（本科）第7章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器ppt課件（全）

1、第7章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器第七章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)電路7.1 存儲(chǔ)器1. 定義：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種通用型LSI，是能存儲(chǔ)大量的二值信息的半導(dǎo)體器件。2. 主要指標(biāo)：存儲(chǔ)容量（大），存取速度（快）3. 分類： 從存儲(chǔ)信息方式上分為只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM兩大類。 從制造工藝上分為雙極型和MOS兩類。隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）在正常工作狀態(tài)下，可以隨時(shí)向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)，它具有上電記憶，斷電丟失，表現(xiàn)為記憶的暫時(shí)性。根據(jù)存儲(chǔ)單元工作原理的不同，可分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）。DRAM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，但存取速度不如SRAM，并且需要刷新電路。自帶刷新電路的DRAM又稱集成隨機(jī)

2、存儲(chǔ)器，寫(xiě)為iRAM。4. 特點(diǎn)：ROM在正常情況下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時(shí)修改或重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)。ROM的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，斷電后數(shù)據(jù)不丟失，表現(xiàn)為記憶的永久性。缺點(diǎn)是只適用于存儲(chǔ)固定數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。ROM又有掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM和FLASH ROM等。掩模ROM中的數(shù)據(jù)在制作時(shí)已經(jīng)確定，無(wú)法更改。PROM是可編程ROM，ROM中的數(shù)據(jù)由用戶按自己的需要寫(xiě)入，但一經(jīng)寫(xiě)入后，就不得修改（一次編程）。EPROM是可擦除ROM，有UVEPROM和E2PROM，其中的數(shù)據(jù)由用戶按自己的需要寫(xiě)入并且可以修改，前者是按紫外光擦除，而后者是用電擦除的。FLASH ROM又稱閃存

3、或快擦除ROM，是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，其中的數(shù)據(jù)既可保存又可更改或刪除。通常FLASH ROM是用軟件在PC系統(tǒng)中改寫(xiě)或在線寫(xiě)入，一旦寫(xiě)入即相對(duì)固定。 FLASH ROM的單片存儲(chǔ)容量大，易于修改，廣泛用于主板的ROM BIOS中。一、 SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理SRAM主要由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和讀/寫(xiě)控制電路三部分組成。7.2 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM存儲(chǔ)矩陣由許多存儲(chǔ)單元排列組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元能存放1位二值信息(0或1)，在譯碼器和讀/寫(xiě)電路的控制下，進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。地址譯碼器一般都分成行地址譯碼器和列地址譯碼器兩部分， 行地址譯碼器將輸入地址代碼的若干位A0Ai譯成某一條字線有效，從

4、存儲(chǔ)矩陣中選中一行存儲(chǔ)單元；列地址譯碼器將輸入地址代碼的其余若干位(Ai+1An-1)譯成某一根輸出線有效，從字線選中的一行存儲(chǔ)單元中再選1位(或n位)，使這些被選中的單元與讀/寫(xiě)電路和I/O(輸入/輸出端)接通，以便對(duì)這些單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。 列線行線位線靜態(tài)RAM的存儲(chǔ)單元如下圖所示，由六個(gè)NMOS管(T1T6)組成的存儲(chǔ)單元。T1、T2構(gòu)成的反相器與T3、T4構(gòu)成的反相器交叉耦合組成一個(gè)RS觸發(fā)器，可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。Q和Q是RS觸發(fā)器的互補(bǔ)輸出。T5、T6是行選通管，受行選線X(相當(dāng)于字線)控制，行選線X為高電平時(shí)Q和Q的存儲(chǔ)信息分別送至位線Bj和位線Bj上，T7、T8是列選通管，受

5、列選線Y控制，列選線Y為高電平時(shí)，位線Bj和Bj上的信息被分別送至輸入輸出線I/O和I/O ，從而使位線上的信息同外部數(shù)據(jù)線相通。 二、 SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元位線位線行選線列選線 動(dòng)態(tài)RAM的存儲(chǔ)矩陣由動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元組成。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元利用MOS管的柵極電容來(lái)存儲(chǔ)信息，由于柵極電容的容量小，而漏電流又不可能絕對(duì)等于0，所以電荷保存的時(shí)間有限。為避免存儲(chǔ)信息的丟失，必須定時(shí)地給電容補(bǔ)充漏掉的電荷。通常把這種操作稱為“刷新”或“再生”，因此DRAM內(nèi)部要有刷新電路。盡管如此，由于DRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)能做得非常簡(jiǎn)單，所用元件少，功耗低，所以目前已成為大容量RAM的主流產(chǎn)品。 5.1.2

6、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM) * 7.3 只讀存儲(chǔ)器（ROM）ROM主要由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣和輸出緩沖器三部分組成， 其基本結(jié)構(gòu)如下圖 所示。ROM的基本結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)矩陣是存放信息的主體，它由許多存儲(chǔ)單元排列組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一位二值代碼(0 或 1)，若干個(gè)存儲(chǔ)單元組成一個(gè)“字”(也稱一個(gè)信息單元)。每一個(gè)或一組存儲(chǔ)單元都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的地址代碼。地址譯碼器的作用是將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號(hào)，利用這個(gè)控制信號(hào)從存儲(chǔ)矩陣中把指定的信息單元選出，并把其中的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖器。輸出緩沖器是ROM的數(shù)據(jù)讀出電路，通常用三態(tài)門(mén)構(gòu)成，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出數(shù)據(jù)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)總線聯(lián)接， 還可以

7、提高存儲(chǔ)器的帶負(fù)載能力。 下圖是具有兩位地址輸入和四位數(shù)據(jù)輸出的ROM結(jié)構(gòu)圖，其存儲(chǔ)單元用二極管構(gòu)成。兩位地址代碼A1A0能給出四個(gè)地址。由譯碼器將地址翻譯成W0W3四條字線上的高電平信號(hào)，存儲(chǔ)矩陣是由四個(gè)二極管或門(mén)組成的編碼器，當(dāng)W0W3 每根線上給出高電平時(shí)，都會(huì)在D3D0四根線上輸出一個(gè)4位二值代碼，每一個(gè)輸出代碼稱為一個(gè)“字”。其中：W0W3稱為“字線” D3D0四稱為“位線”（或數(shù)據(jù)線）二極管ROM結(jié)構(gòu)圖 讀出數(shù)據(jù)時(shí)，首先輸入地址碼，并對(duì)輸出緩沖器實(shí)現(xiàn)三態(tài)控制，則在數(shù)據(jù)輸出端D3D0可以獲得該地址對(duì)應(yīng)字中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)A1A0=00時(shí)，W0=1，W1=W2=W3=0，即此時(shí)W

8、0被選中，讀出W0對(duì)應(yīng)字中的數(shù)據(jù)D3D2D1D0=0101。同理，當(dāng)A1A0分別為01、10、11時(shí)，依次讀出各對(duì)應(yīng)字中的數(shù)據(jù)分別為 1011、0100、1110。因此，該ROM全部地址內(nèi)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可用下表表示。 ROM的數(shù)據(jù)表 地 址 數(shù) 據(jù) A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0二、 可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)PROM的總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，是由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和輸出電路組成。不過(guò)在出廠時(shí)已經(jīng)在存儲(chǔ)矩陣的所有交叉點(diǎn)上全部制作了存儲(chǔ)元件，即相當(dāng)于在所有的存儲(chǔ)單元都存入了1(0)。在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，只要設(shè)法將需要存

9、入0(1)的那些存儲(chǔ)單元上的熔斷絲熔斷就行了?？梢?jiàn)， PROM的內(nèi)容一旦寫(xiě)入，就不可能修改了，所以，它只能寫(xiě)入一次。這就要求生產(chǎn)出一種可擦出重寫(xiě)的ROM。 熔絲型PROM的存儲(chǔ)矩陣中，每個(gè)存儲(chǔ)單元都接有一個(gè)存儲(chǔ)管，但每個(gè)存儲(chǔ)管的一個(gè)電極都通過(guò)一根易熔的金屬絲接到相應(yīng)的位線上，如下圖所示。用戶對(duì)PROM編程是逐字逐位進(jìn)行的。首先通過(guò)字線和位線選擇需要編程的存儲(chǔ)單元，然后通過(guò)規(guī)定寬度和幅度的脈沖電流，將該存儲(chǔ)管的熔絲熔斷，這樣就將該單元的內(nèi)容改寫(xiě)了。 熔絲型PROM的存儲(chǔ)單元 三、 可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM) EPROM利用特殊結(jié)構(gòu)的浮柵MOS管進(jìn)行編程，ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行多次

10、擦除和改寫(xiě)。 最早出現(xiàn)的是用紫外線照射擦除的EPROM 簡(jiǎn)稱UVEPROM)。 不久又出現(xiàn)了用電信號(hào)可擦除的EPROM簡(jiǎn)稱E2PROM)。 后來(lái)又研制成功的快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)也是一種用電信號(hào)擦除的可編程ROM?？扉W存儲(chǔ)器(Flash Memory)是新一代電信號(hào)擦除的可編程ROM。它既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)，又保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。閃存速度快，但編程次數(shù)有限。 快閃存儲(chǔ)器 (a) 疊柵MOS管； (b) 存儲(chǔ)單元 7.4 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展當(dāng)使用一片ROM或RAM器件不能滿足對(duì)存儲(chǔ)容量的要求時(shí)，就需要將若干片RO

11、M或RAM組合起來(lái)，形成一個(gè)容量大的存儲(chǔ)器。一、位擴(kuò)展方式 存儲(chǔ)器芯片的字長(zhǎng)多數(shù)為一位、四位、八位等。當(dāng)實(shí)際的存儲(chǔ)系統(tǒng)的字長(zhǎng)超過(guò)存儲(chǔ)器芯片的字長(zhǎng)時(shí)，需要進(jìn)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展可以利用芯片的并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。RAM的位擴(kuò)展連接法 該圖是用八片 10241 位的RAM擴(kuò)展為10248 位RAM的存儲(chǔ)系統(tǒng)框圖。 圖中八片RAM的所有地址線、R/W、CS分別對(duì)應(yīng)并接在一起， 而每一片的I/O端作為整個(gè)RAM的I/O端的一位?？偟拇鎯?chǔ)容量擴(kuò)大了8倍。 ROM芯片上沒(méi)有讀/寫(xiě)控制端R/W，位擴(kuò)展時(shí)其余引出端的連接方法與RAM相同。 二、字?jǐn)U展方式 字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展可以利用外加譯碼器控制芯片的片選(CS)輸入

12、端來(lái)實(shí)現(xiàn)。下圖是用字?jǐn)U展方式將四片2568 位的RAM擴(kuò)展為10248 位RAM的系統(tǒng)框圖。圖中，譯碼器的輸入是系統(tǒng)的高位地址A9、A8，其輸出是各片RAM的片選信號(hào)。RAM、ROM的字?jǐn)U展方法 若A9A8=01，則RAM(2)片的CS=0，其余各片RAM的CS均為1， 故選中第二片。只有該片的信息可以讀出，送到位線上，讀出的內(nèi)容則由低位地址A7A0決定。顯然，四片RAM輪流工作，任何時(shí)候，只有一片RAM處于工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)字?jǐn)?shù)擴(kuò)大了四倍，而字長(zhǎng)仍為八位。思 考 題：1 存儲(chǔ)器的分類、組成、特點(diǎn)和應(yīng)用。2 存儲(chǔ)器容量的計(jì)算。3 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展方式有幾種？分別怎么實(shí)現(xiàn)？（參考課件）4 試用1

13、024x2的RAM擴(kuò)展成1024x6的存儲(chǔ)器。畫(huà)出連接圖。5 把256x4的RAM擴(kuò)展成512x4的存儲(chǔ)器。畫(huà)出連接圖。6 試用64x2的RAM擴(kuò)展成256x4的存儲(chǔ)器。畫(huà)出連接圖。A1 A0D0 D1 D2 D3 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 07.5 用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)下表是一個(gè)ROM數(shù)據(jù)表。如果把輸入地址A1、A0視為兩個(gè)輸入變量，而把輸出數(shù)據(jù)D0、D1、D2、D3視為一組輸出變量，則D0、D1、D2、D3就是一組A1、A0的組合邏輯函數(shù)。由前述可知：譯碼電路的輸出包含了輸入變量的全部最小項(xiàng)，而每一位數(shù)據(jù)輸出又都是若干個(gè)最小相之和。因此，任何形式的組合邏輯函數(shù)均能通過(guò)向ROM中寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢酝葡耄镁哂衝位輸入地址、m位數(shù)據(jù)輸出的ROM可以獲得一組（最多為m個(gè)）任何形式的變量組合邏輯函數(shù)，只要根據(jù)函數(shù)的形式向ROM中寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。這個(gè)原理也適用于RAM。 用ROM實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)一般按以下步驟進(jìn)行： 根據(jù)邏輯函數(shù)的輸入、輸出變量數(shù)目，確定ROM的容量， 選擇合適的ROM。 寫(xiě)出邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式，畫(huà)出R