武漢大學數(shù)電課件第八章半導體存儲器

第八章半導體存儲器§8.1概述§8.2只讀存儲器(ROM)§8.3讀寫存儲器(RAM)1當前1頁，總共35頁。存儲器是用來存儲二值數(shù)字信息的大規(guī)模集成電路，是進一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。它實際上是將大量寄存器按一定規(guī)律結(jié)合起來的整體，可以被比喻為一個由許多房間組成的大旅館。每個房間有一個號碼（地址碼），每個房間內(nèi)有一定內(nèi)容（一個二進制數(shù)碼，又稱為一個“字”）?！?.1概述2當前2頁，總共35頁。大規(guī)模集成電路在一塊硅半導體的基片上集成了1000個以上的元件(等效100門)的集成電路.分類:從應用的角度分:通用型:存貯器MEMORY．微處理器CPU．單片計算機MCU。專用型：針對特殊用途而專門設(shè)計的ASIC。從電路結(jié)構(gòu)分：TTL：雙極型，I2L；MOS：單極型，NMOS，CMOS3當前3頁，總共35頁。存貯器在計算機中用來存放數(shù)據(jù)．指令．中間結(jié)果及各種資料的存貯裝置。存貯器容量：把存貯的二進制位數(shù)的總數(shù)稱為其容量。容量＝字數(shù)＊字長分類：工作方式：(1)只讀存儲器(ROM)(2)讀寫存儲器(RAM)存貯方式：內(nèi)存貯器外存貯器4當前4頁，總共35頁。存貯器：對存貯器的要求容量大速度快功耗小可靠性高集成度高5當前5頁，總共35頁。特點：信息只能讀出，不能寫入分類：從電路結(jié)構(gòu)：二極管ROM，雙極型ROM，單極型ROM從編程方式：固定ROM，可編程ROM（PROM），可擦可編ROM，EPROM,PAROM§8.2只讀存儲器(ROM)ReadOnlyMemory只讀存儲器，工作時其存儲的內(nèi)容固定不變。因此，只能讀出，不能隨時寫入，所以稱為只讀存儲器。6當前6頁，總共35頁。8.2.1ROM的基本結(jié)構(gòu)及工作原理ROM主要由地址譯碼器、存儲矩陣和輸出電路三部分組成。下圖是由二極管構(gòu)成的ROM電路：地址譯碼器存貯矩陣M＊N輸出電路A1A2W0W1W2W37當前7頁，總共35頁。ROM功能及結(jié)構(gòu)地址譯碼器：選擇所需要的單元：尋址存貯陣列：由很多重復排列的結(jié)構(gòu)完全相同的存貯單元構(gòu)成，每一個存貯單元存貯一位二進制數(shù)據(jù)，存貯單元的數(shù)目決定了存貯器的容量。8當前8頁，總共35頁。輸出電路存儲矩陣字線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯碼器K:輸出控制端W3W0W2W19當前9頁，總共35頁。ROM的基本結(jié)構(gòu)它由二極管構(gòu)成（NMOS）它是一個4（字）＊4（位）的存貯器。A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯碼器K:輸出控制端W3字線位線W2W0W110當前10頁，總共35頁。ROM的基本結(jié)構(gòu)存貯信息：1．字線與地址碼的關(guān)系是“與“的關(guān)系。W0=A1A0W1＝A1A0

W2＝A1A0W3＝A1A0．字線與位線之間的關(guān)系（或關(guān)系）。D3=W3D2＝W2＋W1D1＝W3＋W0D0＝W0＋W1＋W2A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯碼器K:輸出控制端字線位線W2W0W1W311當前11頁，總共35頁。000101111100110011001001地址A1A0D3D2D1D0內(nèi)容A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯碼器K:輸出控制端給出任意一個地址碼，譯碼器與之對應的字線變?yōu)楦唠娖?，進而從位線上便可輸出四位數(shù)字量。字線位線圖中存儲器的內(nèi)容如右表W2W0W1W312當前12頁，總共35頁。+VCCW3W0W1W2D0D1D2D3左圖是使用MOS管的ROM矩陣：字線和位線間有MOS管的單元存儲“0”，無MOS管的單元存儲“1”。13當前13頁，總共35頁。在前面介紹的兩種存儲器中，其存儲單元中的內(nèi)容在出廠時已被完全固定下來，使用時不能變動，稱為固定ROM。有一種可編程序的ROM，在出廠時全部存儲“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。字線位線熔斷絲若將熔絲燒斷，該單元則變成“0”。顯然，一旦燒斷后不能再恢復。14當前14頁，總共35頁。PROM中的內(nèi)容只能寫一次，有時仍嫌不方便，于是又發(fā)展了一種可以改寫多次的ROM，簡稱EPROM。它所存儲的信息可以用紫外線或X射線照射擦去，然后又可以重新編制信息。ROM的主要技術(shù)指標是存儲容量。它一般用[存儲字數(shù)：2N][輸出位數(shù)：M]來表示(其中N為存儲器的地址線數(shù))。例如：128字8位、1024字8位等。15當前15頁，總共35頁。8.2.2ROM的應用舉例1.用于存儲固定的專用程序2.利用ROM可實現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能－－查某個角度的三角函數(shù)把變量值（角度）作為地址碼，其對應的函數(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，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存儲單元中的內(nèi)容即可。16當前16頁，總共35頁。3.ROM在波形發(fā)生器中的應用ROMD/A計數(shù)器CP計數(shù)脈沖送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A0100000000000111111111110000000000000000000000111111111112481296317當前17頁，總共35頁。ROMD/A計數(shù)器CP計數(shù)脈沖送示波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963tuo018當前18頁，總共35頁。ROM陣列結(jié)構(gòu)在存貯矩陣中，字線W與位線D的交叉處，若有二極管，則存貯的內(nèi)容為1，無二極管則存貯的信號為0。ROM的陣列結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：與陣列：表示字線W和地址碼AiAj之間的邏輯關(guān)系，水平表示地址碼，垂直線表示字線，在圖中用圓點來表示與邏輯關(guān)系?；蜿嚵校罕硎疚痪€和字線之間的或邏輯關(guān)系，在圖中用圓點來表示。水平線表示位線D，垂直線表示字線W19當前19頁，總共35頁?？删幊踢壿嬯嚵校≒LA）對譯碼矩陣和存貯矩陣都能進行編程的邏輯電路特點：能提高器件的利用率，節(jié)省硅片面積。能實現(xiàn)各種組合邏輯函數(shù)和時序邏輯函數(shù)20當前20頁，總共35頁?？删幊踢壿嬯嚵校≒LA）“與“ROM陣列“或“ROM陣列輸入輸出實現(xiàn)組合邏輯電路的電路結(jié)構(gòu)21當前21頁，總共35頁。應用：用PLA來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)：

F1＝m（3，4，6，7）

F2=m(0,2,3,4,7)設(shè)計步驟：對F1．F2進行化簡（圖形法）。得到F1＝AC＋BCF2＝BC＋BC＋AB根據(jù)化簡后的F1和F2的與項和或項進行編程22當前22頁，總共35頁。應用：用PLA來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)：

F1＝m（3，4，6，7）

F2=m(0,2,3,4,7)ABCY1Y2Y3Y4F1F2ABC23當前23頁，總共35頁。讀寫存儲器又稱隨機存儲器。讀寫存儲器的特點是：在工作過程中，既可從存儲器的任意單元讀出信息，又可以把外界信息寫入任意單元，因此它被稱為隨機存儲器，簡稱RAM。RandomAccessMemory...RAM按功能可分為靜態(tài)、動態(tài)兩類；RAM按所用器件又可分為雙極型和MOS型兩種?！?.3讀寫存儲器(RAM)

24當前24頁，總共35頁。RAM結(jié)構(gòu)地址譯碼器存貯陣列讀／寫控制電路I／O電路讀寫（R／W）片選（CS）傳輸通道用來控制選中單元的讀出或?qū)懭脒x擇所需要的單元：尋址由重復排列的結(jié)構(gòu)完全相同的存貯單元構(gòu)成，每一個存貯單元存貯一位數(shù)據(jù)25當前25頁，總共35頁。8.3.1基本存儲單元WiDD符號VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線26當前26頁，總共35頁。介紹基本存儲單元的工作原理:VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字線數(shù)據(jù)線．位線數(shù)據(jù)線．位線VCCT2T1T3T4由增強型NMOS管T1、

T2、T3和T4

構(gòu)成一個基本R-S觸發(fā)器，它是存儲信息的基本單元。而T5和T6是門控管，由字線Wi控制其導通或截止：Wi＝1則導通，否則截止。27當前27頁，總共35頁。門控管T5和T6導通時，“讀”、“寫”操作由讀寫控制端R/W控制：R/W=0時，1、3門打開，數(shù)據(jù)由I/O端送入存儲器，完成寫操作；反之，R/W=1時，1、3門關(guān)閉，2門打開，數(shù)據(jù)由I/O線讀出。VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1VCCT2T1T3T4數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線字線12328當前28頁，總共35頁。D1W3W2W1W0地址譯碼器讀寫及輸入/輸出控制I/O1I/O0CSR/WA0A1D1D0D0存儲矩陣8.3.2存儲器的整體結(jié)構(gòu)29當前29頁，總共35頁。8.3.3RAM組件及其連接常用RAM組件的類型很多，以下介紹兩種：RAM2114和RAM6116。

RAM2114共有10根地址線，4根數(shù)據(jù)線。故其容量為：1024字×4位（又稱為1K×4）RAM6116的容量為：2048字×8位（又稱為2K×8）30當前30頁，總共35頁。RAM2114、2116的管腳圖123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R/WRAM2114管腳圖2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM6116管腳圖A2A711112141324A8D5D6D7RDWR31當前31頁，總共35頁。D7A9A0R/WCSD1D3D2D0A9A0R/WCSD1D3D2D0......D6D5D4D1D3D2D0...CSR/WA0A92114(1)2114(2)用兩片2114將位數(shù)由4位擴展到8位RAM容量的擴展1.位數(shù)的擴展：把各片對應的地址線連接在一起，數(shù)據(jù)線并列使用即可。接線如下圖：32當前32頁，總共35頁。2.字數(shù)的擴展：各片RAM對應的數(shù)據(jù)線聯(lián)接在一起；低位地址線也