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文檔簡介

1、,數(shù)字電路與邏輯設(shè)計,第七章 半導(dǎo)體存儲器,西安郵電學(xué)院“校級優(yōu)秀課程”,第七章 半導(dǎo)體存儲器,目的與要求:,1、熟悉存儲器的一般結(jié)構(gòu)和工作原理。,2、理解各類RAM的存儲原理、讀寫原理及時序。,3、掌握存儲單元、字、位、地址、等基本概念以及 存儲容量擴(kuò)展的一般方法。,4、熟悉存儲器設(shè)計邏輯電路的原理和方法。,重點(diǎn)與難點(diǎn):,1、存儲器的分類及容量的計算。,2、各類RAM的讀寫及時序分析,3、用ROM設(shè)計組合邏輯電路的方法,第七章 半導(dǎo)體存儲器,7.1 概述,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),7.3 只讀存儲器(ROM),7.4 存儲器的擴(kuò)展,7.5 用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),7.1 概述,一、

2、 半導(dǎo)體存儲器的特點(diǎn)與應(yīng)用,二、 半導(dǎo)體存儲器的分類,存儲器:用以存儲二進(jìn)制信息的器件。 特點(diǎn):集成度高、可靠性高、外圍電路簡單且易于接口。 應(yīng)用:存放程序、數(shù)據(jù)、資料等。,按照存儲功能劃分如下:,7.1 概述,三、 半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo),1.存儲容量:,存儲器所能存放信息的多少,存儲容量越大則存儲的信息越多,系統(tǒng)的功能越強(qiáng)。,用位(bit)表示存儲器容量,位數(shù)即存儲器所需要的單元數(shù)。用字節(jié)(byte)或者字節(jié)的倍數(shù) ,表示存儲容量。,2 讀寫參數(shù):,存儲器的讀寫參數(shù)是存儲器最重要的參數(shù)之一,只有按照嚴(yán)格的時序?qū)Υ鎯ζ鬟M(jìn)行讀寫,才能保證存儲器的工作正確。,寫入時間:從提出寫請求到最終把數(shù)

3、據(jù)寫入到存儲器之間的時間間隔;,讀出時間:從提出讀請求到數(shù)據(jù)在輸出端上數(shù)據(jù)有效之間的時間間隔;,7.1 概述,讀寫周期:前后兩次讀或兩次寫之間所要求的最小時間間隔。,存儲器讀寫時序示意圖,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),一、 存儲器的結(jié)構(gòu),(1)地址譯碼器:將寄存器地址對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)譯成有效的行選信號和列選信號,從而選中該存儲單元。,存儲器的結(jié)構(gòu),7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(2)存儲單元,數(shù)字系統(tǒng)中的RAM一般要由多片組成,而系統(tǒng)每次讀/寫時,只針對其中的一片或幾片,因此還應(yīng)加片選信號 。,(3)片選與讀寫控制電路,水平選擇線可以選擇一行單元,稱為字線(Word line,也稱為數(shù)據(jù)

4、線),而把一列單元連接到輸出電路的線稱為位線(bit line)。,存儲矩陣由許多存儲單元排列組成,每個存儲單元存放一位二值信息。,讀/寫控制信號用于對電路工作狀態(tài)進(jìn)行控制。,時,執(zhí)行寫操作;,時,執(zhí)行讀操作。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),二、 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM,(1)SRAM存儲單元, 四管構(gòu)成的SRAM存儲單元,SRAM 4管存儲單元結(jié)構(gòu),位線上的一對互為反相信號可以通過M3和M4向觸發(fā)器置數(shù),也就是寫入過程。,存儲的數(shù)據(jù)也可以通過管子M3和M4向位線B和-B傳送,即所謂的讀出過程。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM), 六管構(gòu)成的SRAM存儲單元,6T-SRAM CMOS電

5、路,兩個反相器(M1,M5和M2,M6構(gòu)成兩只反向器)組成的反饋環(huán)路。,解決了4T-SRAM存儲單元的靜態(tài)功耗問題。,CMOS結(jié)構(gòu)提高了存儲的可靠性和抗干擾能力。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),當(dāng)沒有外界信號作用時,雙穩(wěn)態(tài)電路可以長久保持其所處的某種穩(wěn)定狀態(tài),所以也就稱之為靜態(tài)存儲器。,雙穩(wěn)態(tài)電路工作原理,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(2)SRAM的工作過程,. 數(shù)據(jù)寫入,當(dāng)寫入數(shù)據(jù)為“1”時,晶體管M3,M4導(dǎo)通,位線將強(qiáng)制對a點(diǎn)電容充電,對b點(diǎn)電容放電, M2和M5導(dǎo)通而M1和M6截止,單元中存儲數(shù)據(jù)“1”。,寫“0”時剛好相反,在位線B和-B上分別加低電平和高電平,門管打開,寫

6、入數(shù)據(jù)“0”。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),. 數(shù)據(jù)讀出,SRAM在進(jìn)行讀操作時,首先要保證兩條位線B和-B都預(yù)充到相等的高電平。,如果單元存“1”,即M2和M5導(dǎo)通而M1和M6截止,位線B通過導(dǎo)通的MZ和門管M4放電,而位線B保持高電平,從而位線B和-B得到正向的電壓差。,如果單元存“0”,則位線通過單元中導(dǎo)通的M1和M3放電,而位線-B保持預(yù)充的高電平。這樣在兩根位線上得到一個反向的電壓差。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),. 保持?jǐn)?shù)據(jù),在寫入或者讀出操作后,字線WL降為低電平,晶體管M3和M4截止,將上述穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和位線隔斷,這樣位線上電平變化不再影響觸發(fā)器的狀態(tài)。,7.2 隨機(jī)

7、存取存儲器(RAM),(3)SRAM的分類,SRAM存在多種類型,但是其種類的區(qū)分在接口上。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM), 異步的SRAM(Asynchronous SRAM),異步SRAM沒有的運(yùn)行與輸入信號的狀態(tài)有關(guān),并不與特定的時鐘相關(guān)。,一種異步SRAM結(jié)構(gòu),7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM), SSRAM(synchronous SRAM),同步的SRAM有與微處理器同步的讀、寫周期,具有更快的訪問速度。因此,同步SRAM可以應(yīng)用于個人計算機(jī)和工作站上。,一種SSRAM結(jié)構(gòu),7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),突發(fā)方式(Burst Mode),突發(fā)是指不需要修改地址,可以連續(xù)地對S

8、SRAM內(nèi)的一片地址進(jìn)行讀/寫。,SSRAM的時序示意圖,第一個數(shù)據(jù)的地址放在了地址總線上,而其它三個數(shù)據(jù)塊的地址則用內(nèi)置的計數(shù)器改變,這樣數(shù)據(jù)訪問的速率與微處理器的時鐘一致。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),流水式SRAM(Pipelined SRAM),流水線SRAM在存儲和輸出之間加了一級寄存器,輸出通道中的寄存器可以使管線式SRAM比標(biāo)準(zhǔn)的SRAM有更高的時鐘頻率,但是會造成更大的延時。,流水線 SRAM,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),流水線式SSRAM與同步SRAM,在流水SSRAM中,四字的突發(fā)讀周期需要5個時鐘,而標(biāo)準(zhǔn)的SSRAM則用4個周期,為了避免總線的競爭,從寫到讀的

9、轉(zhuǎn)換過程,流水SRAM要求有一個周期的延時。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM), 特殊的SRAM,1、FIFO,一種FIFO結(jié)構(gòu)示意圖,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),2、多端口SRAM(Multiport SRAMs),一個4個端口的SRAM存儲器,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),三、 動態(tài)存儲器DRAM,DRAM 存儲單元結(jié)構(gòu),DRAM(Dynamic RAM, 動態(tài)RAM)是利用電容電荷而不是反饋環(huán)路來存儲信息的,但是所存儲的內(nèi)容會因為電荷的泄漏而丟失,必須對單元進(jìn)行周期性地讀取和刷新。,(1) DRAM的存儲單元,根據(jù)電壓變化量的高低,判定數(shù)據(jù)線上的“1/0”。,7.2 隨機(jī)存取存

10、儲器(RAM),(2)基本操作, 存儲器讀操作,DRAM讀操作,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),. 存儲器寫操作,DRAM寫操作,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),. DRAM刷新,DRAM存儲器單元是電容器,它所包含的電荷可隨著時間泄漏掉,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生,必須對DRAM進(jìn)行刷新,即必須周期性地在各個存儲器單元上再存儲電荷。,刷新周期是指特定的時間周期,在這一周期中DRAM陣列中的所有行必須被激活和預(yù)充電(刷新);刷新間隔是各行刷新操作之間的時間周期,這里假設(shè)各行刷新操作的時間分配是均勻的。刷新率定義為刷新時間除以所需的周期數(shù)。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(3)

11、SDRAM,SDRAM的信號沿用了DRAM中的很多信號,但是SDRAM將內(nèi)部分為若干個存儲塊,這是SDRAM的一個很重要的特征。,下面以Micron SDRAM 存儲器MT48LC128M4A2為例,介紹SDRAM的基本操作。,SDRAM 64Mb8工作模式的內(nèi)部結(jié)構(gòu),7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(1) 輸入信號,BA0-BA1:組輸入信號,在ACTIVE, READ, WRITE和PRECHARGE命令下,決定四個組中的哪個組工作。,A0-A12:地址輸入信號。,RAS#, CAS#:命令輸入信號。,CKE:工作時鐘使能信號。,DQM:是輸入輸出屏蔽(mask)信號。,7.2 隨機(jī)存取

12、存儲器(RAM),Micron SDRAM芯片管腳分配圖,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(2)SDRAM命令及其相關(guān)操作,SDRAM命令一覽表,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),四、 模式寄存器,在SDRAM芯片中,有一個模式寄存器,該寄存器用于定義SDRAM工作的特定模式。 可定義的參數(shù)包括:突發(fā)長度BL(Burst Length)選擇,突發(fā)類型,CAS延時CL(CAS latency),工作模式和寫突發(fā)模式等。通過LOAD MODE REGISTER命令可以對模式寄存器進(jìn)行編程。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),模式寄存器各位的含義,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),突發(fā)長度(Bur

13、st Length):,對SDRAM的讀寫訪問是面向突發(fā)的,突發(fā)長度BL是可編程的。突發(fā)長度定義了一個READ或者WRITE命令訪問SDRAM時候定義的最大的列單元數(shù)目。,當(dāng)發(fā)出READ或者WRITE命令時,可以選擇BL長度定義的若干列組成的塊。當(dāng)?shù)竭_(dá)這個塊的邊界時,自動回到這列所設(shè)定的位置。在不同的模式和配置方式下,由不同的地址線選擇確定塊地址,最低地址位用于選擇塊內(nèi)的起始地址,全頁突發(fā)模式下,如果達(dá)到一頁的邊界時,將回到頁的起始地址。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),在不同的模式和配置方式下,列的起始位置,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),突發(fā)方式(Burst Type):,一次給定的突

14、發(fā)訪問可以按照交織或者順序的方式進(jìn)行,由模式寄存器的第三位決定。一次突發(fā)的訪問次序由突發(fā)長度決定,突發(fā)的類型和開始列地址由下表決定。,突發(fā)長度、起始地址和類型設(shè)置,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),CAS 延時(CAS Latency),CAS延時與READ命令之間的時序關(guān)系,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),工作模式(operations mode),寫突發(fā)方式(Write Burst),正常的工作模式通過將M7和M8設(shè)置為0選擇的,M7和M8用于未來的工作模式或者測試模式,不應(yīng)該使用這些預(yù)留或者測試的模式,以免導(dǎo)致未知的操作或者不兼容的工作方式。編程的突發(fā)長度可以用于READ和WRITE突

15、發(fā)。,當(dāng)M9=0,BL通過M0-M2編程,可以用于READ和WRITE突發(fā)操作。當(dāng)M9=1,編程的突發(fā)長度只用于READ突發(fā)操作,而WRITE訪問是非突發(fā)的,即按單元訪問的。,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),五、 初始化 SDRAM在上電后,必須按照預(yù)先定義的方式進(jìn)行初始化,否則SDRAM芯片不能正常工作。,(1)Active操作,六 操作,ACTIVE命令和WRITE/READ命令之間的時序關(guān)系,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(2)讀操作,(a)讀命令,(b)讀命令與輸出數(shù)據(jù)間隔,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),連續(xù)的READ突發(fā)操作,7.2 隨機(jī)存取存儲器(RAM),(3)寫操作,

16、(a)寫命令,(b)寫突發(fā),7.3 只讀存儲器(ROM),一、 一次性可編程只讀存儲器PROM(Programmable Read Only Memory),PROM存儲單元,只讀存儲器中存儲信息在掉電后仍然存在。這類存儲器應(yīng)用非常廣泛。,PROM允許通過專用的編程器,將數(shù)據(jù) “燒錄”到存儲器中,這個過程叫做“編程”,燒錄后的數(shù)據(jù)同樣能維持?jǐn)嚯姾蟛粊G失。,7.3 只讀存儲器(ROM),PROM存儲陣列,7.3 只讀存儲器(ROM),二、 基于EPROM技術(shù),允許用戶利用編碼器對器件反復(fù)編程、擦除,得到廣泛地應(yīng)用。這種器件是通過施加高壓信號進(jìn)行編程,將器件置于紫外線,就可以擦除其內(nèi)容。,標(biāo)準(zhǔn)的晶

17、體管和EPROM晶體管,增加了另外一個被稱為浮柵的多晶硅,7.3 只讀存儲器(ROM),浮柵晶體管一個特征就是它的閾值可以編程。,(a) 雪崩注入,(b)浮柵管符號圖,(c) 移去電壓后仍然保 留電荷,7.3 只讀存儲器(ROM),三、 E2PROM 存儲器,電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM (Electronically-Erasable Programmable Read-Only Memory)能逐個存儲單元獨(dú)立地擦除,(a) 浮柵隧道氧化管,(b) E2PROM的元件,隔離浮柵與溝道和漏極的那一小部分絕緣介質(zhì)的厚度減少到大約10nm左右或者更薄,電子利用隧道穿越機(jī)理進(jìn)入或者穿出浮柵

18、,7.3 只讀存儲器(ROM),四、 Flash EEPROM,Flash EEPROM 存儲單元結(jié)構(gòu),這種器件的擦除和編程是以塊為單位的,而EEPROM是以字節(jié)為單位的,所以Flash EEPROM的更新速度比EEPROM快。可以在系統(tǒng)中擦除EPROM的內(nèi)容。,采用了一個薄的隧道氧化層(10nm)。,7.4 存儲器的擴(kuò)展,一、 位擴(kuò)展方法,如果一片存儲器的字?jǐn)?shù)已經(jīng)夠了,但是每個字中的位數(shù)不夠,采用位擴(kuò)展方法將多片存儲器連接成更多位數(shù)的存儲器。,例1:用10248位的RAM擴(kuò)展成容量為102432位的存儲器。,解:所需要的存儲器芯片數(shù)量為102432/10248 = 4片,連接方式:將4片的所

19、有地址線、 片選線、讀寫控制線連接在一起,將所有的數(shù)據(jù)線拼接成32位數(shù)據(jù)。如圖所示。,7.4 存儲器的擴(kuò)展,二、 存儲器字?jǐn)U展,字?jǐn)U展用于存儲芯片的位數(shù)滿足要求而字?jǐn)?shù)不夠的情況,是對存儲單元數(shù)量的擴(kuò)展,整個存儲器位數(shù)等于單片存儲器的位數(shù)。,例2:用4個256 8芯片經(jīng)字?jǐn)U展構(gòu)成一個1K8存儲器系統(tǒng),所需要的存儲器芯片數(shù)量為1K8/2568 = 4片。,7.4 存儲器的擴(kuò)展,在實際應(yīng)用中,往往會遇到字?jǐn)?shù)和位數(shù)都需要擴(kuò)展的情況,方法是先進(jìn)行位擴(kuò)展(或字?jǐn)U展)再進(jìn)行字?jǐn)U展(或位擴(kuò)展),這樣就可以滿足更大存儲容量的要求。,存儲器的字位擴(kuò)展結(jié)構(gòu),例3: 用2114(1K4)RAM芯片構(gòu)成4K8存儲器。,7.5 用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),PLD器件中常見到的表示方式,7.5 用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),一、 PROM,PROM是最早出現(xiàn)的PLD,它是由固定的“與”陣列和一個可編程的“或”陣列組成的。,(a) PROM的組成,(b) 未編程的PROM結(jié)構(gòu),固定連接,可編程連接,7.5 用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),例1:用PROM實現(xiàn) 和 Y1=A+B的邏輯關(guān)系,(a)真值表,(b)陣列圖,7.5 用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),例2:用PROM實現(xiàn)一個2位的乘

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