1、1第七章第七章 半導體存儲器半導體存儲器2 7.1 概述概述 一、定義一、定義 存儲器存儲器用以存儲二進制信息的器件。用以存儲二進制信息的器件。或者說：或者說：存儲器是用來存儲二值數字信息的大規模集存儲器是用來存儲二值數字信息的大規模集成電路，是進一步完善數字系統功能的重要部件。成電路，是進一步完善數字系統功能的重要部件。它實際上是將大量寄存器按一定規律結合起來的整它實際上是將大量寄存器按一定規律結合起來的整體，可以被比喻為一個由許多房間組成的大旅館。體，可以被比喻為一個由許多房間組成的大旅館。每個房間有一個號碼每個房間有一個號碼 （地址碼（地址碼 ），每個房間內有），每個房間內有一 定 內

2、容 （ 一 個 二 進 制 數 碼 ， 又 稱 為 一 個一 定 內 容 （ 一 個 二 進 制 數 碼 ， 又 稱 為 一 個“字字” ” ）。）。 3二、半導體存儲器的分類：半導體存儲器的分類： 根據使用功能的不同，半導體存儲器可分為兩大類：（1）只讀存儲器（ROM）。其內容只能讀出不能寫入。 存儲的數據不會因斷電而消失，即具有非易失性。（2）隨機存取存儲器（RAM）也叫做讀/寫存儲器。既能方便地讀出所存數據，又能隨時寫入新的數據。RAM的缺點是數據易失，即一旦掉電，所存的數據全部丟失。三、主要技術指標三、主要技術指標 1.存儲器的容量：存儲器的容量=字數（N） 位數(M),即存(取)次數

3、 字長 例:256 8 表示字長為8位二進制數、8位為一個字，可存(取)256次。 2.存取時間: 連續二次讀/寫操作所間隔的最短時間.。4EPROMROMROM可擦除的可編程可編程掩模RAMRAM動態靜態5（2）一次性可編程）一次性可編程ROM（PROM）。出廠時，存儲內容全為）。出廠時，存儲內容全為1（或全（或全為為0），用戶可根據自己的需要編程，但只能編程一次。），用戶可根據自己的需要編程，但只能編程一次。 7.2只讀存儲器只讀存儲器(ROM) 一一 ROM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，ROM可分為以下幾種：可分為以下幾種：（1）掩模只讀）掩模只讀ROM

4、。廠家把數據寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。廠家把數據寫入存儲器中，用戶無法進行任何修改。（3）光可擦除可編程）光可擦除可編程ROM（EPROM）。采用浮柵技術生產的可編程）。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，可多次編程。存儲器。其內容可通過紫外線照射而被擦除，可多次編程。（5）快閃存儲器（）快閃存儲器（Flash Memory）。也是采用浮柵型）。也是采用浮柵型MOS管，存儲器管，存儲器中數據的擦除和寫入是分開進行的，數據寫入方式與中數據的擦除和寫入是分開進行的，數據寫入方式與EPROM相同，相同，一般一只芯片可以擦除一般一只芯片可以擦除/寫入寫入100次以

5、上。次以上。（4）電可擦除可編程）電可擦除可編程ROM（E2PROM）。也是采用浮柵技術生產的可）。也是采用浮柵技術生產的可編程編程ROM，但是構成其存儲單元的是隧道，但是構成其存儲單元的是隧道MOS管，是用電擦除，并管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數量級）。且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數量級）。E2PROM的電擦除的電擦除過程就是改寫過程，它具有過程就是改寫過程，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的功的功能，可以隨時改寫（可重復擦寫能，可以隨時改寫（可重復擦寫1萬次以上）。萬次以上）。6二二ROM的結構及工作原理的結構及工作原理1. ROM的

6、內部結構的內部結構由地址譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器組成。由地址譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器組成。0單元1單元i單元單元2 1nWWWWD DD01in2 101b1位線存儲單元存儲單元.字線輸出數據輸1AA器.地入址譯0n1地碼址A.下面是24點陣結構圖72. 例二極管的固定例二極管的固定ROM（1）電路組成：）電路組成：由二極管與門和由二極管與門和或門構成。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。A1011A11. .ENDENENDDDEN.DDDD00112233輸出緩沖器位線WWWW0123字線.與門陣列（譯碼器）（編碼器）門陣列

7、或ENVCC89（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：（3）ROM存儲內容的真值表存儲內容的真值表或門陣列輸出表達式：或門陣列輸出表達式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD3211WWWD3202WWWD313WWD(4) 上圖也可合并為下圖10輸出輸出電路電路存儲存儲矩陣矩陣字線字線位線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器E: 輸出輸出控制端控制端W3W0W2W111000101111100110011001001地地 址址A1A0D3D2D1D0內內 容容A1A0A1A0A1

8、A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器K: 輸出輸出控制端控制端 給出任意一個給出任意一個地址碼，譯碼器地址碼，譯碼器與之對應的字線與之對應的字線變為高電平，進變為高電平，進而從位線上便可而從位線上便可輸出四位數字量。輸出四位數字量。字線字線位線位線圖中存儲器的內容圖中存儲器的內容如左表如左表12+VCCW3W0W1W2D0D1D2D3 左圖是左圖是使用使用 MOS 管的管的ROM 矩陣：字線矩陣：字線和位線間有和位線間有 MOS 管的管的單元存儲單元存儲 “0”，無，無 MOS 管的管的單元存儲單元存儲 “1”。13三、三、 ROM的應用舉例的應用舉例1. 用于存儲固定的專

9、用程序用于存儲固定的專用程序2. 利用利用ROM可實現查表或碼制變換等功能可實現查表或碼制變換等功能 查表查表功能功能 查某個角度的三角函數查某個角度的三角函數 把變量值（角度）作為地址碼，其把變量值（角度）作為地址碼，其對應的函數值作為存放在該地址內的數對應的函數值作為存放在該地址內的數據，這稱為據，這稱為 “造表造表”。使用時，根據。使用時，根據輸入的地址輸入的地址(角度角度)，就可在輸出端得到，就可在輸出端得到所需的函數值，這就稱為所需的函數值，這就稱為“查表查表”。 碼制變換碼制變換 把欲變換的編碼作為地把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應存儲單址，把最終的目的編碼作為相應

10、存儲單元中的內容即可。元中的內容即可。143. ROM 在波形發生器中的應用在波形發生器中的應用ROMD/A計計數數器器CP計數脈沖計數脈沖送示波器送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A0100000000000111111111110000000000000000000000111111111112481296315ROMD/A計計數數器器CP計數脈沖計數脈沖送示波器送示波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963tuo0161.作函數運算表電路作函數運

11、算表電路【例【例7.21】試用試用ROM構成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的取值范的取值范圍為圍為015的正整數。的正整數。4實現組合邏輯函數實現組合邏輯函數 五、五、ROM的應用實例的應用實例【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位二進制正整數，用位二進制正整數，用B=B3B2B1B0表示。根據表示。根據y=x2的運算關系，可求出的運算關系，可求出y的最大值是的最大值是152225，可以用，可以用8位二進制數位二進制數Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。

12、（2）列真值表）列真值表函數運算表函數運算表1718Y7=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)畫畫ROM存儲矩陣結點連接圖存儲矩陣結點連接圖為做圖方便，我們將為做圖方便，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+m151920【解】【解】 （1）寫出各函數的標準與或表達式

13、：）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、 Y3、Y4擴展成為四變量邏輯函擴展成為四變量邏輯函數。數。2.實現任意組合邏輯函數實現任意組合邏輯函數【例【例7.22】試用試用ROM實現下列函數：實現下列函數：ABCCBACBACBAY1CABCY2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY3BCDACDABDABCY4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY若以地址線為輸入變量，則數據線即為一組關于地址變量的邏輯函數21（2）選用）選用164位位ROM，畫

14、存儲矩陣連線圖：，畫存儲矩陣連線圖：22 在前面介紹的兩種存儲器中，其存儲在前面介紹的兩種存儲器中，其存儲單元中的內容在出廠時已被完全固定下來，單元中的內容在出廠時已被完全固定下來，使用時不能變動，稱為使用時不能變動，稱為固定固定 ROM 。 有一種可編程序的有一種可編程序的 ROM ，在出廠時，在出廠時全部存儲全部存儲 “1”，用戶可根據需要將某些，用戶可根據需要將某些單元改寫為單元改寫為 “0”,然而只能改寫一次，然而只能改寫一次，稱其為稱其為 PROM。字線字線位位線線熔熔斷斷絲絲 若將熔絲燒斷，若將熔絲燒斷，該單元則變成該單元則變成“0”。顯然，一旦燒斷后顯然，一旦燒斷后不能再恢復。不

15、能再恢復。23 PROM 中的內容只能寫一次，有時中的內容只能寫一次，有時仍嫌不方便，于是又發展了一種可以改仍嫌不方便，于是又發展了一種可以改寫多次的寫多次的 ROM，簡稱，簡稱 EPROM。它所存。它所存儲的信息可以用紫外線或儲的信息可以用紫外線或 X 射線照射擦射線照射擦去，然后又可以重新編制信息。去，然后又可以重新編制信息。247.2.2 可編程ROM（PROM）總體結構與掩模ROM一樣，但存儲單元不同寫是一次性編程，不能改！編程時將不用的熔斷有出廠時，每個結點上都熔絲由易熔合金制成257.2.3 可擦除的可編程ROM（EPROM）總體結構與掩模ROM一樣，但存儲單元不同一、用紫外線擦除

16、的PROM（UVEPROM）26管疊柵注入MOSMOSInjuctiongateStackedSIMOS)(浮置柵控制柵:fcGG通處正常邏輯高電平下導上未充負電荷，則若導通處正常邏輯高電平下不上充以負電荷，則若工作原理：cfcfGGGG27年）光燈下分鐘（陽光下一周，熒紫外線照射空穴對，提供泄放通道生電子“擦除”：通過照射產形成注入電荷到達吸引高速電子穿過寬的正脈沖，上加同時在發生雪崩擊穿）間加高壓（“寫入”：雪崩注入33020,50,25,2520,2fcGSiOmsVG，VSD28二、電可擦除的可編程ROM（E2PROM）總體結構與掩模ROM一樣，但存儲單元不同)(管浮柵隧道氧化層采用點

17、擦除慢，操作不便的缺為克服MOSFLOTOXUVEPROM“隧道效應”電子會穿越隧道）當場強達到一定大小（厚度之間有小的隧道區，與,/cmVmSiODGf7821010229導通）下，電壓（未充電荷時，正常讀出截止）下，電壓（充電荷后，正常讀出工作原理：TVGTVGGCCf33fjCiGBmsVGW電子隧道區接的正脈沖，加充電：01020,上電荷經隧道區放電加正脈沖，接放電：fjiCGBWG,030三、快閃存儲器（Flash Memory）為提高集成度，省去T2（選通管）改用疊柵MOS管（類似SIMOS管）（隧道區）區有極小的重疊區與）更薄（與襯底間SGnmOSGfif15102的正脈沖，加接

18、），加正壓（，充電利用雪崩注入方式向工作原理：usVGVVSDGcssf101206*上電荷經隧道區放電的正脈沖加放電，利用隧道效應fsscfGnsVVGG100120,31四四EPROM舉例舉例2764AA120DD7CS0PGMVppccV引腳引腳功能功能地址輸入地址輸入芯片使能芯片使能編程脈沖編程脈沖電壓輸入電壓輸入數數 據據VVppccCSPGMAADD12007地地2764AAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410127PGM(PGM)VIH20CSOECSOE221112131516

19、171819地地址址輸輸入入數數據據據據輸輸出出VCCVPP28GND148k 存 儲 容 量327.4.存儲噐容量的擴展（以存儲噐容量的擴展（以ROM為例）為例）（1）位擴展（字長的擴展）位擴展（字長的擴展）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8kB88kB827642764UU1233用用8片片2764擴展成擴展成64k8位的位的EPROM：（2）

20、字數擴展（地址碼擴展）字數擴展（地址碼擴展）. . . . . . . . . . . . . .AAOO OCSOE00127OE0AA12DD70O. . .0. . . . . . . . . . .120A7OOEACSOO. . .0. . . . . . . . . . .120A7OOEACSO. . . . . .AAYYGG00A12G17. . . . .Y127642764276474LS138U1U2U8+5VAAA1314152A2B131313138888地址總線地址總線數據總線數據總線343.字位均擴展同時采用字擴展、位擴展的方法。35隨機存儲器隨機存儲器又稱讀寫

21、存儲器。又稱讀寫存儲器。 讀寫存儲器的特點是：在工作過程中，既讀寫存儲器的特點是：在工作過程中，既可從存儲器的任意單元讀出信息，又可以把可從存儲器的任意單元讀出信息，又可以把外界信息寫入任意單元，因此它被稱為隨機外界信息寫入任意單元，因此它被稱為隨機存儲器，簡稱存儲器，簡稱 RAM 。Random Access Memory. RAM 按功能可分為按功能可分為 靜態、動態兩類；靜態、動態兩類； RAM 按所用器件又可分為：按所用器件又可分為： 雙極型和雙極型和 MOS型兩種。型兩種。7.3 隨機存儲器隨機存儲器( RAM )36一一 RAM的基本結構的基本結構 由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制

22、器、輸入由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制器、輸入/輸出控制、輸出控制、片選控制等幾部分組成。片選控制等幾部分組成。存儲矩陣讀/寫控制器控制器地址譯碼器地址碼輸片選讀/寫控制輸入/輸出入入37 1. 存儲矩陣存儲矩陣圖中，圖中，1024個字排個字排列成列成3232的矩的矩陣。陣。為了存取方便，給為了存取方便，給它們編上號。它們編上號。3 2 行 編 號 為行 編 號 為 X0、X1、X31，3 2 列 編 號 為列 編 號 為 Y0、Y1、Y31。這樣每一個存儲單這樣每一個存儲單元都有了一個固元都有了一個固定的編號，稱為定的編號，稱為地址。地址。 382地址譯碼器地址譯碼器將寄存器將寄存器地址所

23、對應的二進制數譯地址所對應的二進制數譯成有效的行選信號和列選成有效的行選信號和列選信號，從而選中該存儲單信號，從而選中該存儲單元。元。 采用雙譯碼結構。采用雙譯碼結構。 行地址譯碼器：行地址譯碼器：5輸入輸入32輸出，輸出，輸入為輸入為A0、A1 、A4， 輸出為輸出為X0、X1、X31； 列地址譯碼器：列地址譯碼器：5輸入輸入32輸出，輸出，輸入為輸入為A5、A6 、A9，輸出為輸出為Y0、Y1、Y31， 這樣共有這樣共有10條地址線。條地址線。例如，輸入地址碼例如，輸入地址碼A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，則行選線，則行選線 X11、列選線、列選線Y01，選

24、中第，選中第X1行第行第Y0列的那個存儲單元。列的那個存儲單元。393 RAM的存儲單元的存儲單元例例. 六管六管NMOS靜態存儲單元靜態存儲單元靜態存儲單元是由靜態存儲單元是由RSRS鎖存噐附加門控管構成鎖存噐附加門控管構成之間的聯系。、和位線、的以控制鎖存噐作模擬開關使用，門控管，、位二值代碼，記憶鎖存噐，組成jj6541BBQQTT1RSTT40相通、與、導通，時，所在行被選中，jjiBBQQTTX65,1單元與緩沖器相連列第行第導通，這時時，所在列被選中，jiTTYj87,1，讀操作截止，與導通，則若時，當OIQAAAWRSC32110,，寫操作導通，與截止，則若QOIAAAWR321

25、0,41 4. 片選及輸入片選及輸入/輸出控制電路輸出控制電路當選片信號當選片信號CS1時，時，G5、G4輸出為輸出為0，三態門，三態門G1、G2、G3均處于高阻狀態，均處于高阻狀態，輸入輸入/輸出（輸出（I/O）端與存儲器內部完全隔離，存儲器禁止讀）端與存儲器內部完全隔離，存儲器禁止讀/寫操作，即不寫操作，即不工作；工作；&GGGCSR/W3451GDDI/OG2當當CS0時，時，芯片被選通：當芯片被選通：當 1時，時，G5輸出高電平，輸出高電平，G3被打開，于被打開，于是被選中的單元所存儲的數據出現在是被選中的單元所存儲的數據出現在I/O端，存儲器執行讀操作；端，存儲器執行讀操作；

26、當當 0時，時，G4輸出高電平，輸出高電平，G1、G2被打開，此時加在被打開，此時加在I/O端的數據以端的數據以互補的形式出現在內部數據線上，存儲器執行寫操作。互補的形式出現在內部數據線上，存儲器執行寫操作。42 二二. RAM的工作時序（以寫入過程為例）的工作時序（以寫入過程為例）寫入操作過程如下：寫入操作過程如下：（1）欲寫入單元的地址加到存儲器的地址輸入端；）欲寫入單元的地址加到存儲器的地址輸入端；（2）加入有效的選片信號）加入有效的選片信號CS；（3）將待寫入的數據加到數據輸入端。）將待寫入的數據加到數據輸入端。（3）在）在 線上加低電平，進入寫工作狀態；線上加低電平，進入寫工作狀態；

27、（4）讓選片信號）讓選片信號CS無效，無效，I/O端呈高阻態。端呈高阻態。tWC寫入單元的地址ADDtWPCSR/WI/O寫入數據AStWRtDWtDHt43RAM組件及其連接組件及其連接 常用常用RAM組件的類型很多，以下介紹組件的類型很多，以下介紹兩種：兩種：RAM2114和和RAM6116。 RAM2114共有共有10根地址線，根地址線，4根數據線。根數據線。故其容量為：故其容量為：1024字字4位（又稱為位（又稱為1K 4）RAM6116的容量為：的容量為：2048字字8位位 （又稱為（又稱為2K 8）44 RAM2114、2116的管腳圖的管腳圖1234567891817161514

28、13121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管腳圖管腳圖2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管腳圖管腳圖A2A711112141324A8D5D6D7RDWR45三三 RAM的容量擴展的容量擴展1. 位數的擴展位數的擴展：把各片對應的地址線連接在一起，：把各片對應的地址線連接在一起，數據線并列使用即可。接線如下圖：數據線并列使用即可。接線如下圖：D7A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2

29、D0. . . . .D6D5D4D1D3D2D0.CSR/WA0A92114 (1)2114 (2)用兩片用兩片2114 將位數由將位數由 4位擴展到位擴展到 8位位46用用8片片1024（1K）1位位RAM構成的構成的10248位位RAM系統。系統。10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O.10241RAMA AA R/WCS01.I/OI/O10241RAMA AA R/WCS019.I/OI/O.AA01R/WCS017999A472. 字數的擴展：字數的擴展： 各片各片RAM對應的數據線聯接在一起；對應的數據線聯接在一起；低位地址線也并聯接起來，而高位的地址低位地址線也

30、并聯接起來，而高位的地址線，首先通過譯碼器譯碼，然后將其輸出線，首先通過譯碼器譯碼，然后將其輸出按高低位接至各片的選片控制端。按高低位接至各片的選片控制端。 如用如用2114接成接成4096字字4位的存儲器時，位的存儲器時，需要需要4個個2114組件，共組件，共12根地址線。連接根地址線。連接時，將各片中的低位地址時，將各片中的低位地址A0-A9對應相對應相連；而高位地址連；而高位地址A10、A11經經2-4譯碼，按譯碼，按高低位控制高低位控制4片片2114的的CS端。見下圖：端。見下圖：48A11A10選中片序號選中片序號 對應的存儲單元對應的存儲單元 0 0 1 1 1 0 0 12114

31、(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000 10231024 20472048 30713072 4095 用用2114接成接成4096字字4位型存儲器時，高位位型存儲器時，高位地址和存儲單元的關系如下表：地址和存儲單元的關系如下表：4849CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4譯譯碼碼器器A11A10A0A9D3D2D1D02114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)R/WY0Y3503字擴展例題字擴展例題 （適用于每片RAM,ROM位數夠用而字數不夠時）

32、用用8片片1K8位位RAM構成的構成的8K8位位RAM。01.G2A1274LS138AY+5V.GC7Y.G2BAYA.11A110.B.A.AI/O10248RAM1000R/W7R/W1R/W.9A10248RAM90.A0I/OR/WA10248RAMCS9AACSI/O91AA.A1CS1AA0I/O0I/OI/O0I/O1I/O1I/O17I/O7I/O7I/O.51SCWRAAOIOI片選信號：寫信號：讀地址線：數據線：/70701024 x 8RAM70OIOI.9870AAAA,.WRWRAAAAOIOI寫信號：讀地址線：數據線：/987070,例：用四片例：用四片256 x 8256 x 8位位1024 x 81024 x 8位位 RAMRAM52):(110025625670A個地址個字，需要每一片提供SCYYAAAA分別接四片的譯成即將兩位代碼區分四片用,308989102376876751251125625501110010007070707,AAAAAAAA四片的地址分配就是：00011101101110110111111089AA4321SCSCSCSC5354RAM的芯片簡介的芯片簡介(6116)(6116)61166116為為2K2K8 8位靜態位靜態CMOSRAMCMOSRAM芯片引腳排列圖：芯片引腳排列圖：