1、 第第6 6章章 半导体存储器半导体存储器内容提要内容提要 数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。存储器的种器，计算机才有了对信息的记忆功能。存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。半导体存储类很多，本章主要讨论半导体存储器。半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。目前，微
2、型计算机的内存普遍采用了大容泛应用。目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。量的半导体存储器。本章内容本章内容6.1 随机存取存储器随机存取存储器6.2 只读存储器（只读存储器（ROM）6.1 6.1 随机存取存储器随机存取存储器6.1.2 RAM RAM的存储单元的存储单元6.1.3 RAM RAM的容量扩展的容量扩展6.1.4 RAM RAM的芯片简介的芯片简介6.1.1 RAM RAM的基本结构的基本结构由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片输出控制、片选控制等几部分组成。结构如图选控制等几部分组成。结构如图6.1.1
3、6.1.1所示。所示。6.1.1 RAM6.1.1 RAM的基本结构的基本结构存储矩阵读/写控制器控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入入1.1.存储矩阵存储矩阵RAMRAM的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵为存储矩阵。图图6.1.26.1.2所示是所示是102410241 1位的存储矩阵和地址译码器位的存储矩阵和地址译码器000001111313113131310131列 译 码 器行译码器.位线位线位线位线位线位线.XXXYYY01310131AAAAAAAAAA地 址 输 入地址输入0123456789DD数据线
4、.图6.1.2 10241位RAM的存储矩阵2地址译码器地址译码器的作用，是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。3.读/写控制访问RAM时，对被选中的寄存器，究竟是读还是写，通过读/写控制线进行控制。如果是读，则被选中单元存储的数据经数据线、输入/输出线传送给CPU；如果是写，则CPU将数据经过输入/输出线、数据线存入被选中单元。4.输入/输出v RAM通过输入/输出端与计算机的中央处理单元（CPU）交换数据，读出时它是输出端，写入时它是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。输入/输出端数据线的条数，与一个地址中所对应的寄存器位数相同，例如在1024
5、1位的RAM中，每个地址中只有1个存储单元（1位寄存器），因此只有1条输入/输出线；而在2564位的RAM中，每个地址中有4个存储单元（4位寄存器），所以有4条输入/输出线。也有的RAM输入线和输出线是分开的。RAM的输出端一般都具有集电极开路或三态输出结构。v 由于受RAM的集成度限制，一台计算机的存储器系统往往是由许多片RAM组合而成。CPU访问存储器时，一次只能访问RAM中的某一片（或几片），即存储器中只有一片（或几片）RAM中的一个地址接受CPU访问，与其交换信息，而其他片RAM与CPU不发生联系，片选就是用来实现这种控制的。通常一片RAM有一根或几根片选线，当某一片的偏选线接入有效电
6、平时，该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址的寄存器与CPU接通；当片选线接入无效电平时，则该片与CPU之间处于断开状态。5.片选控制6.RAM的输入/输出控制电路&GGGCSR/W3451DGI/O2DG7.RAM的工作时序ADDCSI/OtttRCACSAA（地址）读出单元的地址输出数据RAM读操作时序图tWC写入单元的地址ADDtWPCSR/WI/O写入数据AStWRtDWtDHtRAM写操作时序图 6.1.2 RAM的存储单元v 存储单元是存储器的核心部分。按工作方式不同可分为静态和动态两类，按所用元件类型又可分为双极型和MOS型两种，因此存储单元电路形式多种多样。1、六管N
7、MOS静态存储单元 由六只NMOS管（T1T6）组成。T1与T2构成一个反相器，T3与T4构成另一个反相器，两个反相器的输入与输出交叉连接，构成基本触发器，作为数据存储单元。TTTTTTTTXY存储单元位线B位线BDD数据线VV12345678DDGij六管NMOS静态存储单元 2、双极型晶体管存储单元+VRRTTCC12位线B位线B字线X双极型晶体管存储单元3四管动态MOS存储单元BX位线BCBC位线BDDTTTTTTCC预充脉冲VDD123412Y2G.1G.四管动态MOS存储单元 6.1.3 RAM的容量扩展1位扩展用8片1024（1K）1位RAM构成的10248位RAM系统 10241
8、RAMA AAR/W CS01.I/OI/O.10241RAMA AAR/W CS01.I/OI/O10241RAMA AAR/W CS019.I/OI/O.AA01R/WCS017999A2、字扩展用8片1K8位RAM构成的8K8位RAM。10248RAMA AA R/WCS01.A AR/W.A1CS010248RAMR/WAA10248RAMA01CS.9.AAA01R/W99974138012345671G G2G2BAYYYYYYYYABCAAA.111012+5VI/O I/O.I/O017I/O I/O.I/O017I/O I/O.I/O017.I/O7I/O10I/O6.1.4
9、 RAM的芯片简介1.芯片引脚排列图1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GND2.芯片工作方式和控制信号之间的关系静态RAM6116工作方式与控制信号之间的关系 6.2 只读存储器(ROM)6.2.2 ROMROM的结构及工作原理的结构及工作原理6.2.3 ROMROM的应用的应用6.2.4 常用的常用的EPROM EPROM 举例举例276427646.2.1 ROM ROM的分类的分类6.2.5 ROMROM容量的扩展容量的扩展 6.2.1 RO
10、M的分类（2）一次性可编程）一次性可编程ROM（PROM）。）。（1）固定）固定ROM 也称掩膜ROM，这种ROM在制造时，厂家利用利用掩膜技术直接把数据写入存储器中。ROM制成后，其存储的数据也就固定不变了，用户对这类芯片无法进行任何修改。PROM在出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要 利用编程器将某些单元改写为0 0（或1 1）。PROM一旦进行了编程，就不能再修改了。（3）光可擦除可编程）光可擦除可编程ROM（EPROM）EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管信息的存储是通过MOS管浮栅上的电荷分布来决定的，编程过程就是一个电
11、荷注入过程。（4）电可擦除可编程）电可擦除可编程ROM（E2PROM）E2PROM也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS管隧道MOS管也是利用浮栅是否存有电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是用电擦除的，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。（5）快闪存储器（）快闪存储器（Flash Memory）快闪存储器的存储单元也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，需要输入一个较高的电压，因此要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为200微秒，一般一只芯片可以擦除/写入100次以上。6.2.2 ROM的结构
12、及工作原理1.ROM的内部结构0单元1单元i单元单元2 1nWWWWD DD01in2 101b1位线存储单元存储单元.字线输出数据输1AA器.地入址译0n1地码址A.2.ROM的基本工作原理二极管ROM电路 A1011A11.ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线WWWW0123字线.与门阵列（译码器）（编码器）门阵列或ENVCC输出信号表达式功能说明 从存储器角度看，A1A0是地址码，D3D2D1D0是数据。表6.21说明：在00地址中存放的数据是0101；01地址中存放的数据是1010，10地址中存放的是0111，11地址中存放的是1110。从函数发生器角度看，
13、A1、A0是两个输入变量，D3、D2、D1、D0是4个输出函数。表6.21说明：当变量A1、A0取值为00时，函数D30、D21、D10、D01；当变量A1、A0取值为01时，函数D31、D20、D11、D00 从译码编码角度看，与门阵列先对输入的二进制代码A1A0进行译码，得到4个输出信号W0、W1、W2、W3，再由或门阵列对W0W3 4个信号进行编码。表6.21说明：W0的编码是0101；W1的编码是1010；W2的编码是0111；W3的编码是1110。6.2.3 ROM的应用1.作函数运算表电路【例6.2.1】试用ROM构成能实现函数y=x2的运算表电路，x的取值范围为015的正整数。【
14、解】（1）分析要求、设定变量自变量x的取值范围为015的正整数，对应的4位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据y=x2的运算关系，可求出y的最大值是152225，可以用8位二进制数 Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。（2）列真值表函数运算表（3）写标准与或与或表达式Y7=m12+m13+m14+m15Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y3=m3+m5+m11+m13Y2=m2+m6+m10+m14Y1=0Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15（4）画R
15、OM存储矩阵节点连接图 BBBBWWWWWWWWWWWWWWWWYYYYYYYY00011122233344556677891011121314151111(阵 列储 门矩 阵存 或(器 列(地译 门码 阵(址 与0(m)(m)1(m )15【例6.2.2】试用ROM实现下列函数：2.选用164位ROM，画存储矩阵连线图 Y012344567891011121314151111存 或储 门矩 阵阵 列址 与译 门码 阵器 列地ABCDmmmmmmmmmmmmmmmm1Y2YY3(例6.2.2 ROM存储矩阵连线图 6.2.4 常用的EPROM 举例2764AAAAAAAAAAA01234567
16、8910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410VPP127PGM(PGM)VCCVIH20CSOECSOE221112131415161718地址输入数据据输出标准28脚双列直插EPROM 2764逻辑符号 VVppccCEPGMAADD12007地2764AA120DD7CE0PGMVppccV引脚功能地址输入芯片使能编程脉冲电压输入数 据Intel 2764 EPROM 的外形和引脚信号 6.2.5 ROM6.2.5 ROM容量的扩展容量的扩展（1）字长的扩展。.AAOO OCSOE00127.AAOO OCSOE00127CSOEA0A1270DD815DD13131388地址总线数据总线8kB88kB827642764UU12 16k16位EPROM的连线图（2）字数扩展。.AAOO OCSOE00127OE0AA12DD70O.0.120A7OOEACSOO.0.120A7OOEACSO.AAYYGG00A12G17.Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址总线数据总线8片2764扩展成64k8位EPROM
