1、第九章第九章 半導體存儲器半導體存儲器9.1 存儲器概述存儲器概述存儲器：專用于存放大量二進制數碼的器件存儲器：專用于存放大量二進制數碼的器件按材料分類按材料分類 1) 1) 磁介質類磁介質類軟磁盤、硬盤、磁帶、軟磁盤、硬盤、磁帶、 2) 2) 光介質類光介質類CDCD、DVDDVD、 3) 3) 半導體介質類半導體介質類SDRAMSDRAM、EEPROMEEPROM、FLASH ROMFLASH ROM、按功能分類按功能分類 主要分主要分RAMRAM和和ROMROM兩類，不過界限逐漸模糊兩類，不過界限逐漸模糊 RAM: SDRAM, RAM: SDRAM, 磁盤，磁盤， ROM: CD, D

2、VD, FLASH ROM, EEPROMROM: CD, DVD, FLASH ROM, EEPROM1.1. 存儲器一般概念存儲器一般概念2. 存儲器分類：存儲器分類： RAM (Random Access Memory) 隨機存取存儲器隨機存取存儲器ROM (Read Only Memory) 只讀存儲器只讀存儲器隨機存取存儲器：運行狀態可以隨時進行讀或寫操作隨機存取存儲器：運行狀態可以隨時進行讀或寫操作RAM信息易失：信息易失： 芯片必須供電才能保持存儲的數據芯片必須供電才能保持存儲的數據SRAMDRAM只讀存儲器：通過特定方法寫入數據，正常工作時只能讀出只讀存儲器：通過特定方法寫入數

3、據，正常工作時只能讀出ROM信息非易失：信息一旦寫入，即使斷電也不會丟失信息非易失：信息一旦寫入，即使斷電也不會丟失ROM (工廠掩膜工廠掩膜)PROM(一次編程一次編程)EPROM(多次編程多次編程)雙極型雙極型MOS型型3. 存儲器的主要性能指標：存儲器的主要性能指標：容量：存儲單元總數（容量：存儲單元總數（bit）存取時間：表明存儲器工作速度存取時間：表明存儲器工作速度其它：材料、功耗、封裝形式等等其它：材料、功耗、封裝形式等等1Kbit=1024bit=21Kbit=1024bit=21010bitbit128Mbit=134217728bit=2128Mbit=134217728bi

4、t=22727bitbit字長：一個芯片可以同時存取的比特數字長：一個芯片可以同時存取的比特數1 1位、位、4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位等等位等等標稱：字數標稱：字數位數位數 如如4K4K8 8位位=2=212128=28=21515單元（單元（bit）讀操作和寫操作時序圖：存儲器的工作時序關系讀操作和寫操作時序圖：存儲器的工作時序關系9.1只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）（2 2）一次性可編程）一次性可編程ROMROM（PROMPROM）。出廠時，存儲內容全為）。出廠時，存儲內容全為1 1（或全為（或全為0 0），用戶可根據自己的需要編程，但只能編程），用戶可根據自

5、己的需要編程，但只能編程一次。一次。一一 ROMROM的分類的分類按照數據寫入方式特點不同，按照數據寫入方式特點不同，ROMROM可分為以下幾種：可分為以下幾種：（1 1）固定）固定ROMROM。廠家把數據寫入存儲器中，用戶無法進行。廠家把數據寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。任何修改。 （3 3）光可擦除可編程）光可擦除可編程ROMROM（EPROMEPROM）。采用浮柵技術生產）。采用浮柵技術生產的可編程存儲器。其內容可通過紫外線照射而被擦除，的可編程存儲器。其內容可通過紫外線照射而被擦除，可多次編程。可多次編程。（4）電可擦除可編程）電可擦除可編程ROM（E2PROM）。）。也是采用浮

6、也是采用浮柵技術生產的可編程柵技術生產的可編程ROM，但是構成其存儲單元的是，但是構成其存儲單元的是隧道隧道MOS管，是用電擦除管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數量級）。（一般為毫秒數量級）。E2PROM的電擦除過程就是的電擦除過程就是改寫過程，它具有改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似的非易失性，又具備類似RAM的功能，可以隨時改寫（可重復擦寫的功能，可以隨時改寫（可重復擦寫1萬次以上）。萬次以上）。（5 5）快閃存儲器（）快閃存儲器（Flash MemoryFlash Memory）。也是采用浮柵型）。也是采用浮柵型MOSMOS管，存儲器中

7、數據的擦除和寫入是分開進行的，管，存儲器中數據的擦除和寫入是分開進行的，數據寫入方式與數據寫入方式與EPROMEPROM相同，一般一只芯片可以擦除相同，一般一只芯片可以擦除/ /寫入寫入100100萬次以上。萬次以上。存儲矩陣存儲矩陣輸出電路輸出電路 地址譯碼器地址譯碼器數據輸出數據輸出地址地址輸入輸入控制信號輸入控制信號輸入( CS 、R )二、二、ROM的基本結構的基本結構ROM也由地址譯碼器、存儲矩陣和輸出電路（輸出緩沖也由地址譯碼器、存儲矩陣和輸出電路（輸出緩沖器）三部分組成器）三部分組成地址譯碼部分與地址譯碼部分與RAMRAM相同，存儲相同，存儲矩陣和輸入輸出矩陣和輸入輸出控制電路由

8、于存控制電路由于存儲機理不同而有儲機理不同而有較大區別較大區別（1）電路組成：）電路組成：. .ENDENENDDDEN.DDDD00112233輸出緩沖器位線WWW0123字線與門陣列（譯碼器）EN.1A（編碼器）.或0.1.A1.陣1CC門.1WV列.由二極管與門由二極管與門和和或門構成。或門構成。與門陣列組成與門陣列組成譯碼器，或門譯碼器，或門陣列構成存儲陣列構成存儲陣列。陣列。1、二極管固定ROM（2）輸出信號表達式）輸出信號表達式與門陣列輸出表達式：與門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD 321

9、1WWWD 3202WWWD 313WWD. .ENDENENDDDEN.DDDD00112233輸出緩沖器位線WWW0123字線與門陣列（譯碼器）EN.1A（編碼器）.或0.1.A1.陣1CC門.1WV列.（3）ROM存儲內容的真值表存儲內容的真值表與門陣列輸出表達式：與門陣列輸出表達式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 或門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：200WWD 3211WWWD 3202WWWD 313WWD 地地 址址存存 儲儲 內內 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0

10、A0A1A1A0Y0Y1Y2Y3D3D2D1D02 線線-4 線線譯譯碼碼器器熔熔絲絲連連通通代代表表 1編程前的編程前的PROM存儲存儲矩陣矩陣字線字線位線位線（1）二極管）二極管PROM的結構示意圖的結構示意圖2. 各類各類PROM的存儲單元的存儲單元A0 A1A1A0Y0Y1Y2Y3D3D2D1D 02 線線-4 線線譯譯碼碼器器熔熔絲絲斷斷開開代代表表 0編程后的編程后的PROM地地 址址A1A0D3D2D1D0內內 容容000101111000110110110101輸1AA器.地入址譯0n 1地碼址A.i單元n2 1b 1.1D.WWi0單元Dn.1位位線線.2 1輸輸出出數數據據

11、DW.001單元單元W存存儲儲單單元元字字線線1.ROM的內部結構的內部結構由地址譯碼器和存儲矩陣組成。由地址譯碼器和存儲矩陣組成。ROM的結構及工作原理由地址譯碼器由地址譯碼器和或門存儲矩陣組成。和或門存儲矩陣組成。例：存儲容量為例：存儲容量為44的的ROM0 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0D3 D2 D1 D0 存存 儲儲 內內 容容0 00 11 01 1A1 A0 地地 址址ROM真值表真值表A0AW0W3W2W11地地址址譯譯碼碼器器D32DD1110D11ROM的基本工作原理高電平高電平譯碼譯碼1.作函數運算表電路作函數運算表電路【例【例1】試用試用ROM構成

12、能實現函數構成能實現函數y=x2的運算表電路，的運算表電路，x的的取值范圍為取值范圍為015的正整數。的正整數。 【解【解】 （1）分析要求、設定變量）分析要求、設定變量 自變量自變量x的取值范圍為的取值范圍為015的正整數，對應的的正整數，對應的4位二進制位二進制正整數，用正整數，用B=B3B2B1B0表示。根據表示。根據y=x2的運算關系，可求的運算關系，可求出出 y 的 最 大 值 是的 最 大 值 是 1 52 2 2 5 ， 可 以 用， 可 以 用 8 位 二 進 制 數位 二 進 制 數Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表）列真值表ROM的應用(補充)0

13、 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 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 00 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 0 1 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 輸輸 出出01491625364964811001211441691962

14、25對應對應十進制數十進制數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 1B3 B2 B1 B0 輸輸 入入例例1真值表真值表Y7=m12+m13+m14+m15（3）寫標準與或表達式）寫標準與或表達式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)畫

15、畫ROM存儲矩陣結點連接圖存儲矩陣結點連接圖為作圖方便，我們將為作圖方便，我們將ROM矩陣中的二極管用節點表示。矩陣中的二極管用節點表示。Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15B13B12B11B10m0W0)()(11mWW23WW4W56WW78W9WW10W11W12W1314WW15或或門門陣陣列列陣陣矩矩取取存存（）址址 門門（碼碼）地地陣陣器器列列與與譯譯Y76YY5Y4Y3Y2Y10Y不可不可編程編程【解【解】 （1）寫出各函數的標準與或表達式：）寫出各函數的標準與或表達式：按按A、B、C、D順序排列變量，將順序排列變量，將Y1、Y2、Y4擴展成為四變量擴展

16、成為四變量邏輯函數。邏輯函數。【例【例2】試用試用ROM實現下列函數：實現下列函數：ABCCBACBACBAY 1CABCY 2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY 3BCDACDABDABCY 4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY實現任意組合邏輯函數（2）選用）選用164位位ROM，畫存儲矩陣連線圖：，畫存儲矩陣連線圖：與與）取取列列WWWm)1存存門門107(碼碼門門91WWW1)0m41（(01123WYYY14WYW11址址或或WW13W643W1512WW陣陣521譯譯器器）陣陣地地

17、矩矩列列（陣陣W8C CD DA AB BROM容量的擴展容量的擴展(補充補充)（1）字長的擴展（位擴展）字長的擴展（位擴展）現有型號的現有型號的EPROM，輸出多為，輸出多為8位。位。下圖是將兩片下圖是將兩片2764擴展成擴展成8k16位位EPROM的連線圖。的連線圖。. .AAOO OCSOE00127.AAOO OCSOE00127CSOEA0A1270DD815DD13131388地址總線數據總線8kB88kB827642764UU12例：例：用用8片片2764擴展成擴展成64k8位的位的EPROM：（2）字數擴展（地址碼擴展）字數擴展（地址碼擴展）. .AAOO OCSOE00127

18、OE0AA12DD70O.0.120A7OOEACSOO.0.120A7OOEACSO.AAYYGG00A12G17.Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址總線數據總線9.2 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM是由許許多多的基本寄存器組合起來構成的大規模集成電路。RAM中的每個寄存器稱為一個字，寄存器中的每一位稱為一個存儲單元。寄存器的個數（字數）與寄存器中存儲單元個數（位數）的乘積，叫做RAM的容量。按照RAM中寄存器位數的不同，RAM有多字1位和多字多位兩種結構形式。在多字1位結構中，每個寄存器都只有1位，例如一個

19、容量為10241位的RAM，就是一個有1024個1位寄存器的RAM。多字多位結構中，每個寄存器都有多位，例如一個容量為2564位的RAM，就是一個有256個4位寄存器的RAM。RAM的結構的結構RAM的結構按存儲的機理分：按存儲的機理分： 靜態靜態RAMRAM（static RAMstatic RAM）, ,簡稱簡稱SRAMSRAM。 動態動態RAMRAM（Dynamic RAMDynamic RAM）, ,簡稱簡稱DRAMDRAM。特點特點：RAM在工作時在工作時可隨時對任意指定單元進行可隨時對任意指定單元進行讀或寫讀或寫操作。使用方便、靈活。操作。使用方便、靈活。但切斷電源后，所但切斷電源

20、后，所存信息就會丟失。存信息就會丟失。靜態RAM：數據由觸發器記憶，只要不斷電，數 據就能永久保存。動態RAM：是由MOS管柵極電容的存儲效應來存儲。存儲矩陣地址譯碼器讀/寫控制電路地址碼輸入片選讀/寫控制輸入/輸出由大量寄存器構成的矩陣用以決定訪問哪個字單元用以決定芯片是否工作用以決定對被選中的單元是讀還是寫讀出及寫入數據的通道結構X0X1X2X318 根列選擇線 Y0 Y1 Y732根行選擇線容量為2564 RAM的存儲矩陣存儲單元1024個存儲單元排成32行32列的矩陣每根行選擇線選擇一行每根列選擇線選擇一個字列Y11，X21，位于X2和Y1交叉處的字單元可以進行讀出或寫入操作，而其余任

21、何字單元都不會被選中。地址的選擇通過地址譯碼器來實現。地址譯碼器由行譯碼器和列譯碼器組成。行、列譯碼器的輸出即為行、列選擇線，由它們共同確定欲選擇的地址單元。A0A1A2A3A4X0X1X2X31A5 A6 A7Y0 Y1 Y7行譯碼器列 譯 碼 器2564 RAM存儲矩陣中，256個字需要8位地址碼A7A0。其中高3位A7A5用于列譯碼輸入，低5位A4A0用于行譯碼輸入。A7A0=00100010時，Y1=1、X2=1，選中X2和Y1交叉的字單元。010001 0 09.3.3 RAM容量的擴展容量的擴展I/O10241RAM(0)A0 A1 A9 R/W CSI/O0I/O1I/O10241RAM(7)A0 A1 A9 R/W CSI/O7A0A1A9R/WCSI/O10241RAM(1)A0 A1 A9 R/W CS將地址線、讀寫線和片選線對應地并聯在一起輸入輸出（I/O）分開使用作為字的各個位線A0A1A9R/WA10A11A12I/O0I/O1I/O3I/O2I/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RAM(7)A0 A1 A9 R/W CSI/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RAM(1)A0 A1 A9 R/W CSI/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RA