第六章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第六章第六章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系2第第6章章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、操作指令的邏輯部件。用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存及數(shù)字系統(tǒng)存儲(chǔ)部件。6.1 概述概述6.2 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器6.3 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系36.1 概述概述 6.1.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類n 按存儲(chǔ)信號(hào)的原理不同：按存儲(chǔ)信號(hào)的原理不同： 分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種。 分成TTL和MOS存儲(chǔ)器兩大類。TTL型速度快，MOS型工藝簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。n按制造工藝不同分類：按制造工藝不同分類

2、：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系4靜態(tài)存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器是以觸發(fā)器為基本單元來(lái)存儲(chǔ)0和1的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會(huì)改變；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器是用電容存儲(chǔ)電荷的效應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)二值信號(hào)的。電容漏電會(huì)導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電或放電。 稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器都為MOS型。n按工作特點(diǎn)不同：按工作特點(diǎn)不同： 分成只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系5 6.1.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)：存儲(chǔ)容量和存取時(shí)間。1、存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)叫存儲(chǔ)容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系6n存儲(chǔ)器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。一個(gè)字的位數(shù)稱做字

3、長(zhǎng)。例如，16位構(gòu)成一個(gè)字，該字的字長(zhǎng)為16位。一個(gè)存儲(chǔ)單元只能存放一位二值代碼，要存儲(chǔ)字長(zhǎng)為16的一個(gè)字，就需要16個(gè)存儲(chǔ)單元。若存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)1024個(gè)字，就得有102416個(gè)存儲(chǔ)單元。通常,存儲(chǔ)容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系7例如: 某存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)1024個(gè)字 ，每個(gè)字4位，那它的存儲(chǔ)容量就為10244=4096，即該存儲(chǔ)器有4096個(gè)存儲(chǔ)單元。p 存儲(chǔ)器寫(xiě)入（存）或者讀出（?。r(shí)，每次只能寫(xiě)入或讀出一個(gè)字。若字長(zhǎng)為8位，每次必須選中8個(gè)存儲(chǔ)單元。選中哪些存儲(chǔ)單元，由地址譯碼器的輸出來(lái)決定。即由地址碼來(lái)決定。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系8p 地址碼的位數(shù)n與字?jǐn)?shù)之間存在2n=字?jǐn)?shù)的

4、關(guān)系。如果某存儲(chǔ)器有十個(gè)地址輸入端，那它就能存210=1024個(gè)字。 2、存取周期 連續(xù)兩次讀（寫(xiě)）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系9 6.2 只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(Read-only Memory,簡(jiǎn)稱ROM)是只能讀不能寫(xiě)的存儲(chǔ)器。通常用其存放固定的數(shù)據(jù)和程序，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、函數(shù)表、字符等。只讀存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，去掉電源，所存信息不會(huì)丟失。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系10ROM按存儲(chǔ)內(nèi)容的寫(xiě)入方式，可分為固定ROM,可編程序只讀存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱（PROM)和可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(Erasable Programmable Read Only Memo

5、ry，簡(jiǎn)稱EPROM)。固定固定ROM：在制造時(shí)根據(jù)特定的要求做成固定的存儲(chǔ)內(nèi)容，出廠后，用戶無(wú)法更改，只能讀出。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系11PROM：存儲(chǔ)內(nèi)容可以由使用者編制寫(xiě)入，但只能寫(xiě)入一次，一經(jīng)寫(xiě)入就不能再更改。EPROM：存儲(chǔ)內(nèi)容可以改變，但EPROM所存內(nèi)容的擦去或改寫(xiě)，需要專門(mén)的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時(shí)，也只能讀出。E2PROM：可用電擦寫(xiě)方法擦寫(xiě)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系126.2.1 固定只讀存儲(chǔ)器(ROM) 圖圖6-1 ROM結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖ROM由地址譯由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、碼器、存儲(chǔ)矩陣、輸出和控制電路輸出和控制電路組成，如圖組成，如圖6-1所示。所示。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系13圖圖

6、6-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM地址譯碼器地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣輸出電路輸出電路字線字線計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系14圖6-2是一個(gè)44位的NMOS固定ROM。地址譯碼器：有兩根地址輸入線A1和A0，共有4個(gè)地址號(hào)，每個(gè)地址存放一個(gè)4位二進(jìn)制信息；譯碼器輸出線：W0、W1、W2、W3稱為字線，由輸入的地址代碼A1A0確定選中哪條字線。被選中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輸出緩沖器輸出。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系15存儲(chǔ)矩陣：是NMOS管的或門(mén)陣列。一個(gè)字有4位信息，故有四條數(shù)據(jù)線輸出又稱為位線。它是字位結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)矩陣實(shí)際上是一個(gè)編碼器，工作時(shí)編碼內(nèi)容不變。位線經(jīng)過(guò)反相后輸出，即為ROM的輸出端D0、D1、D2、D

7、3。 0123,D D D D計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系16每根字線和位線的交叉處是一個(gè)存儲(chǔ)單元，共有16個(gè)單元。交叉處有NMOS管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“1”，無(wú)NMOS管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“0”。例如，當(dāng)?shù)刂稟1A0=00時(shí)，則W0=1（W1、W2、W3均為0），此時(shí)選中0號(hào)地址使第一行的兩個(gè)NMOS管導(dǎo)通， 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系17經(jīng)輸出電路反相后，經(jīng)輸出電路反相后，輸出輸出D3D2D1D0=0101。因此，選中一個(gè)地址，因此，選中一個(gè)地址，該行的存儲(chǔ)內(nèi)容輸出。該行的存儲(chǔ)內(nèi)容輸出。四個(gè)地址存儲(chǔ)的內(nèi)容四個(gè)地址存儲(chǔ)的內(nèi)容如表如表6-1所示。所示。1100D01011D20101D10101D3內(nèi) 容0 00 11

8、 01 1A1 A0地 址表表6-1 ROM中的信息表中的信息表20310,0,1DDDD計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系18固定ROM的編程是設(shè)計(jì)者根據(jù)要求確定存儲(chǔ)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出存儲(chǔ)矩陣，即哪些交叉點(diǎn)（存儲(chǔ)單元）的信息為1，哪些為0。為1的制造管子，為0的不需制造管子，畫(huà)出存儲(chǔ)矩陣編碼圖。通常，存儲(chǔ)矩陣中有管子處，用“碼點(diǎn)”表示，由生產(chǎn)廠制作。圖6-2的存儲(chǔ)矩陣簡(jiǎn)化編碼圖如圖6-3所示。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系19位線與字線之間邏輯關(guān)系為：D0=W0+W 1D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3圖圖6-3 ROM的符號(hào)矩陣的符號(hào)矩陣計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系20p存儲(chǔ)矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存

9、儲(chǔ)矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存儲(chǔ)矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和存儲(chǔ)矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和輸入是與的關(guān)系，因此輸入是與的關(guān)系，因此ROM是一個(gè)多輸是一個(gè)多輸入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的與或邏輯陣列。與或邏輯陣列。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系21 PROM和和ROM的區(qū)別在于的區(qū)別在于ROM由廠家由廠家編程，編程，PROM由用戶編程。出廠時(shí)由用戶編程。出廠時(shí)PROM的的內(nèi)容全是內(nèi)容全是0或全是或全是1，使用時(shí)，用戶可以根據(jù)，使用時(shí)，用戶可以根據(jù)需要編好代碼，寫(xiě)入需要編好代碼，寫(xiě)入PROM中。中。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系22圖圖6-4 326-4 32

10、字字8 8位熔斷絲結(jié)構(gòu)位熔斷絲結(jié)構(gòu)PROMPROM這種電路存這種電路存儲(chǔ)內(nèi)容全部為儲(chǔ)內(nèi)容全部為0。如果想使某單如果想使某單元改寫(xiě)為元改寫(xiě)為1，需，需要使熔斷絲通要使熔斷絲通過(guò)大電流，使過(guò)大電流，使它燒斷。一經(jīng)它燒斷。一經(jīng)燒斷，再不能燒斷，再不能恢復(fù)。恢復(fù)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系23 6.2.3 可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM) 可擦除可編程存儲(chǔ)器又可以分為：光可擦除可編程存儲(chǔ)器UVEPROM(UltraViolet Ereasable Programmable ReadOnly Memory)電可擦除可編程存儲(chǔ)器E2 PROM (Electrical Ereasable Programmable

11、 ReadOnly Memory)快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)等。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系24例例6-1試用試用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)函數(shù)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路的運(yùn)算表電路,x的的取值范圍為取值范圍為015的正整數(shù)。的正整數(shù)。解：因?yàn)樽宰兞拷猓阂驗(yàn)樽宰兞縳的取值范圍為的取值范圍為015的正整數(shù)的正整數(shù),所以應(yīng)用所以應(yīng)用4位二位二進(jìn)制正整數(shù)進(jìn)制正整數(shù),用用B=B3B2B1B0表表示示,而而 y的最大值是的最大值是=225,可以用可以用8位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。根據(jù)根據(jù)y=x2的關(guān)系可列出的關(guān)系可列出Y7、 Y6、Y5、Y4、Y3、Y

12、2、Y1、Y0計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系250149162536496481100121144169196225十進(jìn)制數(shù)注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 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

13、Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0輸 出0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 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 入真值表真值表計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系26根據(jù)表達(dá)式畫(huà)出ROM存儲(chǔ)點(diǎn)陣如下圖。ROM點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系276.3 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 n隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）可隨時(shí)從任一指定地址存入（寫(xiě)入）或取出（讀出）信息。n在計(jì)算機(jī)中，RAM用作內(nèi)存儲(chǔ)器和高

14、速緩沖存儲(chǔ)器。RAM分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM；靜態(tài)RAM又分為雙極型和MOS型。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系28 6.3.1 靜態(tài)RAM 1、雙極型RAM存儲(chǔ)單元; 2、靜態(tài)MOS型RAM ;計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系29 6.3. 2 動(dòng)態(tài)RAM n動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM的區(qū)別在于：信息的存儲(chǔ)單元是由門(mén)控管和電容組成。用電容上是否存儲(chǔ)電荷表示存1或存0。為防止因電荷泄漏而丟失信息，需要周期性地對(duì)這種存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行重寫(xiě)，稱為刷新。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路主要是三管和單管結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系306.3.3 集成RAM簡(jiǎn)介 以Intel公司的MOS型靜態(tài)2114為例。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系31圖6-14是Int

15、el公司的MOS型靜態(tài)2114的結(jié)構(gòu)圖。10244位RAM。可以選擇4位的字1024個(gè)。采用X、Y雙向譯碼方式。4096個(gè)存儲(chǔ)單元排列成64行64列矩陣，64列中每四列為一組，分別由16根Y譯碼輸出線控制。即每一根譯碼輸出線控制存儲(chǔ)矩陣中四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路，讀寫(xiě)操作在 （讀/寫(xiě)信號(hào)）和 （選片信號(hào)）的控制下進(jìn)行。CSWR/圖圖6-14 2114RAM10244位位 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系32 6.3.4 RAM的擴(kuò)展 nRAM的種類很多，存儲(chǔ)容量有大有小。當(dāng)一片RAM不能滿足存儲(chǔ)容量需要時(shí)，就需要將若干片RAM組合起來(lái)，構(gòu)成滿足存儲(chǔ)容量要求的存儲(chǔ)器。RAM的擴(kuò)展分為位

16、擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種。 1. 位擴(kuò)展 字?jǐn)?shù)滿足要求，而位數(shù)不夠時(shí)，應(yīng)采用位擴(kuò)展。 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系33實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展的原則是：多個(gè)單片RAM的I/O端分別接到數(shù)據(jù)線上。多個(gè)RAM的CS接到一起，作為RAM的片選端（同時(shí)被選中）；地址端對(duì)應(yīng)接到一起，作為RAM的地址輸入端。多個(gè)單片RAM的R/W端接到一起，作為RAM的讀/寫(xiě)控制端（讀/寫(xiě)控制端只能有一個(gè)）； 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系34圖6-15是用4片2561位的RAM擴(kuò)展成2564位的RAM的接線圖。 圖圖6-15 RAM位擴(kuò)展接線圖位擴(kuò)展接線圖計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系35 2.字?jǐn)U展n在RAM的數(shù)據(jù)位的位數(shù)足夠，而字?jǐn)?shù)達(dá)不到要求時(shí)，需要進(jìn)行字?jǐn)U展。字?jǐn)?shù)增加

17、，地址線數(shù)就得相應(yīng)增加。如2568位RAM的地址線數(shù)為8條，而10248位RAM的地址線數(shù)為10條（接線見(jiàn)圖6-16）。n實(shí)現(xiàn)字?jǐn)U展的原則是： 多個(gè)單片RAM的I/O端并聯(lián)，作為RAM的I/O端 . 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系36 多片構(gòu)成字?jǐn)U展之后，每次訪問(wèn)只能選中一片，選中哪一片，由字?jǐn)U展后多出的地址線決定。多出的地址線經(jīng)譯碼器譯碼，接至各片RAM的CS端； 地址端對(duì)應(yīng)接到一起，作為低位地址輸入端。 R/W端接到一起作為RAM的讀/寫(xiě)控制端（讀寫(xiě)控制端只能有一個(gè)）；計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系37圖圖6-16 RAM的字?jǐn)U展接法的字?jǐn)U展接法計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系38例6-1 試用10244位RAM實(shí)現(xiàn)40968

18、位存儲(chǔ)器。解：40968位存儲(chǔ)器需10244位RAM的芯片數(shù)片一片存儲(chǔ)容量總存儲(chǔ)器容量84102484096C計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系39n 根據(jù)2n =字?jǐn)?shù)，求得4096個(gè)字的地址線數(shù)n=12，兩片10244位RAM并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了位擴(kuò)展，達(dá)到8位的要求。n地址線A11、A10接譯碼器輸入端，譯碼器的每一條輸出線對(duì)應(yīng)接到二片10244位RAM的CS 端。連接方式見(jiàn)圖6-17所示。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系40RAM的字、位擴(kuò)展的字、位擴(kuò)展地址總線數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系41半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)單元可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù) 。根據(jù)存取功

19、能的不。根據(jù)存取功能的不同，同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器( (ROM) )和隨和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器機(jī)存取存儲(chǔ)器( (RAM) )，兩者的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不，兩者的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不同。同。ROM 屬于大規(guī)模組合邏輯電路，屬于大規(guī)模組合邏輯電路，RAM 屬屬于大規(guī)模時(shí)序邏輯電路于大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。本 章 小 結(jié)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系42ROM 用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)內(nèi)容不用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)內(nèi)容不能隨意改寫(xiě)。工作時(shí)，只能根據(jù)地址碼能隨意改寫(xiě)。工作時(shí)，只能根據(jù)地址碼讀出數(shù)讀出數(shù)據(jù)。斷電后其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失據(jù)。斷電后其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。ROM有固定有固定 ROM( (又稱掩膜又稱掩膜 ROM) ) 和可編程和可編程 ROM之分。之分。固定固定 ROM 由制造商在制造芯片時(shí)，用掩膜技由制造商在制造芯片時(shí)，用掩膜技術(shù)向芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而可編程術(shù)向芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而可編程 ROM 則由用戶則由用戶向芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)?？删幊滔蛐酒瑢?xiě)入數(shù)據(jù)?？删幊?ROM 又分為一次可又分為一次可編程的編程的 PROM 和可重復(fù)改寫(xiě)、重復(fù)編程的和可重復(fù)改寫(xiě)、重復(fù)編程的 EPROM 和和 E2PROM。EPROM 為電寫(xiě)入紫外為電寫(xiě)入紫外擦除型，擦除型，E2PROM 為電寫(xiě)入電擦除型，后者比為電寫(xiě)入電擦除型