半導體存儲器

1、半導體存儲器存儲器概述存儲器概述存儲器是數(shù)字系統(tǒng)和電子計算機的重要組成部分；存儲器是數(shù)字系統(tǒng)和電子計算機的重要組成部分；功能：存放數(shù)據(jù)、指令等信息。功能：存放數(shù)據(jù)、指令等信息。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、DVDDVD3) 3) 半導體介質類半導體介質類ROMROM、RAMRAM等等按功能分類按功能分類主要分主要分RAMRAM和和ROMROM兩類，不過界線逐漸模糊。兩類，不過界線逐漸模糊。RAM: SRAM, DRAM, RAM: SRAM, DRAM, ROM: ROM: 掩模掩模ROM,PROM,E

2、PROM,EEPROM,FLASH ROM ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM 性能指標性能指標1)1)存儲容量存儲容量一般用字位數(shù)表示一般用字位數(shù)表示, ,即字數(shù)即字數(shù)位數(shù)；位數(shù)； 如：如：2562568bit=20488bit=2048位。位。2)2)存取時間存取時間存儲器操作的速度。存儲器操作的速度。本課主要講述半本課主要講述半導體介質類器件導體介質類器件半導體存儲器半導體存儲器 存放大量二進制信息的半導體器件。分為：存放大量二進制信息的半導體器件。分為：ROM、RAM。一、只讀存儲器一、只讀存儲器ROM ROM （read only memoryread o

3、nly memory）ROM 是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息或數(shù)據(jù)是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息或數(shù)據(jù) 寫入存儲器中，在正常工作時，它存儲的數(shù)據(jù)是寫入存儲器中，在正常工作時，它存儲的數(shù)據(jù)是 固定不變的，只能讀出，不能寫入。固定不變的，只能讀出，不能寫入。 （ROMROM是存儲器結構最簡單的一種。）是存儲器結構最簡單的一種。）特點：特點： 只能讀出，不能寫入；只能讀出，不能寫入； 屬于組合電路，電路簡單，集成度高；屬于組合電路，電路簡單，集成度高； 具有信息的不易失性；具有信息的不易失性； 存取時間在存取時間在20ns20ns50ns50ns。 缺點：缺點：只適應存儲固定數(shù)據(jù)的場合。

4、只適應存儲固定數(shù)據(jù)的場合。ROMROM的分類的分類(1)按制造工藝分按制造工藝分二極管二極管ROMROM雙極型雙極型ROM(ROM(三極管三極管) )單極型單極型(MOS)(MOS)(2)按存儲內容寫入方式分按存儲內容寫入方式分掩膜掩膜ROM(ROM(固定固定ROM)ROM)廠家固化內容；廠家固化內容；可編程可編程ROMROM（PROMPROM）用戶首次寫入時決定內容。用戶首次寫入時決定內容。（一次寫入式）（一次寫入式）可編程、光可擦除可編程、光可擦除ROMROM（EPROMEPROM）可根據(jù)需要改寫數(shù)據(jù)；可根據(jù)需要改寫數(shù)據(jù)；可編程、電可擦除可編程、電可擦除ROMROM（EEPROM EEPR

5、OM 即即E E2 2PROMPROM）快閃存儲器快閃存儲器FLASH ROMFLASH ROM1 1、腌膜、腌膜ROM(ROM(固化固化ROM)ROM) 采用腌膜工藝制作采用腌膜工藝制作ROMROM時，其存儲的數(shù)據(jù)是由制作過程中的時，其存儲的數(shù)據(jù)是由制作過程中的腌膜板決定的。這種腌膜板是按照用戶的要求而專門設計的。因腌膜板決定的。這種腌膜板是按照用戶的要求而專門設計的。因此，腌膜此，腌膜ROMROM在出廠時內部存儲的數(shù)據(jù)就在出廠時內部存儲的數(shù)據(jù)就“固化固化”在里面了，使用在里面了，使用時無法再更改。時無法再更改。A0Ai地址譯碼器地址譯碼器.存儲矩陣存儲矩陣輸出緩沖器輸出緩沖器地地址址輸輸入

6、入三態(tài)控制輸入三態(tài)控制輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出（1 1）基本構成）基本構成地址譯碼器的作用將輸入的地址代碼譯成相應的控制信號，地址譯碼器的作用將輸入的地址代碼譯成相應的控制信號， 利用這個控制信號從存儲矩陣中把指定的單元選出，并把利用這個控制信號從存儲矩陣中把指定的單元選出，并把 其中的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖器。其中的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖器。A0Ai地址譯碼器地址譯碼器.存儲矩陣存儲矩陣輸出緩沖器輸出緩沖器地地址址輸輸入入三態(tài)控制輸入三態(tài)控制輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出存儲矩陣是由存儲單元排列而成，可以由二極管、三極管或存儲矩陣是由存儲單元排列而成，可以由二極管、三極管或 MOS管構成。每個單元存放一位二值代碼。每

7、一個或一組管構成。每個單元存放一位二值代碼。每一個或一組 存儲單元對應一個地址代碼。存儲單元對應一個地址代碼。輸出緩沖器的作用：輸出緩沖器的作用：、提高存儲器的帶負載能力，將高、提高存儲器的帶負載能力，將高、 低電平轉換標準的邏輯電平；低電平轉換標準的邏輯電平； 、實現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制，以便與、實現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制，以便與 系統(tǒng)總線連接。系統(tǒng)總線連接。（2 2）舉例）舉例4 44 4存儲器存儲器2 2位地址代碼位地址代碼A1A1、A0A0給出給出4 4個個不同地址，不同地址，4 4個地址代碼分別個地址代碼分別譯出譯出W0W0W3W3上的高電平信號。上的高電平信號。位輸出線位輸出線111111V

8、ccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣END3VccVccA1A0W3W3二極管與門作譯碼二極管與門作譯碼A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；（2 2）舉例）舉例4 44 4存儲器（續(xù)）存儲器（續(xù)）存儲矩陣由存儲矩陣由4 4個二極管或門組成，個二極管或門組成，當當W0W0W3W3線上給出高電平信號時，線上給出高電平信號時，會在會在D0D0D3D3輸出一個二值代碼輸出一個二值代碼位輸出線位輸出線111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址

9、譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣END3D3W3W3W1W1二極管或門作編碼器二極管或門作編碼器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W0W0W3W3：字線：字線D0D0D3D3：位線（數(shù)據(jù)線）：位線（數(shù)據(jù)線）A0A0、A1A1：地址線：地址線（2 2）舉例）舉例4 44 4存儲器（續(xù)）存儲器（續(xù)）位輸出位輸出線線111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W3W2W2W1W1W0W0地址譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣END3字線和位線的每個交叉點都是一個存儲單元，在交叉點上接字線和位線的每個交叉點都是一個存儲單元，在交叉點上接二極管相當于存二極管相當于存1 1，

10、沒接二極管相當于存，沒接二極管相當于存0 0，交叉點的數(shù)目就是，交叉點的數(shù)目就是存儲容量，寫成存儲容量，寫成“字數(shù)字數(shù)位數(shù)位數(shù)”的形式的形式D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1存儲內容真值表存儲內容真值表地地 址址數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 011 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0m1m1m3m3m0m0m2m2m3m3m1m1m3m3m0m0m1m1地地 址址數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 011 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 01A1A0A0AD3D2D1D0與陣列與

11、陣列或或陣陣列列W1W1W0W0W2W2 W3W3簡化簡化ROMROM點陣圖點陣圖字輸出：字輸出：D3D2D1D0D3D2D1D0隨著地址的不同有不同的數(shù)據(jù)。隨著地址的不同有不同的數(shù)據(jù)。位輸出：位輸出：D3D3、D2D2、D1D1、D0D0每根位線，由不同的最小項組成，每根位線，由不同的最小項組成， 可實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。可實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1輸出方式輸出方式2 PROM(2 PROM(可編程可編程ROM)ROM) PROMPROM只能寫一次，一旦寫入就不能修改（只能寫一次，一旦寫入就不能修改（OTPOTP型）。型）?；窘Y構同掩模基本結構同

12、掩模ROMROM，由存儲矩陣、地址譯碼和輸出電路組成。，由存儲矩陣、地址譯碼和輸出電路組成。出廠時在存儲矩陣地所有交叉點上都做有存儲單元，一般存出廠時在存儲矩陣地所有交叉點上都做有存儲單元，一般存1 1。存數(shù)方法：熔絲法和擊穿法。存數(shù)方法：熔絲法和擊穿法。熔絲法圖示熔絲法圖示e e熔絲熔絲c cb bVccVcc字線字線位線位線加高電壓將熔絲化斷，加高電壓將熔絲化斷，即可將原有的即可將原有的1 1改寫為改寫為0 0。3 EPROM3 EPROM、E E2 2PROMPROM、FLASH ROMFLASH ROM電擦除，一般芯片內部帶有升壓電路，可以直接電擦除，一般芯片內部帶有升壓電路，可以直接

13、 讀寫讀寫EEPROMEEPROM，擦除時間短擦除時間短(ms(ms級級) )，可對單個存儲單元擦除。，可對單個存儲單元擦除。讀出：讀出：5V5V；擦除：；擦除：20V20V；寫入：；寫入：20V20V。EPROMEPROM：光擦除可編程：光擦除可編程ROMROME E2 2PROMPROM：電擦除可編程：電擦除可編程ROMROMFLASH ROMFLASH ROM：電擦除可編程：電擦除可編程ROMROM紫外線照射擦除，時間長紫外線照射擦除，時間長10102020分鐘分鐘整片擦除整片擦除寫入一般需要專門的工具寫入一般需要專門的工具結合結合EPROMEPROM和和EEPROMEEPROM的特點，

14、構成的電路形式簡的特點，構成的電路形式簡 單，集成度高，可靠性好。單，集成度高，可靠性好。 擦除時間短擦除時間短(ms(ms級級) )，整片擦除、或分塊擦除。整片擦除、或分塊擦除。讀出：讀出：5V5V；寫入：；寫入：12V12V；擦除：；擦除：12V(12V(整塊擦除整塊擦除) )EPROMEPROME E2 2PROMPROM二、二、 隨機存儲器隨機存儲器RAM RAM （random access memory random access memory ）RAM在工作過程中，既可從存儲器的任意單元讀出信息，又可以在工作過程中，既可從存儲器的任意單元讀出信息，又可以把外界信息寫入任意單元，因

15、此它被稱為隨機存儲器把外界信息寫入任意單元，因此它被稱為隨機存儲器( (或讀或讀寫存儲器寫存儲器) )。讀寫速度很快。但一般有易失性，數(shù)據(jù)掉電后。讀寫速度很快。但一般有易失性，數(shù)據(jù)掉電后就消失就消失( (也有非易失性的也有非易失性的RAM,RAM,實際上類似于實際上類似于ROM)ROM)。RAM 按功能可分為按功能可分為RAM 按所用器件可分為按所用器件可分為RAM 優(yōu)點：讀寫方便，具有信息的靈活性。優(yōu)點：讀寫方便，具有信息的靈活性。 缺點：一般有易失性，數(shù)據(jù)掉電后就消失。缺點：一般有易失性，數(shù)據(jù)掉電后就消失。靜態(tài)靜態(tài)(SRAM)(SRAM)動態(tài)動態(tài)(DRAM)(DRAM)雙極型雙極型 MOS

16、 MOS型型1.SRAM1.SRAM的基本結構的基本結構A0Ai行地址譯碼器行地址譯碼器.列地址譯碼器列地址譯碼器Ai+1An-1存儲矩陣存儲矩陣讀寫控制電路讀寫控制電路CSR/WI/O地址輸入地址輸入控制輸入控制輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出輸入信號（三組）：地址輸入、控制輸入和數(shù)據(jù)輸入輸入信號（三組）：地址輸入、控制輸入和數(shù)據(jù)輸入輸出信號（一組）：數(shù)據(jù)輸出輸出信號（一組）：數(shù)據(jù)輸出A0Ai行地址譯碼器行地址譯碼器.列地址譯碼器列地址譯碼器Ai+1An-1存儲矩陣存儲矩陣讀寫控制電路讀寫控制電路CSR/WI/O地址輸入地址輸入控制輸入控制輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出存儲矩陣：有許多存儲單元

17、排列而成，每個存儲單元存一位二值信存儲矩陣：有許多存儲單元排列而成，每個存儲單元存一位二值信息（息（0、1），在譯碼器和讀），在譯碼器和讀/寫電路的控制下，既可以寫入寫電路的控制下，既可以寫入1或或0，又，又可以將存儲的數(shù)據(jù)讀出?？梢詫⒋鎯Φ臄?shù)據(jù)讀出。 由于存儲器的容量巨大，在存儲器中使用雙譯碼形式，就是由于存儲器的容量巨大，在存儲器中使用雙譯碼形式，就是如圖的地址分成行列兩組的形式，以簡化電路。分行列譯碼，用兩如圖的地址分成行列兩組的形式，以簡化電路。分行列譯碼，用兩條線來共同選擇存儲單元。條線來共同選擇存儲單元。R/W=1，讀出，讀出 R/W=0，寫入，寫入CS=0，工作，工作 CS=1，

18、高阻，高阻A0Ai行地址譯碼器行地址譯碼器.列地址譯碼器列地址譯碼器Ai+1An-1存儲矩陣存儲矩陣讀寫控制電路讀寫控制電路CSR/WI/O地址輸入地址輸入控制輸入控制輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出例：1024X4 SRAM（2114）A3A4A5A6A7A8行地址譯碼器行地址譯碼器列地址譯碼器列地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣讀寫控制電路讀寫控制電路CSR/W數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出A0 A1 A2 A9I/O0I/O1I/O2I/O3地址線：地址線：10根，根， A A0 0 A A9 9數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線：4根，根， I/OI/O0 0 I/OI/O3 3控制線：控制線： 2根，根，CSCS片選

19、，片選，0 0有效；有效；R/W R/W 讀寫控制讀寫控制每個由每個由X X，Y Y共同選中的單元中實際包含了共同選中的單元中實際包含了4 4個個1 1位數(shù)據(jù)存儲單元位數(shù)據(jù)存儲單元 表示表示4 4位數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)。行選擇線有行選擇線有3232條條( (含含5 5根地址線根地址線) )，列選擇線，列選擇線8 8條條( (含含3 3根地址線根地址線) ) ， 一共可以有一共可以有32328=2568=256個組合總的存儲容量就是個組合總的存儲容量就是2562564 4。2562564RAM4RAM存儲矩陣存儲矩陣行行地地址址譯譯碼碼器器列地址譯碼器列地址譯碼器102410244 RAM4 RAM列控

20、制門列控制門行控制門行控制門在內部在內部數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線行選擇行選擇2 26 66464列選擇列選擇2 24 41616102410244RAM4RAM存儲矩陣存儲矩陣行行地地址址譯譯碼碼器器列地址譯碼器列地址譯碼器&G1G2G3DDR/WCSI/O10001D/DD/D連接存儲器內部的各個存儲單元，既做數(shù)據(jù)輸入，也作數(shù)據(jù)輸出，連接存儲器內部的各個存儲單元，既做數(shù)據(jù)輸入，也作數(shù)據(jù)輸出，可以從可以從D D上讀取存儲器的內容，也可以向存儲器內部寫入。上讀取存儲器的內容，也可以向存儲器內部寫入。輸入輸出控制電路輸入輸出控制電路 CS=0, R/W=0 CS=0, R/W=0時時, ,G1,G2G1,G2

21、開通，開通，G3G3三態(tài)，三態(tài)，I/OI/O上的數(shù)據(jù)被同時送到上的數(shù)據(jù)被同時送到D/DD/D上，改變存上，改變存儲單元內部內容。儲單元內部內容。 CS=0 CS=0、R/W=1R/W=1時：時：G1,G2G1,G2三態(tài)，三態(tài)，G3G3開通開通D D端數(shù)據(jù)輸出到端數(shù)據(jù)輸出到I/OI/O線上線上 CS=1 CS=1時，時，G1,G2,G3G1,G2,G3都是高阻，都是高阻，存儲器與輸入存儲器與輸入/ /輸出輸出線完全隔離線完全隔離RAMRAM操作時序操作時序要求：要求：了解時序圖了解時序圖SRAM體積大不易高密度集成，體積大不易高密度集成，大容量存儲器一般都采用大容量存儲器一般都采用DRAMDRA

22、M存儲依賴存儲依賴MOS管柵極的管柵極的寄生電容效應原理制成的。寄生電容效應原理制成的。2、DRAMC上電荷也不能長時間維持，所以還上電荷也不能長時間維持，所以還必須定時對電容充電，稱為再生或刷新。必須定時對電容充電，稱為再生或刷新。說明：說明：ROMROM無無R/WR/W，位擴展其余端的連接與，位擴展其余端的連接與RAMRAM相同相同。三、存儲器容量擴展三、存儲器容量擴展1、位擴展、位擴展 CSR/W地址地址并聯(lián)，并聯(lián)，I/O獨立獨立第第1 1片片第第4 4片片409640964RAM4RAM擴展成擴展成409640961616的存儲器系統(tǒng)的存儲器系統(tǒng)A11A11 A0 A0R/WR/WCS

23、CS D0 D0D15D152、字擴展、字擴展 OI/R/W地址地址并聯(lián)，并聯(lián)，CS獨立獨立例：例：4片片8K8位位RAM擴展成擴展成32K8位位RAM32K32K有有1515條地址線，條地址線，8K8K芯片本身用芯片本身用1313條，另兩條譯碼后作為片選。條，另兩條譯碼后作為片選。00000000000000000000000000000 0001111111111111 001111111111111 即即 0000H0000H1FFFH1FFFH；A0A0A12A12R/WR/WA13A13A14A14D0D0D7D7/Y0/Y0/Y1/Y1/Y2/Y2/Y3/Y3第第片地址范圍：片地址范圍：第第片地址范圍：片地址范圍： 2000H2000H3FFFH3FFFH第第片地址范圍：片地址范圍： 4000H4000H5FFFH5FFFH第第片地址范圍：片地址范圍： 8000H8000H7FFFH7FFFH四、存儲器的基本應用四、存儲器的基本應用1. 字應用字應用由地址讀出對應的字，由地址讀出對應的字， 例實現(xiàn)例實現(xiàn)B B碼碼GG碼的轉換。碼的轉換。 二進制二進制G3 G2 G1 G000000 0 0 000010 0 0 100100 0 1 100110 0 1 001000 1 1 001010 1 1 101100 1 0 101110 1 0 010001