息，又能隨時寫入新的內容。能不破壞地讀出所存信息，又能隨時寫入新的內容。其缺點是一旦停電，所存內容便全部丟失。其缺點是一旦停電，所存內容便全部丟失。RAMRAM由由存儲矩陣、地址譯碼器、

21、讀寫控制電路、存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制電路、輸入輸出電路和片選控制電路輸入輸出電路和片選控制電路等組成。實際上等組成。實際上RAMRAM是由許許多多的是由許許多多的基本寄存器基本寄存器組合起來構成的大規(guī)模集組合起來構成的大規(guī)模集成電路。成電路。 RAM RAM中的每個寄存器稱為一個中的每個寄存器稱為一個字字，寄存器中的每一，寄存器中的每一位位稱為一個存儲單元。寄存器的個數(shù)（字數(shù)）與寄存稱為一個存儲單元。寄存器的個數(shù)（字數(shù)）與寄存器中存儲單元個數(shù)（位數(shù)）的乘積，叫做器中存儲單元個數(shù)（位數(shù)）的乘積，叫做RAMRAM的的容量容量。按照按照RAMRAM中寄存器位數(shù)的不同，中寄存器位數(shù)的不同，RA

22、MRAM有有多字多字1 1位位和和多字多多字多位位兩種結構形式。在多字兩種結構形式。在多字1 1位結構中，每個寄存器都只位結構中，每個寄存器都只有有1 1位，例如一個容量為位，例如一個容量為102410241 1位的位的RAMRAM，就是一個有，就是一個有10241024個個1 1位寄存器的位寄存器的RAMRAM。多字多位結構中，每個寄存。多字多位結構中，每個寄存器都有多位，例如一個容量為器都有多位，例如一個容量為2562564 4位的位的RAMRAM，就是一，就是一個有個有256256個個4 4位寄存器的位寄存器的RAMRAM。 RAM RAM可分為可分為單極型和雙極型單極型和雙極型：雙極型

23、工作速率高，但是集成：雙極型工作速率高，但是集成度不如單極型的高，目前，由于工藝水平的不斷提高，單極型度不如單極型的高，目前，由于工藝水平的不斷提高，單極型RAMRAM的速率已經可以和雙極型的速率已經可以和雙極型RAMRAM相比，而且單極型相比，而且單極型RAMRAM具有功耗具有功耗低的優(yōu)點。這里只以單極型低的優(yōu)點。這里只以單極型RAMRAM為例進行分析為例進行分析 單極型單極型RAMRAM又可分為又可分為靜態(tài)靜態(tài)RAM(SRAM)RAM(SRAM)與與動態(tài)動態(tài)RAM(DRAM)RAM(DRAM)：靜態(tài)：靜態(tài)RAMRAM是用是用MOSMOS管觸發(fā)器來存儲代碼，所用管觸發(fā)器來存儲代碼，所用MOS

24、MOS管較多、集成度低、管較多、集成度低、功耗也較大。功耗也較大。SRAMSRAM速度非?？?，但是它也非常昂貴，所以只在速度非?？?，但是它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用。如要求很苛刻的地方使用。如CPUCPU的一級緩存，二級緩存。的一級緩存，二級緩存。靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM使用方便，不需要刷新。使用方便，不需要刷新。動態(tài)動態(tài)RAMRAM是用柵極分布電容保存信息，它的存儲單元所需要的是用柵極分布電容保存信息，它的存儲單元所需要的MOSMOS管較少，因此集成度高、功耗也小。管較少，因此集成度高、功耗也小。DRAMDRAM保留數(shù)據的時間保留數(shù)據的時間很短，速度也比很短，速度也比SRAMSRA

25、M慢，不過它還是比任何的慢，不過它還是比任何的ROMROM都要快，但都要快，但從價格上來說從價格上來說DRAMDRAM相比相比SRAMSRAM要便宜很多，計算機內存就是要便宜很多，計算機內存就是DRAMDRAM的。的。 存儲矩陣存儲矩陣 地址譯碼器地址譯碼器 讀讀/寫控制電路寫控制電路 地址碼輸入地址碼輸入 片選片選 讀讀/寫控制寫控制 輸入輸入/輸出輸出 用以決定訪問用以決定訪問哪個字單元哪個字單元由大量寄存器由大量寄存器構成的矩陣構成的矩陣讀出及寫入讀出及寫入數(shù)據的通道數(shù)據的通道用以決定芯用以決定芯片是否工作片是否工作用以決定對用以決定對被選中的單元被選中的單元是讀還是寫是讀還是寫 1.

26、1. 存儲矩陣存儲矩陣圖中，圖中，10241024個字排個字排列成列成32323232的矩的矩陣。陣。為了存取方便，給為了存取方便，給它們編上號。它們編上號。3 23 2 行 編 號 為行 編 號 為 X X0 0、X X1 1、X X3131，3 23 2 列 編 號 為列 編 號 為 Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y3131。這樣每一個存儲單這樣每一個存儲單元都有了一個固元都有了一個固定的編號，稱為定的編號，稱為地址地址。 000001111313113131310131列 譯 碼 器行譯碼器. .位線位線位線位線位線位線.X XX XX XY YY YY Y01310131AAAAA地

27、 址 輸 入地址輸入56789DD數(shù)據線.2AA3A01A4A容量為容量為2562564 RAM4 RAM的存儲矩陣的存儲矩陣X0X1X2X318 根列選擇線 Y0 Y1 Y732根行選擇線存儲單元存儲單元10241024個存儲單元排成個存儲單元排成3232行行3232列的矩陣列的矩陣每根行選擇線選擇一行每根行選擇線選擇一行每根列選擇線選擇一個字列每根列選擇線選擇一個字列Y Y1 11 1，X X2 21 1，位于，位于X X2 2和和Y Y1 1交叉處的字單交叉處的字單元可以進行讀出或寫入操作，而其余任元可以進行讀出或寫入操作，而其余任何字單元都不會被選中。何字單元都不會被選中。2. 地址的

28、選擇通過地址的選擇通過地址譯碼器地址譯碼器來實現(xiàn)。地址譯碼器由行譯碼來實現(xiàn)。地址譯碼器由行譯碼器和列譯碼器組成。行、列譯碼器的輸出即為行、列選擇線，器和列譯碼器組成。行、列譯碼器的輸出即為行、列選擇線，由它們由它們共同確定共同確定欲選擇的地址單元。欲選擇的地址單元。 A4 A3 A2 A1 A0 X0 X1 X2 X31 A7 A6 A5 Y0 Y1 Y7 行譯碼器 列 譯 碼 器 0 0 1000102562564 RAM4 RAM存儲矩陣中，存儲矩陣中，256256個字需要個字需要8 8位地址碼位地址碼A A7 7A A0 0。其中。其中高高3 3位位A A7 7A A5 5用于列譯碼輸入

29、，低用于列譯碼輸入，低5 5位位A A4 4A A0 0用于行譯碼輸入用于行譯碼輸入。A A7 7A A0 0=00100010=00100010時，時，Y Y1 1=1=1、X X2 2=1=1，選中，選中X X2 2和和Y Y1 1交叉的字單元。交叉的字單元。RAM芯片簡介芯片簡介(6116)(6116)1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GND61166116為為2K2K8 8位的靜態(tài)位的靜態(tài)CMOSRAMCMOSRAM100CS片選片選0OE輸出使能輸出使能10WE讀讀/寫控制寫控制穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定A0 A10地址碼輸入地址碼輸入高高 阻阻 態(tài)態(tài)輸輸 出出輸輸 入入D0 D7輸輸 出出工作模式工作模式低功耗維持低功耗維持讀讀寫寫61166116的功能表的功能表A A0 0A A1010是地址碼輸入端，是地址碼輸入端，D D0 0D D7 7是數(shù)