《半导体存储器》课件.ppt

1、7.1 7.1 概述概述 半导体存储器是一种能半导体存储器是一种能存储存储大量大量二值二值数字信息的大规数字信息的大规模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。部分。半导体存储器半导体存储器ROMROMEPROMEPROM快闪存储器快闪存储器PROMPROME E2 2PROMPROM固定固定ROMROM（又称掩膜（又称掩膜ROMROM）可编程可编程ROMROMRAMRAMSRAMSRAMDRAMDRAM按存取方式来分：按存取方式来分：按制造工艺来分：按制造工艺来分：半导体存储器半导体存储器双极型双极型MOSMOS型型对存储器的对

2、存储器的操作操作通常分为两类：通常分为两类：写写即把信息存入存储器的过程。即把信息存入存储器的过程。读读即从存储器中取出信息的过程。即从存储器中取出信息的过程。两个重要技术指标：两个重要技术指标：存储容量存储容量存储器能存放二值信息的多少。单位是存储器能存放二值信息的多少。单位是位位或或比特比特（bitbit）。）。1K=21K=21010=1024=1024，1M=21M=21010K=2K=22020。存储时间存储时间存储器读出（或写入）数据的时间。一般用存储器读出（或写入）数据的时间。一般用读（或写）周期来表示。读（或写）周期来表示。101存储器的写操作：存储器的写操作：地址寄存器地址寄

3、存器地地址址译译码码器器01234567数据寄存器数据寄存器10010001按字节组织的存储器阵列按字节组织的存储器阵列地址总线地址总线数据总线数据总线存储器的读操作：存储器的读操作：011地址寄存器地址寄存器地地址址译译码码器器01234567数据寄存器数据寄存器11001101按字节组织的存储器阵列按字节组织的存储器阵列地址总线地址总线数据总线数据总线1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 0 00000011111111000111111110100001111117.2.1 掩膜只读存储器掩膜只读存储器存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性

4、。存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性。特点：特点：只能读出，不能写入；只能读出，不能写入；1.ROM1.ROM的基本结构的基本结构 ROM ROM主要由主要由地址译码器地址译码器、存储矩阵存储矩阵和和输出缓冲器输出缓冲器三部三部分组成，其基本结构如图所示。分组成，其基本结构如图所示。7.2 7.2 只读存储器只读存储器ROM的基本结构的基本结构 字字线线位位线线 存储单元可以由二极管、双极型三极管或者MOS管构成。每个存储单元可存储1位二值信息（“0”或“1”）。按“字”存放、读取数据，每个“字”由若干个存储单元组成，即包含若干“位”。字的位数称为“字长”。每当给定一组输入地址时，译码器

5、选中某一条输出字线Wi，该字线对应存储矩阵中的某个“字”，并将该字中的m位信息通过位线送至输出缓冲器进行输出。存储器的容量字数位数2nm位2.2.二极管二极管ROMROM由二极管与门和或门构成。由二极管与门和或门构成。与门阵列组成译码器，或与门阵列组成译码器，或门阵列构成存储阵列。门阵列构成存储阵列。二极管二极管 ROM的结构图的结构图010100011011与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 100WWD311WWD3202WWWD313WWD110WA A210WA A310WA A 地址

6、译码器 END3 D2 D1 D0 W0 W1 W2 W3 A1 A0 3.MOS3.MOS管管ROMROM 地址译码器 D3 D2 D1 D0 W0 W1 W2 W3 A1 A0 存储矩阵 ROMROM的点阵图的点阵图“1”“0”1.1.固定固定ROMROM（掩模掩模ROM ROM）厂家把数据厂家把数据“固化固化”在存储器中，用户无法进在存储器中，用户无法进行任何修改。使用时，只能读出，不能写入。行任何修改。使用时，只能读出，不能写入。7.2.2 可编程的只读存储器（可编程的只读存储器（PROM）ROMROM的编程是指将信息存入的编程是指将信息存入ROMROM的过程。的过程。用户对用户对PR

7、OM编程是编程是逐字逐位逐字逐位进行的。进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写了。内容改写了。7.2.3 可擦除的可擦除的可编程只读存储器（可编程只读存储器（EPROM）一、一、EPROM（UVEPROM）又称紫外线擦除可编程又称紫外线擦除可编程ROM。EPROM可以根据可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写

8、。若要擦去所写入的内容，息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射照射20分钟左右，使全部存储单元恢复分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重，以便用户重新编写。新编写。常用的常用的EPROM2716、2732、27512，即标号为，即标号为27的芯片都是的芯片都是EPROM。实训中使用的。实训中使用的2764就属于这一类型。就属于这一类型。二、二、E2PROM三、快闪存储器（三、快闪存储器（Flash Memory）闪存是一种高密度的读闪存是一种高密度的读/写型存储器（高密度表写型存储器（高密度表示更大

9、的存储容量），也是非易失性的存储器，这意示更大的存储容量），也是非易失性的存储器，这意味着数据可以在没有电源供电的情况下保存。存储器味着数据可以在没有电源供电的情况下保存。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，一般一只芯片可以擦除相同，一般一只芯片可以擦除/写入写入100万次万次以上。以上。闪存是一种理想的存储器，它具有存储容量大、闪存是一种理想的存储器，它具有存储容量大、非易失性、在系统读写、操作快速以及造价低廉等特非易失性、在系统读写、操作快速以及造价低廉等特点。点。断电后存储的数据随之消失，具有断电后存储的数据随

10、之消失，具有易失性。易失性。特点：特点：可随时读出，也可随时写入数据；可随时读出，也可随时写入数据；根据存储单元的工作原理不同，根据存储单元的工作原理不同，RAMRAM分为静态分为静态RAMRAM和动态和动态RAMRAM。静态静态RAM:RAM:优点优点:数据由触发器记忆数据由触发器记忆,只要不断电只要不断电,数据就能永久保存。数据就能永久保存。缺点缺点:存储单元所用的管子数目多存储单元所用的管子数目多,功耗大功耗大,集成度受到限制。集成度受到限制。动态动态RAM:RAM:优点优点:存储单元所用的管子数目少存储单元所用的管子数目少,功耗小功耗小,集成度高。集成度高。缺点缺点:为避免存储数据的丢

11、失为避免存储数据的丢失,必须定期刷新。必须定期刷新。7.3 7.3 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）存储器容量：存储器容量：（字数）（字数）（位数）（位数）存储器单元选择：存储器单元选择：译码器25=32A0A1A2A3A4译码器A5 A6 A723=8111110 0 0 字线字线 位线位线31，0CSWCSCSCSRWR/CSCSR/=1，执行读操作，将存储单元中的数据送到输出端；，执行读操作，将存储单元中的数据送到输出端；WR/=0，执行写操作，将，执行写操作，将I/O端数据写入存储单元中。端数据写入存储单元中。WCSCSWWDRAMRAM的结构示意图的结构示意图SRAMSRAM主

12、要由存储矩阵、地址译码器和读主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成写控制电路三部分组成.CSCS称为片选信号。称为片选信号。CS=0CS=0时，时，RAMRAM工作；工作；CS=1CS=1时，所有时，所有I/OI/O端均为端均为高阻状态，不能对高阻状态，不能对RAMRAM进行进行读读/写操作。写操作。R/WR/W称为读称为读/写控制信号。写控制信号。R/W=1R/W=1时，执行读操作；时，执行读操作；R/W=0R/W=0时，执行写操作。时，执行写操作。存储容量字数存储容量字数位数位数 2 2n nm m位位1024字字4位（位（2114）1.静态存储单元（静态存储单元（SRAM）

13、SRAMSRAM是利用是利用双稳态触发器双稳态触发器来保存信息的，只要不断电，信息是不会来保存信息的，只要不断电，信息是不会丢失的，所以谓之静态；丢失的，所以谓之静态；DRAMDRAM利用利用MOSMOS（金属氧化物半导体）电容（金属氧化物半导体）电容存储电荷来储存信息，电存储电荷来储存信息，电容是会漏电的，所以必须通过不停的给电容充电来维持信息，这个充电容是会漏电的，所以必须通过不停的给电容充电来维持信息，这个充电的过程叫再生或刷新（的过程叫再生或刷新（REFRESHREFRESH）。由于电容的充放电是需要相对较长）。由于电容的充放电是需要相对较长的时间的，的时间的，DRAMDRAM的速度要

14、慢于的速度要慢于SRAMSRAM。但。但SRAMSRAM免刷新的优点需要较复杂的免刷新的优点需要较复杂的电路支持，如一个典型的电路支持，如一个典型的SRAMSRAM的存储单元需要六个晶体管（三极管）构的存储单元需要六个晶体管（三极管）构成，而成，而DRAMDRAM的一个存储单元最初需要三个晶体管和一个电容，后来经过的一个存储单元最初需要三个晶体管和一个电容，后来经过改进，就只需要一个晶体管和一个电容了。由此可见，改进，就只需要一个晶体管和一个电容了。由此可见，DRAMDRAM的成本、集的成本、集成度、功耗等明显优于成度、功耗等明显优于SRAMSRAM。2.动态存储单元（动态存储单元（DRAM）

15、7.4 7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.4.1 7.4.1 位扩展方式位扩展方式位扩展可以用多片芯片位扩展可以用多片芯片并联并联的方式来实现。的方式来实现。各地址线、读各地址线、读/写线、片选信号对应并联，写线、片选信号对应并联，各芯片的各芯片的I/OI/O口作为整个口作为整个RAMRAM输入输入/出数据端的一位。出数据端的一位。增加增加I/O端口个数端口个数一片存储容量总存储容量N11024810242.2.字扩展方式字扩展方式增加增加地址端个数地址端个数一片存储容量总存储容量N例：用例：用2562568 8 位的位的RAMRAM扩展为扩展为102410248 8 位位RAMRA

16、M。分析：分析：N=4N=42562562 28 8，每片有，每片有8 8条地址线；条地址线；102410242 21010，需要，需要1010条地址线；条地址线；所以，需要增加所以，需要增加2 2条高位地址线来控制条高位地址线来控制4 4片分别工作，即需要一个片分别工作，即需要一个2-42-4线译码器。线译码器。字扩展可以利用字扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选外加译码器控制芯片的片选(CS)(CS)输入端输入端来实现。来实现。各片各片RAMRAM对应的数据线、读对应的数据线、读/写线对应并联；写线对应并联；低位地址线也并联接起来；低位地址线也并联接起来；要增加的高位地址线，通过译码器译码

17、，将其输出分别接至要增加的高位地址线，通过译码器译码，将其输出分别接至各片的片选控制端。各片的片选控制端。用用2562568 8 位的位的RAMRAM扩展为扩展为102410248 8 位位RAMRAM的系统框图的系统框图各片各片RAMRAM电路的地址分配电路的地址分配7.5 7.5 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数)13,12,11,10,9,5,4,3,1,0()15,14,12,9,7,1()15,14,13,12,11,10,7,6()13,8,4,1(4321mYmYmYmY逻辑表达式逻辑表达式真值表或最真值表或最小项表达式小项表达式CBADBCBCAYDCBBCDD

18、ABYBCACABYCBAY4321按A、B、C、D排列变量，并将Y1、Y2、Y3、Y4扩展成为4变量的逻辑函数。m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15与门阵列(地址译码器)或门阵列(存储矩阵)Y1 Y2 Y3 Y4A A B B C C D D选选择择ROM，画画阵阵列列图图用用ROMROM实现函数运算实现函数运算【例】用【例】用ROM构成能实现函数构成能实现函数yx2的运算表电路。的运算表电路。分析：分析：设设x的取值范围为的取值范围为015的正整数，则对应的的正整数，则对应的是是4位二进制正整数，用位二进制正整数，用BB3B2B1B0表示。根据表示。

19、根据yx2可算出可算出y的最大值是的最大值是152225，可以用，可以用8位二进制数位二进制数YY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。由此可列出表示。由此可列出YB2即即yx2的真值表。的真值表。输 入输 出注B3 B2 B1 B0Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0十进制数0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 0

20、0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 10 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 10149162536496481100121144169196225真真值值表表逻逻辑辑表表达达式式)15,13,11,9,7,5,3,1(0)14,10,6,2()13,11,5,3()12,11,9,7,5,4()15,13,11,10,7,6()15,14,11,10,9,8()15,14,13,12(01234567mYYmYmYmYmYmYmYm0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15与门阵列(地址译码器)或门阵列(存储矩阵)Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0B3 B3 B2 B2 B1 B1 B0 B0阵列图阵列图