第7章 半導(dǎo)體存儲器

1《電子技術(shù)基礎(chǔ)

數(shù)字部分》第七章半導(dǎo)體存儲器

存儲器是用來存儲二值數(shù)字信息的大規(guī)模集成電路，是進(jìn)一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。它實(shí)際上是將大量寄存器按一定規(guī)律結(jié)合起來的整體，可以被比喻為一個(gè)由許多房間組成的大旅館。每個(gè)房間有一個(gè)號碼（地址碼），每個(gè)房間內(nèi)有一定內(nèi)容（一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼，又稱為一個(gè)“字”）。2計(jì)算機(jī)對存儲器的要求容量大速度高成本低主要計(jì)算機(jī)存儲器： 內(nèi)存、硬盤、移動(dòng)硬盤、閃存、軟盤、光盤3存儲器類別按存儲媒介分半導(dǎo)體存儲器和其它存儲器按存取方式分隨機(jī)存儲器、順序存儲器和半順序存儲器按讀寫功能分讀/寫存儲器（隨機(jī)存儲器）和只讀存儲器按信息的可保存性分易失性存儲器和非易失性存儲器按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器457.1只讀存儲器7.2隨機(jī)存取存儲器第七章半導(dǎo)體存儲器RAM(隨機(jī)存取存儲器):在運(yùn)行狀態(tài)可以隨時(shí)進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。存儲的?shù)據(jù)必須有電源供應(yīng)才能保存,一旦掉電,數(shù)據(jù)全部丟失。ROM(只讀存儲器)：在正常工作狀態(tài)只能讀出信息。斷電后信息不會(huì)丟失，常用于存放固定信息(如程序、常數(shù)等)。7.1

只讀存儲器存儲器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)固定ROM可編程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：靜態(tài)RAMDRAM(DynamicRAM)：動(dòng)態(tài)RAM6幾個(gè)基本概念存儲容量(M)：存儲二值信息的總量。字?jǐn)?shù)：存儲器能存儲的字的總量。字長（位數(shù)）：字的位數(shù)稱為字長。存儲容量(M)＝字?jǐn)?shù)×位數(shù)

=2n×m

地址：存儲器中每個(gè)字的編號。字?jǐn)?shù)=2n(n為存儲器外部地址線的線數(shù))字：表示一個(gè)信息的多位二進(jìn)制碼。787.1.1

ROM的基本結(jié)構(gòu)ROM的分類按寫入情況劃分

固定ROM可編程ROMPROMEPROME2PROM按存貯單元的器件劃分

二極管ROM三極管ROMMOS管ROM存儲矩陣

地址譯碼器地址輸入ROM的基本結(jié)構(gòu)框圖地址單元的個(gè)數(shù)N與二進(jìn)制地址碼的位數(shù)n滿足：N=2n9ROM(二極管)結(jié)構(gòu)示意圖M=22×4存儲矩陣位線字線輸出控制電路地址譯碼器10字線與位線的交點(diǎn)都是一個(gè)存儲單元。交點(diǎn)處有二極管相當(dāng)存1，無二極管相當(dāng)存0當(dāng)OE=1時(shí)000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0內(nèi)容當(dāng)OE=0時(shí)輸出為高阻狀態(tài)1112例：256×1位7.1.2二維譯碼與存儲陣列單向（一維）譯碼方式和雙向（二維）譯碼方式13字線存儲矩陣位線字線與位線的交點(diǎn)都是一個(gè)存儲單元。交點(diǎn)處有MOS管相當(dāng)存0，無MOS管相當(dāng)存1。14A7A6A5A4A3A2A1A0=00010001高電平低電平D0=I1=0157.1.3可編程ROM（256X1位EPROM）256個(gè)存儲單元排成1616的矩陣行譯碼器從16行中選出要讀的一行。列譯碼器再從選中的一行存儲單元中選出要讀的一列的一個(gè)存儲單元。如選中的存儲單元的MOS管的浮柵注入了電荷，該管截止，讀得1；相反讀得0。一次編程ROM（PROM）（1）熔絲工藝（2）反熔絲工藝可編程序的ROM，在出廠時(shí)全部存儲“1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為“0”,然而只能改寫一次，稱其為PROM。

若將熔絲燒斷，該單元?jiǎng)t變成“0”。顯然，一旦燒斷后不能再恢復(fù)。16場氧化物場氧化物多晶硅擴(kuò)散層絕緣層反熔絲結(jié)構(gòu)示意圖EPROM工藝EPROM的另外一種廣泛使用的存儲器。EPROM可以根據(jù)用戶要求寫入信息，從而長期使用。當(dāng)不需要原有信息時(shí)，也可以擦除后重寫。若要擦去所寫入的內(nèi)容，可用EPROM擦除器產(chǎn)生的強(qiáng)紫外線，對EPROM照射20分鐘左右，使全部存儲單元恢復(fù)“1”或“0”，以便用戶重新編寫。17E2PROM

E2PROM是近年來被廣泛重視的一種只讀存儲器，它稱為電擦除可編程只讀存儲器，又可寫為EEPROM。其主要特點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫，并能在斷電的情況下保存數(shù)據(jù)而不需保護(hù)電源。特別是最近的+5V電擦除E2PROM，通常不需單獨(dú)的擦除操作，可在寫入過程中自動(dòng)擦除，使用非常方便。1819快閃存儲器ROMEPROME2PROM非易失性是是是是高密度是是是否單管存儲單元是是是否在系統(tǒng)可寫是否否是幾種ROM性能比較207.1.4

ROM讀取操作實(shí)例128K×8位OTP

PROMAT27C010VCCVPPA16A0…OECEPGMGNDO7O0………OECEPGM讀操作工作電壓寫操作編程電壓輸出使能信號編程選通信號片選信號

工作模式A16~A0VPPO7~O0讀00XAiX數(shù)據(jù)輸出輸出無效X1XXX高阻等待1XXAiX高阻快速編程010AiVPP數(shù)據(jù)輸入編程校驗(yàn)001AiVPP數(shù)據(jù)輸出21AT27C010VCCVPPA16A0…OECEPGMGNDO7O0………OECEPGM（2）加入有效的片選信號（3）使輸出使能信號有效，經(jīng)過一定延時(shí)后，有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上；（4）讓片選信號或輸出使能信號無效，經(jīng)過一定延時(shí)后數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)，本次讀出結(jié)束。（1）欲讀取單元的地址加到存儲器的地址輸入端；22讀操作及定時(shí)圖tAA地址存取時(shí)間:從地址信號加到存儲器上到數(shù)據(jù)輸出端有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出所需的時(shí)間23讀操作及定時(shí)圖tCE

片選存取時(shí)間:在地址輸入穩(wěn)定和OE有效時(shí)，從片選信號CE有效到數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出所需時(shí)間tOE輸出使能時(shí)間：在地址輸入穩(wěn)定和CE有效時(shí)，從輸出使能信號OE到數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出所需時(shí)間247.1.5

ROM應(yīng)用舉例（1）用于存儲固定的專用程序（3）利用ROM可實(shí)現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能－－查某個(gè)角度的三角函數(shù)

把變量值（角度）作為地址碼，其對應(yīng)的函數(shù)值作為存放在該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，這稱為“造表”。使用時(shí)，根據(jù)輸入的地址(角度)，就可在輸出端得到所需的函數(shù)值，這就稱為“查表”。

碼制變換－－把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應(yīng)存儲單元中的內(nèi)容即可。（2）可實(shí)現(xiàn)各種組合邏輯函數(shù)CI3I2I1I0二進(jìn)制碼O3O2O1O0格雷碼CI3I2I1I0格雷碼O3O2O1O0二進(jìn)制碼000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010例：用ROM實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的電路25C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)二進(jìn)制碼O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷碼C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)格雷碼O3O2O1O0(D3D2D1D0)二進(jìn)制碼000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010C=A4I3I2I1I0=A3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D02627例:試用ROM實(shí)現(xiàn)下列各函數(shù)28297.1只讀存儲器7.2隨機(jī)存取存儲器第七章半導(dǎo)體存儲器307.2隨機(jī)存取存儲器

7.2.1

SRAMSRAM結(jié)構(gòu)框圖CE

WE

OE

=

1

×

×I/O0~I/Om-1

高阻保持（微功耗）CE

WE

OE

=

0

1

0I/O0~I/Om-1

數(shù)據(jù)輸出讀CE

WE

OE

=

0

0

×I/O0~I/Om-1

數(shù)據(jù)輸入寫CE

WE

OE

=

0

1

1I/O0~I/Om-1

高阻輸出無效兩個(gè)與門輸出0與門1輸出0與門2輸出1與門1輸出1與門2輸出0兩個(gè)與門輸出0SRAM存儲單元雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路列存儲單元公用的門控制管，與讀寫控制電路相接Yi＝1時(shí)導(dǎo)通本單元門控制管:控制觸發(fā)器與位線的接通。Xi=1時(shí)導(dǎo)通來自列地址譯碼器的輸出來自行地址譯碼器的輸出31T5、T6導(dǎo)通T7

、T8均導(dǎo)通Xi=1Yj=1觸發(fā)器的輸出與數(shù)據(jù)線接通，該單元通過數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)。觸發(fā)器與位線接通32（a）地址控制的讀操作（b）片選控制的讀操作SRAM的讀操作及時(shí)序圖33SRAM的寫操作及時(shí)序圖（a）片選控制的寫操作（b）寫信號控制的寫操作34357.2.2同步SRAM-同步靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SSRAM）SSRAM是一種高速RAM。與SRAM不同,SSRAM的讀寫操作是在時(shí)鐘脈沖節(jié)拍控制下完成的。寄存地址線上的地址寄存要寫入的數(shù)據(jù)ADV=0:普通模式讀寫ADV=1:叢發(fā)模式讀寫=0:寫操作=1:讀操作

寄存各種使能控制信號，生成最終的內(nèi)部讀寫控制信號2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,處理A1A036ADV=0:普通模式讀寫片選無效=0:寫操作WE=1:讀操作WE普通模式讀寫模式:在每個(gè)時(shí)鐘有效沿鎖存輸入信號,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),由內(nèi)部電路完成數(shù)據(jù)的讀(寫)操作。讀A1地址單元數(shù)據(jù)I/O輸出A1數(shù)據(jù);開始讀A2數(shù)據(jù)I/O輸出A2數(shù)據(jù);開始讀A3數(shù)據(jù)I/O輸出A6數(shù)據(jù);開始讀A7數(shù)據(jù)開始讀A4地址單元數(shù)據(jù)I/O輸入A5數(shù)據(jù);開始寫A6數(shù)據(jù)I/O輸出A4數(shù)據(jù);開始寫A5數(shù)據(jù),37讀A2地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+2中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+3中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式重新讀A2中的數(shù)據(jù)

ADV=1:叢發(fā)模式讀寫叢發(fā)模式讀寫模式：在有新地址輸入后,自動(dòng)產(chǎn)生后續(xù)地址進(jìn)行讀寫操作,地址總線讓出。讀A1地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+2中的數(shù)據(jù)38在由SSRAM構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于在時(shí)鐘有效沿到來時(shí)，地址、數(shù)據(jù)、控制等信號被鎖存到SSRAM內(nèi)部的寄存器中，因此讀寫過程的延時(shí)等待均在時(shí)鐘作用下，由SSRAM內(nèi)部控制完成。此時(shí)，系統(tǒng)中的微處理器在讀寫SSRAM的同時(shí)，可以處理其他任務(wù)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作速度。SSRAM的使用特點(diǎn)39407.2.3

DRAM-動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器

T

存儲單元寫操作:X=1=0T導(dǎo)通，電容器C與位線B連通輸入緩沖器被選通，數(shù)據(jù)DI經(jīng)緩沖器和位線寫入存儲單元如果DI為1，則向電容器充電，C存1;反之電容器放電,C存0。

-

刷新R行選線X讀/寫輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B讀操作:X=1=1T導(dǎo)通，電容器C與位線B連通輸出緩沖器/靈敏放大器被選通，C中存儲的數(shù)據(jù)通過位線和緩沖器輸出每次讀出后，必須及時(shí)對讀出單元刷新，即此時(shí)刷新控制R也為高電平，則讀出的數(shù)據(jù)又經(jīng)刷新緩沖器和位線對電容器C進(jìn)行刷新。

T

存儲單元

刷新R行選線X讀/寫輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B41SRAM和DRAM的比較種類用途存取速度成本基本元件揮發(fā)性充電耗電量集成度SRAMCache較快高觸發(fā)器否不需要高低DRAM主存較慢低電容是需要低高42字?jǐn)U展各片RAM對應(yīng)的數(shù)據(jù)線聯(lián)接在一起；低位地址線也并聯(lián)接起來，而高位的地址線，首先通過譯碼器譯碼，然后將其輸出按高低位接至各片的選片控制端。7.2.4存儲容量的擴(kuò)展例:將8×1的存儲器擴(kuò)展為32×1的存儲器43位擴(kuò)展把各片對應(yīng)的地址線連接在一起，數(shù)據(jù)線并列使用即可例:將8×1的存儲器擴(kuò)展為8×3的存儲器44A1D1A0D0R/WCS上圖為4×2集成存儲單元,試將其擴(kuò)展為8×4的存儲器。此處是D1和D0，不是Di和Do——現(xiàn)在的存儲器的輸入端和輸出端是公共的，即所謂I/O端。45A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0方法：先進(jìn)行位擴(kuò)展，構(gòu)成4×4再進(jìn)行字?jǐn)U展，構(gòu)成8×4（或相反）位擴(kuò)展——地址、控制端并聯(lián)，輸出端分別輸出46A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0字?jǐn)U展——地址、R/W端并聯(lián)，輸出端分別并聯(lián)用高位地址控制片選端47A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA2148先字?jǐn)U展（4×2——8×2），再位擴(kuò)展A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2兩片電路，如片選（地址）相同，輸出分開——位擴(kuò)展片選（地址）不同，輸出并聯(lián)——字?jǐn)U展49A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D01D3D250一些錯(cuò)誤情況A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD0D1BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216×2只作了字?jǐn)U展,未做位擴(kuò)展51A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×41位地址碼變成了2位地址碼A3A2=01時(shí)選中左邊,A3A2=10時(shí)選中右邊,然則A3A2=00或11時(shí)，二片皆不工作,電路無輸出.52A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0

1A3A3=0時(shí)D1D0有輸出D3D2無輸出,而A3=1時(shí)D1D0無輸出D3D2有輸出，輸出并非4位，且不相同53A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012E