第7章半导体存储器wax-11-97页PPT文档课件.ppt
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1、第第7章章 半导体存储器半导体存储器 半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。主要储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。主要用于计算机的存储器。用于计算机的存储器。第第7章章 半导体存储器半导体存储器 7.1 概述概述7.2 只读存储器只读存储器7.3 随机存取存储器随机存取存储器 7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.1 概概 述述 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类(1) 按按制造工艺制造工艺不同不同:可把存储器分成可把存储器分成TTLTTL型型和和MOSMOS型型存储器两大类。存储器两大
2、类。 TTL型型速度快速度快,常用作计算机的高速缓冲存,常用作计算机的高速缓冲存储器。储器。 MOS型具有型具有工艺简单、集成度高、功耗低、工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等成本低等特点,常用作计算机的大容量内存特点,常用作计算机的大容量内存储器。储器。7.1 概述概述 (2) 按按存储信号存储信号的原理不同的原理不同:分为静态存储器和动态存储器两种。分为静态存储器和动态存储器两种。静态存储器是以触发器为基本单元来存储静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和和1的,的,在不失电的情况下,触发器状态不会改变;在不失电的情况下,触发器状态不会改变;动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信动态
3、存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失,因此要求定时对号的。电容漏电会导致信息丢失,因此要求定时对电容进行充电或放电。电容进行充电或放电。 称为刷新。称为刷新。7.1 概概 述述(3) 从存、取功能上可以分为只读存储器(从存、取功能上可以分为只读存储器(ROM)和随机存储器(和随机存储器(RAM)两大类。)两大类。 只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数据,只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数据,不能快速地随时修改或重新写入数据。不能快速地随时修改或重新写入数据。 随机存储器在正常工作状态下就可以随时快速地向随机存储器在正常工作状态下就可以随时快速地向存储器
4、里写入数据或从中读出数据。存储器里写入数据或从中读出数据。7.1 概概 述述 半导体存储器的技术指标半导体存储器的技术指标 存取容量存取容量:表示存储器存放二进制信息的多少。:表示存储器存放二进制信息的多少。二值信息以字的形式出现。一个字包含若干位。二值信息以字的形式出现。一个字包含若干位。一个字的位数称做字长。一个字的位数称做字长。 存储容量的表示:存储单元个数的总和,字数乘以存储容量的表示:存储单元个数的总和,字数乘以位数。位数。 选中哪些存储单元,由地址译码器的输出来决定。选中哪些存储单元,由地址译码器的输出来决定。即由地址码来决定。地址码的位数即由地址码来决定。地址码的位数n与字数之间
5、存在与字数之间存在2n=字数的关系。如果某存储器有字数的关系。如果某存储器有10个地址输入端,个地址输入端,那它就能存储那它就能存储210=1024个字。个字。 存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做字长字长。例如,。例如,16位构成一个字,该字的字长为位构成一个字,该字的字长为16位。一个存储位。一个存储单元只能存放一位二值代码,要存储字长为单元只能存放一位二值代码,要存储字长为16的一个字,就需的一个字,就需要要16个存储单元。若存储器能够存储个存储单元。若存储器能够存储1024个字,就得有个字,就得有102416个存储
6、单元。通常个存储单元。通常,存储容量应表示为字数乘以位数。存储容量应表示为字数乘以位数。 例如,某存储器能存储例如,某存储器能存储1024个字个字 ,每个字,每个字4位,那它的存储容位,那它的存储容量就为量就为10244=4096,即该存储器有,即该存储器有4096个存储单元。个存储单元。 存储器写入(存)或者读出(取)时,每次只能写入或读出一存储器写入(存)或者读出(取)时,每次只能写入或读出一个字。若字长为个字。若字长为8位,每次必须选中位,每次必须选中8个存储单元。选中哪些存个存储单元。选中哪些存储单元,由地址译码器的输出来决定。即由地址码来决定。储单元,由地址译码器的输出来决定。即由地
7、址码来决定。 地址码的位数地址码的位数n与字数之间存在与字数之间存在2n = 字数的关系。如果某存储器字数的关系。如果某存储器有十个地址输入端,那它就能存有十个地址输入端,那它就能存210=1024个字。个字。7.1 概概 述述 半导体存储器的技术指标半导体存储器的技术指标 存取周期存取周期:存储器的性能取决于存储器的存取速率。:存储器的性能取决于存储器的存取速率。存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征。存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征。把连续两次读(写)操作间隔的最短时间称为存取把连续两次读(写)操作间隔的最短时间称为存取周期。周期。7.1 概概 述述 3 常用存储器型号:常用
8、存储器型号:SRAM: 2114(1K*4), 6264(8K*8)DRAM: 2164(64K*1)EPROM: 2716(2K*8), 2732(4K*8), 27128(16K*8), 27256(32K*8)EEPROM: 2816A(2K*8), 28C64(8K*8)7.2 只读存储器(ROM) ROM:是存储固定信息的存储器,使用时只:是存储固定信息的存储器,使用时只能读出所存的信息而不能写入数据。能读出所存的信息而不能写入数据。 通常用其存放固定的数据和程序,如计算机系通常用其存放固定的数据和程序,如计算机系统的引导程序、监控程序、用户控制程序、固统的引导程序、监控程序、用户控
9、制程序、固化数据。化数据。 只读存储器为非易失性存储器只读存储器为非易失性存储器(nonvolatile memory),去掉电源,所存信息不会丢失。,去掉电源,所存信息不会丢失。7.2 只读存储器只读存储器 ROM可分为可分为: 掩膜只读存储器(掩膜只读存储器(Mask Read Only Memory, MROM) 可编程只读存储器可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory,PROM) 紫外线可擦除可编程只读存储器紫外线可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM), 电擦除可编程只读存储
10、器(电擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM),), Flash存储器存储器(也称快闪存储器也称快闪存储器)。7.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器 掩模只读存储器是采用掩模工艺制作的,其中掩模只读存储器是采用掩模工艺制作的,其中的存储内容是已经由制造商按照用户的要求进的存储内容是已经由制造商按照用户的要求进行了专门设计。因此,掩模行了专门设计。因此,掩模ROM在出厂时内部在出厂时内部存储的数据就已经固化好了。掩模存储的数据就已经固化好了。掩模ROM的存储的存储数据可永久保存,在批量生产时成本最
11、低。适数据可永久保存,在批量生产时成本最低。适用于存放固定不变的程序或数据。用于存放固定不变的程序或数据。1 1、固定固定ROM(掩掩模模ROM):在采用掩模工艺制作在采用掩模工艺制作ROM时,其中存储的数据是由时,其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模版决定的。这种掩模版是按制作过程中使用的掩模版决定的。这种掩模版是按照用户的要求而专门设计的。因此,掩模照用户的要求而专门设计的。因此,掩模ROM在出在出厂时内部存储的数据就已经厂时内部存储的数据就已经“固化固化”在里边了。在里边了。掩模掩模ROM的存储数据可永久保存,适用于存放固定的存储数据可永久保存,适用于存放固定不变的程序或数据。不变的程
12、序或数据。适合于大批量生产使用,性价比高。适合于大批量生产使用,性价比高。 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器图图7-1 ROM结构图结构图掩模掩模ROM由地址译码由地址译码器、存储矩阵、输出器、存储矩阵、输出和控制电路组成,如和控制电路组成,如图图7-1所示。所示。当地址译码器选中某一个字当地址译码器选中某一个字线后,该字线的若干位同时线后,该字线的若干位同时读出。读出。2124096字字XN位(位(N=8、16、32) 12位地址位地址:输出缓冲输出缓冲VCCA1A0D1D3D2D0VCC例:固定例:固定ROM地地址址译译码码器器NE 0W1W2W3W存存储储单单元元字线字线分析已存
13、入数据的固分析已存入数据的固定定ROM电路。(二极电路。(二极管作存储单元)管作存储单元) 地址译码器地址译码器010AAW011AAW012AAW013AAW 存储单元存储单元0101133AAAAWWD0101010232AAAAAAWWWD0101011231AAAAAAWWWD0101020AAAAWWD 地址译码器是一个地址译码器是一个与门与门阵列阵列,每一个字线对应一个,每一个字线对应一个最小项,且是全部最小项。最小项,且是全部最小项。 存储单元是一个存储单元是一个或门阵列或门阵列,每一个位线,每一个位线是将所对应的与项相加,是最小项之和。是将所对应的与项相加,是最小项之和。位位线
14、线地地址址译译码码器器存存储储单单元元0W1W2W3W 地址译码器(字线)(字线)和存储矩阵(位线)(位线)之间的关系。0101020AAAAWWD0101011231AAAAAAWWWD0101010232AAAAAAWWWD0101133AAAAWWDA1A0D3D2D1D00001010110101001111111100 01 10 01 11 10 01 10 00 01 11 11 11 11 11 10 00 00 01 11 1字线字线W W和位线和位线D D的每个交叉点都是的每个交叉点都是一个存储单元。交叉点接二极管一个存储单元。交叉点接二极管时相当于存时相当于存1 1,没有
15、接二极管相当,没有接二极管相当于存于存0 0。交叉点的数目就是存储单。交叉点的数目就是存储单元数。元数。存储容量字数存储容量字数X位数位数4X4交叉点还可以接三极管、交叉点还可以接三极管、MOSMOS管等。管等。只有只有W W0 0为为1 1其余字线其余字线为为0 00 01 11 10有有0 0为为0 0,全,全1 1为为1 1。有有1 1为为1 1,全,全0 0为为0 0。输出缓冲输出缓冲VCCA1A0D1D3D2D0图图7-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM输出电路输出电路图图7-4 327-4 32字字8 8位熔断丝结构位熔断丝结构PROMPROM这种电路存储内这种电路存储内容全
16、部为容全部为0。如果想。如果想使某单元改写为使某单元改写为1,需要使熔丝通过大需要使熔丝通过大电流,使它烧断。电流,使它烧断。一经烧断,再不能一经烧断,再不能恢复。恢复。可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM) 1A0A1A0 A0W1W2W3W0D1D2D3D简化简化 ROM通用阵列图表示法:将字线和位线画成相互垂直将字线和位线画成相互垂直的一个阵列,字线和位线的的一个阵列,字线和位线的每一个交叉点对应一个存储每一个交叉点对应一个存储单元,在交叉点上画一个单元,在交叉点上画一个“点点”,表示该单元存,表示该单元存“1”1”,否则表示该单元存否则表示该单元存“0”0”。1A0A1A0 A0
17、W1W2W3W ROM框图地址码地址码字线字线位线位线与与阵列是输入阵列是输入变量的全部最变量的全部最小项。不可编小项。不可编程程。与项相与项相加,可加,可编程编程A1A0D3D2D1D00001010110101001111111100D1D2D3D例:用二极管作存储单元的固定ROM组合电路组合电路x1x2xnF1F2Fm组合逻辑电路框图组合逻辑电路框图输入输入逻辑逻辑变量变量输出输出逻辑逻辑函数函数ROM的结构 ROM应用可用ROM电路实现代码转换、函数运算、字符发生等函数。NXMROM应用举例应用举例:用用ROMROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数例:用例:用ROMROM实现一位全加器
18、实现一位全加器全加器真值表:全加器真值表:ABC iSCO0000010100111001011101110110100100010111最小项之和表达式最小项之和表达式S =m(1、2、4、7)C0 =m(3、5、6、7)画点阵图:AABBiCiCSOC0 1 2 3 4 5 6 7AB00 01 11 1001AB00 01 11 1001AB00 01 11 1001例:用例:用ROMROM实现多输出函数实现多输出函数BCACBCAF1CBAACF2BCAF3解:写出最小项之和表达式1 11 11 11 1 1 11 11 11 11 11 11 11 1mF),6430(1mF),75
19、0(2mF),76543(3ABCABC1F2F3F0 1 2 3 4 5 6 7CCC图图7-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM输出电路输出电路 图图7-2是一个是一个44位的位的NMOS掩模掩模ROM。 地址译码器:有两根地址输入线地址译码器:有两根地址输入线A1和和A0,共有共有4个地址信号,每个地址信号,每个地址存放一个个地址存放一个4位二进制信息;位二进制信息; 译码器输出线:译码器输出线:W0、W1、W2、W3称为字线,由输入的地址代称为字线,由输入的地址代码码A1A0确定选中哪条字线。被选中的数据经过输出缓冲器输出。确定选中哪条字线。被选中的数据经过输出缓冲器输出。 存储矩
20、阵:是存储矩阵:是NMOS管的或门阵列。一个字有管的或门阵列。一个字有4位信息,故有四位信息,故有四条数据线条数据线D0、D1、D2、D3 输出又称为位线,它是字输出又称为位线,它是字位结构。存储矩阵实际上是一个编码位结构。存储矩阵实际上是一个编码器,工作时编码内容不变。位线经过反相后输出,即为器,工作时编码内容不变。位线经过反相后输出,即为ROM的的输出端输出端D0、D1、D2、D3。 每根字线和位线的交叉处是一个存储单元,共有每根字线和位线的交叉处是一个存储单元,共有16个单元。个单元。交叉处有交叉处有NMOS管的存储单元存储管的存储单元存储“1”,无,无NMOS管的存储管的存储单元存储单
21、元存储“0”。 例如,当地址例如,当地址A1A0=00时,则时,则W0=1(W1、W2、W3均为均为0),),此时选中此时选中0号地址使第一行的两个号地址使第一行的两个NMOS管导通,管导通,D2=0, D0=0, D3=D1=1,经 输 出 电 路 反 相 后 , 输 出经 输 出 电 路 反 相 后 , 输 出D3D2D1D0=0101。因此,选中。因此,选中一个地址,该行的存储内容输一个地址,该行的存储内容输出。四个地址存储的内容如表出。四个地址存储的内容如表所示。所示。1100D01011D20101D10101D3内内 容容0 00 11 01 1A1 A0地地 址址 ROM中的信息
22、表中的信息表 掩模掩模ROM的编程是设计者根据要求确定存储内容,设计出存的编程是设计者根据要求确定存储内容,设计出存储矩阵,即哪些交叉点(存储单元)的信息为储矩阵,即哪些交叉点(存储单元)的信息为1,哪些为,哪些为0。为。为1的制造管子,为的制造管子,为0的不需制造管子,画出存储矩阵编码图。通的不需制造管子,画出存储矩阵编码图。通常,存储矩阵中有管子处,用常,存储矩阵中有管子处,用“码点码点”表示,由生产厂制作。表示,由生产厂制作。图图7-2的存储矩阵简化编码图如图的存储矩阵简化编码图如图7-3所示。所示。 位线与字线之间逻辑关位线与字线之间逻辑关系为:系为: D0=W0+W 1+W 3 D1
23、=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3图图7-3 图图7-2中中ROM的点阵图的点阵图 存储矩阵的输出和输入是或的关系,这种存储矩阵是或存储矩阵的输出和输入是或的关系,这种存储矩阵是或矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关系,因此矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关系,因此ROM是一个多输入变量(地址)和多输出变量(数据)是一个多输入变量(地址)和多输出变量(数据)的与或逻辑阵列。的与或逻辑阵列。 7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM) PROM和和ROM的区别在于的区别在于ROM由厂家编程,由厂家编程,PROM由用户编由用户编程。出厂时程。出厂时PROM的内容
24、全是的内容全是0或全是或全是1,使用时,用户可以根,使用时,用户可以根据需要编好代码,写入据需要编好代码,写入PROM中。中。由一只三极管和串在发射极的快速熔断丝组成。熔丝用很细的由一只三极管和串在发射极的快速熔断丝组成。熔丝用很细的低熔点合金丝或多晶硅导线制成。低熔点合金丝或多晶硅导线制成。由于熔丝烧断后不可恢复,故只能写入一次。由于熔丝烧断后不可恢复,故只能写入一次。PROM是由用是由用户用专用的写入器将信息写入。户用专用的写入器将信息写入。适合于小批量试产使用,有保密位,可以加密。价格较高。适合于小批量试产使用,有保密位,可以加密。价格较高。图图7-4 327-4 32字字8 8位熔断丝
25、结构位熔断丝结构PROMPROM这种电路存储内这种电路存储内容全部为容全部为0。如果想。如果想使某单元改写为使某单元改写为1,需要使熔丝通过大需要使熔丝通过大电流,使它烧断。电流,使它烧断。一经烧断,再不能一经烧断,再不能恢复。恢复。可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM) 图图7-4为一种为一种PROM的结构图,存储矩阵的存储单元由双极型的结构图,存储矩阵的存储单元由双极型三极管和熔断丝组成。存储容量为三极管和熔断丝组成。存储容量为328位,存储矩阵是位,存储矩阵是32行行8列,出厂时每个发射极的熔断丝都是连通的。列,出厂时每个发射极的熔断丝都是连通的。 地址译码器输出线为高电平有效,地
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