第九章 半导体存储器主要内容
★ 了解半导体存储器的结构、特点和功能
★ RAM,ROM的应用存储器概述存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分;
功能:存放数据、指令等信息。
按材料分类
1) 磁介质类 —— 软磁盘、硬盘、磁带
2) 光介质类 —— CD,DVD
3) 半导体介质类 —— ROM,RAM等按功能分类主要分 RAM和 ROM两类,不过界限逐渐模糊。
RAM,SDRAM,硬盘,
ROM,CD,DVD,FLASH ROM,EEPROM,PROM
性能指标
1)存储容量 —— 字数 × 位数; 256× 8bit=256字节,一般用位数表示。
2)存取时间 —— 存储器操作的速度。
本课主要讲述半导体介质类器件半导体存储器
—— 存放 大量 二进制信息的半导体器件。分为,ROM,RAM。
一、只读存储器 (ROM)
ROM ~ 是存储固定信息的存储器件,即先把信息或数据写入存储器中,在正常工作时,它存储的数据是固定不变的,只能读出,不能写入。
( ROM是存储器结构最简单的一种。)
特点,①只能读出,不能写入;
②属于组合电路,电路简单,集成度高;
③具有信息的不易失性;
④存取时间在 20ns~ 50ns。
缺点,只适应存储固定数据的场合。
ROM的分类
(1)按制造工艺分二极管 ROM
双极型 ROM(三极管 )
单极型 (MOS)
(2)按存储内容写入方式分掩膜 ROM(固定 ROM)—— 厂家固化内容;
可编程 ROM( PROM ) —— 用户首次写入时决定内容。
( 一次写入式 )
可编程、可擦除 ROM ( EPROM) —— 可根据需要改写;
可编程,电 可擦除 ROM ( EEPROM 即 E2PROM )
快闪存储器 FLASH ROM
1、腌膜 ROM(固化 ROM)
采用腌膜工艺制作 ROM时,其存储的数据是由制作过程中的腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因此,腌膜 ROM在出厂是内部存储的数据就,固化,在里面了,使用时无法再更改。
A0
Ai
地址译码器
…..
存储矩阵输出缓冲器地址输入三态控制输入数据输出
( 1)基本构成
① 地址译码器的作用将输入的地址代码译成相应的控制信号,
利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出,并把其中的数据送到输出缓冲器。
A0
Ai
地址译码器
…..
存储矩阵输出缓冲器地址输入三态控制输入数据输出
② 存储矩阵是由存储单元排列而成,可以由二极管、三极管或
MOS管构成。每个单元存放一位二值代码。 每一个或一组存储单元对应一个地址代码 。
③ 输出缓冲器的作用,Ⅰ,提高存储器的带负载能力,将高、
低电平转换标准的逻辑电平;
Ⅱ,实现对输出的三态控制,以便与系统总线连接。
( 2)举例 4× 4存储器
2位地址代码 A1,A0给出 4个不同地址,4个地址代码分别译出 W0~ W3上的 高电平 信号。
位输出线
1
1
1
1
1
1
Vcc
A1
A0
D3
D2
D1
D0W3W2W1W0
地址译码器存储矩阵
EN
D3’
Vcc
A1
A0
W3
二极管与门作译码
A1A0= 00 W0= 1;
A1A0= 01 W1= 1;
A1A0= 10 W2= 1;
A1A0= 11 W3= 1;
( 2)举例 4× 4存储器(续)
存储矩阵由 4个二极管或门组成,
当 W0~ W3线上给出 高电平 信号时,
会在 D0~ D3输出一个二值代码位输出线
1
1
1
1
1
1
Vcc
A1
A0
D3
D2
D1
D0W3W2W1W0
地址译码器存储矩阵
EN
D3’
D3’
W3
W1
二极管或门作编码器
D3= W1+ W3
D2= W0+ W2+ W3
D1= W1+ W3
D0= W0+ W1
W0~ W3:字线
D0~ D3:位线(数据线)
A0,A1:地址线
( 2)举例 4× 4存储器(续)
位输出线
1
1
1
1
1
1
Vcc
A1
A0
D3
D2
D1
D0W3W2W1W0
地址译码器存储矩阵
EN
D3’
字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元,在交叉点上接二极管相当于存 1,没接二极管相当于存 0,交叉点的数目就是存储容量,写成,字数 × 位数,的形式
D3= W1+ W3
D2= W0+ W2+ W3
D1= W1+ W3
D0= W0+ W1
存储内容真值表地 址 数 据
A1 A0 D3 D2 D1 D0
0 0
0 1
1 0
1 1
0 1 0 1
1 0 1 1
0 1 0 0
1 1 1 0
= m1+ m3
= m0+ m2+ m3
= m1+ m3
= m0+ m1
地 址 数 据
A1 A0 D3 D2 D1 D0
0 0
0 1
1 0
1 1
0 1 0 1
1 0 1 1
0 1 0 0
1 1 1 0
1A
1A
0A
0A
D3
D2
D1
D0
与阵列或阵列
W1W0 W2 W3
简化 ROM点阵图字输出,D3D2D1D0随着地址的不同有不同的数据。
位输出,D3,D2,D1,D0每根位线,由不同的最小项组成,
可实现组合逻辑函数。
D3= W1+ W3
D2= W0+ W2+ W3
D1= W1+ W3
D0= W0+ W1
输出方式
( 3)基本应用
① 字应用 —— 由地址读出对应的字,
例实现 B码 → G码的转换。
二进制 G3 G2 G1 G0
0000 0 0 0 0
0001 0 0 0 1
0010 0 0 1 1
0011 0 0 1 0
0100 0 1 1 0
0101 0 1 1 1
0110 0 1 0 1
0111 0 1 0 0
1000 1 1 0 0
1001 1 1 0 1
1010 1 1 1 1
1011 1 1 1 0
1100 1 0 1 0
1101 1 0 1 1
1110 1 0 0 1
1111 1 0 0 0
B3
B3
B2
B2
B1
B1
B0
B0
0 5 10 15
G3
G2
G1
G0
② 位应用 —— 实现组合函数全加器

)7,6,5,3(
)7,4,2,1(
mC
mS
i
i
0 5 10 15
组合逻辑函数的实现:
①基本门电路;
②译码器;
③数据选择器;
④ ROM
Ai
Ai
Bi
Bi
Ci-1
Ci-1
Si
Ci
Ai Ai Bi Bi C-1 C-1 Si Ci
两种表示形式
2 PROM(可编程 ROM)
☆ PROM只能写一次,一旦写入就不能修改( OTP型 )。
☆ 基本结构同掩模 ROM,由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。
☆ 出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元,一般存 1。
☆存数方法:熔丝法和击穿法。
熔丝法图示
e
熔丝
cb
Vcc
字线位线加高电压将熔丝化断,
即可将原有的 1改写为 0。
3 EPROM,E2PROM,FLASH ROM
☆ 电擦除,一般芯片内部带有升压电路,可以直接读写 EEPROM,
☆擦除时间短 (ms级 ),可对 单个 存储单元擦除。
☆读出,5V;擦除,20V;写入,20V。
EPROM:光擦除可编程 ROM
E2PROM:电擦除可编程 ROM
FLASH ROM:电擦除可编程 ROM
☆ 紫外线照射擦除,时间长 10~ 20分钟
☆ 整片 擦除
☆写入一般需要专门的工具
☆ 结合 EPROM和 EEPROM的特点,构成的电路形式简单,集成度高,可靠性好。
☆ 擦除时间短 (ms级 ),整片 擦除、或 分块 擦除。
☆读出,5V;写入,12V;擦除,12V(整块擦除 )
EPROME2PROM
二,随机存储器 RAM
RAM—— 在工作过程中,既可从存储器的任意单元读出信息,
又可以把外界信息写入任意单元,因此它被称为随机存储器 (或读写存储器 )。读写速度很快。但一般有易失性,数据掉电后就消失 (也有非易失性的 RAM,
实际上类似于 ROM)。
RAM 按功能可分为
RAM 按所用器件可分为
RAM 优点,读写方便,具有信息的灵活性。
缺点,一般有易失性,数据掉电后就消失。
静态 (SRAM)
动态 (DRAM)
双极型
MOS型
1.SRAM的基本结构
A0
Ai
行地址译码器
…..
列地址译码器
Ai+1 An-1……
存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
I/O
地址输入 控制输入数据输入 /输出输入信号(三组):地址输入、控制输入和数据输入输出信号(一组):数据输出
A0
Ai
行地址译码器
…..
列地址译码器
Ai+1 An-1……
存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
I/O
地址输入 控制输入数据输入 /输出存储矩阵,有许多存储单元排列而成,每个存储单元存一位二值信息( 0,1),在译码器和读 /写电路的控制下,
既可以写入 1或 0,又可以将存储的数据读出。
A0
Ai
行地址译码器
…..
列地址译码器
Ai+1 An-1……
存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
I/O
地址输入 控制输入数据输入 /输出由于存储器的容量巨大,在存储器中使用双译码形式,就是如图的地址分成行列两组的形式,以简化电路。分行列译码,用两条线来共同选择存储单元。
R/W=1,读出
R/W=0,写入
CS=0,工作
CS=1,高阻例,1024X4 SRAM( 2114)
A3
A4
A5
A6
A7
A8
行地址译码器列地址译码器存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
数据输入 /输出
A0 A1 A2 A9
I/O0
I/O1
I/O2
I/O3
地址线,10根,A0 ~ A9
数据线,4根,I/O0 ~ I/O3
控制线,2根,CS片选,0有效; R/W 读写控制
★ 每个由 X,Y共同选中的单元中实际包含了 4个 1位数据存储单元表示 4位数据。
★ 行选择线有 32条 (含 5根地址线 ),列选择线 8条 (含 3根地址线 ),
一共可以有 32× 8=256个组合总的存储容量就是 256× 4。
256× 4RAM存储矩阵
1024× 4 RAM
列控制门行控制门在内部数据线行选择
26= 64
列选择
24= 16
1024× 4RAM存储矩阵
&
&
G1 G2
G3
D D
R/W
CS
I/O
1
0
0
0
1
D/D连接存储器内部的各个存储单元,既做数据输入,也作数据输入,可以从 D上读取存储器的内容,也可以向存储器内部写入。
输入输出控制电路
③ CS=0,R/W=0时,
G1,G2开通,G3三态,I/O上的数据被同时送到 D/D上,改变存储单元内部内容。
② CS=0,R/W=1时,
G1,G2三态,G3开通
D端数据输出到 I/O线上
① CS=1时,
G1,G2,G3都是高阻,
存储器与输入 /输出线完全隔离
RAM操作时序要求:
了解时序图
SRAM功耗高,体积大,大容量存储器一般都采用 DRAM
DRAM存储依赖 MOS管栅极的寄生电容效应原理制成的。
2,DRAM
C上电荷也不能长时间维持,
所以还必须定时对电容充电,
称为 再生 或 刷新 。
三、存储器容量扩展
1、位扩展

CS
R/W
地址并联,I/O独立第 1片 第 4片
4096× 4RAM扩展成 4096× 16的存储器系统
A11
A0
R/W
CS
D0 D15
说明,ROM无 R/W,位扩展其余端与 RAM相同 。
2、字扩展

OI/
R/W
地址并联,CS独立例,4片 8K× 8位 RAM扩展成 32K× 8位 RAM
32K有 15条地址线,8K芯片本身用 13条,另两条译码后作为片选。
000’0000’0000’0000~
001’1111’1111’1111
即 0000H~ 1FFFH;



ⅣA0~ A12
R/W
A13
A14
D0~ D7
/Y0
/Y1
/Y2
/Y3
第 Ⅰ 片地址范围:
第 Ⅱ 片地址范围:
2000H~ 3FFFH
第 Ⅲ 片地址范围:
4000H~ 5FFFH
第 Ⅳ 片地址范围:
6000H~ 7FFFH
本章要求
熟练掌握半导体存储器的分类、特点;
熟练掌握 ROM的应用(字应用、位应用);
熟练掌握半导体存储器的扩展方法(字扩展、位扩展);
掌握 ROM,RAM的基本结构和概念。
作业:
1)作出全减器的 ROM点阵图。
2)用 1024× 1的 RAM芯片,扩展成 4096× 4的 RAM存储器。
本章完