數(shù)字電子技術(shù) 第六版 課件 第9章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第9章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器9.1概述

9.2只讀存儲(chǔ)器（ROM）

9.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）本章小結(jié)只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）雙極型了解存儲(chǔ)器的作用和分類，理解它們的用途；理解ROM和

RAM的電路結(jié)構(gòu)、工作原理；用ROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法以及用RAM拓展存儲(chǔ)容量的方法。概述存儲(chǔ)器——計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)中用以存儲(chǔ)大量信息（數(shù)據(jù)）的部件。隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不斷提高，要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，這就要求存儲(chǔ)器有更大的存儲(chǔ)容量和更快的存取速度。因此存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。信息存取方式分類制造工藝分類本章重點(diǎn)單極型（MOS）概述隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，

即RandomAccessMemory)RAM是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，既能讀出信息又能寫入信息。但斷電后其數(shù)據(jù)將全部丟失。它用于存放一些臨時(shí)數(shù)據(jù)和中間處理數(shù)據(jù)結(jié)果，如計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

主要由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路等部分組成，為大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。

主要由與陣列、或陣列、輸出緩沖級(jí)等部分組成，為大規(guī)模組合邏輯電路。ROM是只讀存儲(chǔ)器，在正常工作時(shí)，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)只能讀出，不能寫入。但斷電后其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。常用于存放一些不變的數(shù)據(jù)，如一些重要的常數(shù)、系統(tǒng)管理程序等。只讀存儲(chǔ)器(ROM，

即Read-OnlyMemory)第9章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器9.2

只讀存儲(chǔ)器（ROM）9.2.1固定ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理9.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）9.2.3可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器9.2.4PROM的應(yīng)用9.2.1固定ROM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理ROM的基本結(jié)構(gòu)由地址譯碼器和存儲(chǔ)矩陣等部分組成存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為4

4字位。ROM的電路結(jié)構(gòu)圖

字線位線一、電路組成

9.2.1固定ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理D0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W0

地址譯碼器。

A1、

A0為地址輸入端，W3~W0為譯碼器輸出的4條字線。

存儲(chǔ)矩陣由二極管或門組成，D3~D0為存儲(chǔ)矩陣輸出的4條位線。一、

電路組成

D0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W0W3

~W0

中任一個(gè)輸出高電平時(shí)，則在D3

~D0

4條線上輸出一組4位二進(jìn)制代碼，每組代碼表示一個(gè)字。二、

讀數(shù)

D0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W0

當(dāng)輸入一組地址碼時(shí)，則在ROM的輸出端可讀出該地址碼對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)內(nèi)容。如A1

A0

=00

時(shí)，則字線

W0

=A1

A0

=1，其他字線都為0，這時(shí)和W0相連的兩個(gè)二極管導(dǎo)通，位線D2

=1、

D0=1,而D3

和D1

都為0

,在輸出端得到D3D2D1D0=0101數(shù)據(jù)輸出。

可見(jiàn)：(1)交叉處接有二極管的相當(dāng)于存儲(chǔ)1，沒(méi)有接二極管的相當(dāng)于存儲(chǔ)0。

(2)當(dāng)某字線被選中時(shí)，相應(yīng)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)從位線D3

~D0

輸出。4×

4存儲(chǔ)矩陣示意圖

W3W2W1W0D0D1D2D3字線位線交叉處的圓點(diǎn)“”表示存儲(chǔ)1，交叉處無(wú)圓點(diǎn)表示存儲(chǔ)0。交叉點(diǎn)的數(shù)目，即存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的數(shù)量，稱為存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)矩陣可簡(jiǎn)化表示為存儲(chǔ)容量

字?jǐn)?shù)×

位數(shù)用“M”表示“1024K”，1M=1024K=210K=220。對(duì)于大容量的ROM

常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210

；例如，一個(gè)64K

8的ROM，表示它有64K個(gè)字，

字長(zhǎng)為8位，存儲(chǔ)容量是64K

8=512K。

例如，一個(gè)32

8的ROM，表示它有32個(gè)字，

字長(zhǎng)為8位，存儲(chǔ)容量是32

8=256。

TTL-ROM結(jié)構(gòu)圖

MOS-ROM結(jié)構(gòu)圖

PROM出廠時(shí)，全部熔絲都連通，全部存儲(chǔ)單元相當(dāng)于存儲(chǔ)1。用戶在編程時(shí)，可根據(jù)要求，借助編程工具將需要存儲(chǔ)0單元的熔絲燒斷即可。

熔絲燒斷后不可恢復(fù)，故PROM只能進(jìn)行一次性編程。

二極管ROM

TTL-ROM

MOS-ROM

Wi

Dj

Wi

Dj

VCC

Wi

Dj

+VDD

1熔絲熔絲熔絲9.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)用一個(gè)特殊的浮柵MOS管替代熔絲。

用紫外線擦除信息的，稱為EPROM。

用電信號(hào)擦除信息的，稱為EEPROM，即E2PROM。

按擦除方式不同分

EPROM只能整體擦除，擦除時(shí)間較長(zhǎng)。E2PROM中的存儲(chǔ)單元可逐個(gè)擦除逐個(gè)改寫，它的編程和擦除都用電信號(hào)完成，速度比EPROM快得多。9.2.3可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)EPROM集成芯片上有一個(gè)石英窗口供紫外線擦除之用。芯片寫入數(shù)據(jù)后，必須用不透光膠紙將石英窗口密封，以免破壞芯片內(nèi)存儲(chǔ)的信息。9.2.3可擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器用戶在編程時(shí)，可以根據(jù)需要將某單元改寫為0。方法是借助于編程器輸出足夠大的脈沖電流將所要改寫為0的存儲(chǔ)單元中的熔絲燒斷。顯然，熔絲燒斷后不可恢復(fù)，因此，PROM只能進(jìn)行一次編程。使用不方便，也不經(jīng)濟(jì)。

PROM在使用時(shí)只能讀出,不能寫入。

可編程只讀存儲(chǔ)器是一種用戶可以根據(jù)自己的要求直接寫入信息的存儲(chǔ)器。寫入信息的過(guò)程稱為編程。PROM在出廠前已在每個(gè)存儲(chǔ)單元中都接有快速熔絲，這時(shí)所有的存儲(chǔ)單元都相當(dāng)于存儲(chǔ)了1。

一、紫外線擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)

FAMOS管的柵極為多晶硅，沒(méi)有引出線，完全浮置于SiO2絕緣層中。平時(shí)不帶電，也不導(dǎo)通，相當(dāng)于熔絲斷開(kāi)。編程時(shí)，在編程器的編程信號(hào)作用下，可使FAMOS管的浮置柵獲得足夠的電荷而使漏極和源極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，成為導(dǎo)通狀態(tài)，與其串接的MOS管也導(dǎo)通，相當(dāng)于熔絲連接。

為了使EPROM寫入的信息不丟失，需用不透明的遮光紙將集成芯片上的石英窗口封貼起來(lái)。當(dāng)需要擦除原信息時(shí)，需要去掉遮光紙，用紫外線照射石英窗口10~15分鐘，才能擦除芯片中全部信息。

EPROM的存儲(chǔ)單元中采用了浮置柵MOS管，簡(jiǎn)稱FAMOS管，用以代替PROM中的熔絲。它和普通MOS管串接后組成了EPROM中的存儲(chǔ)單元。

二、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)

E2PROM存儲(chǔ)單元中的信息可邊擦除邊改寫，也可整體擦除，速度比EPROM快得多，寫入信息可長(zhǎng)期保存。

E2PROM的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和EPROM類似，只是在浮置柵上加了一個(gè)隧道二極管，在編程信號(hào)作用下，可使存儲(chǔ)單元導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)了電寫入和電擦除。三、快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)同時(shí)快閃存儲(chǔ)器的編程和擦除控制電路都集成在存儲(chǔ)器內(nèi)部，不需要專門的編程工具，使用十分方便?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，快閃存儲(chǔ)器有可能取代計(jì)算機(jī)中的硬盤和用于開(kāi)發(fā)許多新的電子產(chǎn)品。

快閃存儲(chǔ)器是E2PROM新一代產(chǎn)品，它具有E2PROM擦除快的優(yōu)點(diǎn)，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、體積小、功耗低、工作速度快、存儲(chǔ)容量大。優(yōu)點(diǎn)十分明顯。

由于PROM的地址譯碼器能譯出地址碼全部最小項(xiàng)，而PROM的存儲(chǔ)矩陣構(gòu)成了可編程或門陣列，因此，通過(guò)編程可從PROM的位線輸出端得到任意標(biāo)準(zhǔn)與-

或式。由于所有組合邏輯函數(shù)均可用標(biāo)準(zhǔn)與-

或式表示，故可用PROM實(shí)現(xiàn)任意組合邏輯函數(shù)。9.2.4

PROM的應(yīng)用

PROM結(jié)構(gòu)的習(xí)慣畫法AB與門和或門的習(xí)慣畫法CY&ABCY≥1ABCY&ABCY≥1用

PROM

實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)[例]

試用PROM實(shí)現(xiàn)下列邏輯函數(shù)解：(1)

將函數(shù)化為標(biāo)準(zhǔn)與-

或式(2)

確定存儲(chǔ)單元內(nèi)容由函數(shù)Y1、Y2

的標(biāo)準(zhǔn)與-

或式可知：與Y1

相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，字線W1、W4、W5、W6

對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元應(yīng)為1；對(duì)應(yīng)m1、m4、m5、m6與Y2

相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，字線W3、W5、W6、W7

對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元應(yīng)為1。(3)

畫出用PROM實(shí)現(xiàn)的邏輯圖A1≥1B1C1&&&&&&&&≥1m0m1m2m3m4m5m6m7地址譯碼器Y1Y2第9章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器9.3

隨機(jī)存儲(chǔ)讀取器(RAM)9.3.1RAM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理9.3.2RAM的存儲(chǔ)單元9.3.3RAM的擴(kuò)展一、RAM的基本結(jié)構(gòu)9.3.1RAM的基本結(jié)構(gòu)和讀寫過(guò)程RAM的電路結(jié)構(gòu)

1.存儲(chǔ)矩陣：由大量以矩陣形式排列的存儲(chǔ)單元組成。圖中存儲(chǔ)器的容量是：字?jǐn)?shù)×位數(shù)=32×16=512字位一、RAM的基本結(jié)構(gòu)RAM的電路結(jié)構(gòu)

2.地址譯碼器：為了能方便地選擇到存儲(chǔ)器中的任一個(gè)存儲(chǔ)單元，將地址譯碼器分為行、列地址譯碼器，然后根據(jù)行、列地址去選通相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。一、RAM的基本結(jié)構(gòu)RAM的電路結(jié)構(gòu)

3.I/O和讀/寫控制電路：為了滿足存儲(chǔ)容量擴(kuò)展要求，每片RAM都設(shè)有片選CS端和讀/寫(R/W)控制端，用于對(duì)選通的存儲(chǔ)單元寫入或讀出數(shù)據(jù)。二、RAM的讀/寫過(guò)程當(dāng)片選端CS=1時(shí)，G1和G2輸出低電平，所有I/O端均為高阻態(tài)，使存儲(chǔ)器和I/O線隔離，不能進(jìn)行讀寫操作；當(dāng)CS=0時(shí)，RAM工作，可對(duì)選通的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

當(dāng)R/W=1時(shí)，進(jìn)行讀出操作，再通過(guò)I/O端輸出數(shù)據(jù)；當(dāng)R/W=0時(shí)，則進(jìn)行寫入操作，將I/O端輸入的數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)單元中。9.3.2RAM的存儲(chǔ)單元

一、

靜態(tài)存儲(chǔ)單元

靜態(tài)存儲(chǔ)單元由CMOS觸發(fā)器和門控管組成，它的工作狀態(tài)受行、列譯碼輸出的行選擇線和列選擇線控制。當(dāng)靜態(tài)存儲(chǔ)單元被選通時(shí)，其中的門控管導(dǎo)通，這時(shí)可通過(guò)讀/寫控制電路對(duì)選通的靜態(tài)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫操作。對(duì)于沒(méi)有被選通的靜態(tài)存儲(chǔ)單元，由于門控管截止，靜態(tài)存儲(chǔ)單元被封鎖，不能進(jìn)行讀/寫操作。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的優(yōu)點(diǎn)是：在不斷電情況下，可長(zhǎng)期保存二進(jìn)制信息，讀/寫控制電路簡(jiǎn)單，存取速度快。缺點(diǎn)是：存儲(chǔ)容量小，靜態(tài)功耗大，適用于小容量存儲(chǔ)器。9.3.2RAM的存儲(chǔ)單元

二、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容的存儲(chǔ)效應(yīng)組成的，由于柵極電容的容量很小，且存在漏電，因此柵極電容上存儲(chǔ)的信息不可能長(zhǎng)期保存。為防止信息丟失，必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷，這種補(bǔ)充電荷的過(guò)程稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的工作受行選擇線和列選擇線控制。當(dāng)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元被選通時(shí)，門控管導(dǎo)通，這時(shí)可對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫操作和讀操作，并對(duì)該存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次刷新。對(duì)于沒(méi)有被選通的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元，由于門控管截止，不能進(jìn)行讀/寫操作。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的優(yōu)點(diǎn)是：存儲(chǔ)單元電路簡(jiǎn)單，集成度高，功耗低，在大容量存儲(chǔ)器中采用較多。缺點(diǎn)是：外圍電路較復(fù)雜。9.3.3RAM的擴(kuò)展

一、RAM的位擴(kuò)展如一片RAM的字?jǐn)?shù)已夠用，而每個(gè)字的位數(shù)不夠用，則采用位擴(kuò)展的方法來(lái)擴(kuò)展每個(gè)字的位數(shù)。其方法是將各片

RAM的地址輸入端、讀/寫控制端R/W和片選端CS對(duì)應(yīng)地并接在一起。下圖為用兩片1k×4位的RAM進(jìn)行位擴(kuò)展，擴(kuò)展后的容量為1k×8位。RAM的位擴(kuò)展接法

RAM的字?jǐn)U展接法

二、RAM的字?jǐn)U展

如一片RAM的位數(shù)已夠用，而字?jǐn)?shù)不夠用，則采用字?jǐn)U展的方法來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)。字?jǐn)U展通常需用外加譯碼器來(lái)控制芯片的片選輸入信號(hào)CS實(shí)現(xiàn)。如字?jǐn)?shù)和位數(shù)都不夠用，則可將字?jǐn)?shù)和位數(shù)同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，便組成了大容量的存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的核心是存儲(chǔ)矩陣，它由許多存儲(chǔ)單元構(gòu)成，每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)。根據(jù)功能不同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)兩大類。本章小結(jié)只讀存儲(chǔ)器(ROM)主要由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣和輸出緩沖級(jí)組成，沒(méi)有觸發(fā)器，為大規(guī)模集成組合邏輯電路。ROM用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，不能隨意改寫。工作時(shí)，只能根據(jù)地址讀出數(shù)據(jù)。工作可靠，斷電后其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。只讀存儲(chǔ)器有固定ROM(又稱掩模ROM)和可編程ROM之分。固定ROM由制造商向芯片寫入數(shù)據(jù)，而可編程ROM則由用戶向芯片寫入數(shù)據(jù)?？删幊蘎OM又分為一次可編程的PROM和可重復(fù)改寫、重復(fù)編程的EPROM和E2PROM。EPROM為電寫入紫外擦除型，E2PROM為電寫入電擦除型，后者比前者快捷方便?？删幊蘎OM都要用專用的編程器對(duì)芯片進(jìn)行編程。只讀存儲(chǔ)器(ROM)主要由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣和輸出緩沖級(jí)組成，沒(méi)有觸發(fā)器，為大規(guī)模集成組合邏輯電路。ROM