數(shù)字電路課程課件：第7章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第七章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器7.1 概述半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)大量二值信息的半導(dǎo)體器件。分類： 1、從存儲(chǔ)功能上可分為： 只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory） 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）2. 從制造工藝上可分為： 雙極型、MOS型輸入/出電路I/O輸入/出控制！單元數(shù)龐大 ！受器件輸入/輸出引腳數(shù)目的限制一般結(jié)構(gòu)形式7.2 只讀存儲(chǔ)器ROM優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可多次讀出，停電不丟失數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：寫入過(guò)程復(fù)雜，只適宜存儲(chǔ)固定數(shù)據(jù)。7.2.1 掩模只讀存儲(chǔ)器掩模ROM在出廠時(shí)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就已經(jīng)“固化”。一、ROM的電路結(jié)構(gòu)：地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣輸出緩沖

2、器數(shù)據(jù)輸出地址輸入三態(tài)控制地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣輸出緩沖器數(shù)據(jù)輸出地址輸入三態(tài)控制存儲(chǔ)矩陣：由許多存儲(chǔ)單元排列而成，每個(gè)單元能放1位二值代碼（0或1），每一個(gè)或一組存儲(chǔ)單元有一個(gè)對(duì)應(yīng)的地址代碼。 地址譯碼器：將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號(hào)，利用這個(gè)控制信號(hào)從存儲(chǔ)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。輸出緩沖器：一是能提高存儲(chǔ)器的帶負(fù)載能力，二是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)總線連接。二、舉例: 二極管結(jié)構(gòu)的ROM電路圖W0、W1、W2、W3為字線d0、d1、d2、d3為位線如A1A0=00時(shí)，W0=1，W1=W2=W3=0因此：D3=0，D2=1， D1=0，D0=101

3、0100110101101101011100地 址數(shù) 據(jù) ROM中的數(shù)據(jù)表可得數(shù)據(jù)表如下：可見ROM矩陣輸出Di與地址輸入Ai之間是一個(gè)與或關(guān)系，由一個(gè)與陣列和一個(gè)或陣列組成。與陣列或陣列存儲(chǔ)矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)“存儲(chǔ)單元”，存儲(chǔ)單元中有器件存入“1”，無(wú)器件存入“0”010100110101101101011100地 址數(shù) 據(jù) ROM中的數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)器的容量：“字?jǐn)?shù) x 位數(shù)”上圖的存儲(chǔ)量表示為4 x 4位。10條地址線、8條數(shù)據(jù)線的ROM容量是多少？掩模ROM的特點(diǎn)：出廠時(shí)已經(jīng)固定，不能更改，適合大量生產(chǎn)，簡(jiǎn)單，便宜，非易失性。7.2.2 可編程只讀存儲(chǔ)器ROM（PROM）Programm

4、able Read-Only Memory總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但出廠時(shí)已經(jīng)在存儲(chǔ)矩陣的所有交叉點(diǎn)上全部制作了存儲(chǔ)元件，相當(dāng)于在所有存儲(chǔ)單元中都存入了 1。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)法將需要存入0的那些存儲(chǔ)單元上的熔絲燒斷就可以。PROM的內(nèi)容只能寫入一次(OTP-one time programming)。寫入時(shí)，要使用編程器7.2.3 可擦除的可編程ROM（EPROM）Erasable Programmable Read-Only Memory一、EPROM（UVEPROM）紫外線可擦除的可編程ROM（Ultra-Voilet Erasable Programmable Read-Only Mem

5、ory）總體結(jié)構(gòu)同PROM，只是采用了不同的存儲(chǔ)單元。出廠時(shí)存儲(chǔ)信息為1，寫入0時(shí)給MOS管的浮柵注入電子。擦除時(shí)通過(guò)紫外光照射，驅(qū)散浮柵上的電荷。EPROM的封裝上開有石英玻璃的窗口。二、E2PROM電信號(hào)可擦除的可編程ROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）擦除和寫入時(shí)需要加高電壓脈沖。擦、寫時(shí)間仍較長(zhǎng)，需要專用編程器實(shí)現(xiàn)。正常工作狀態(tài)下，只能工作在讀出狀態(tài)。現(xiàn)在電信號(hào)可擦除的可編程ROM內(nèi)部設(shè)置了升壓電路，使擦、寫、讀都可以在5V電源下進(jìn)行，不需要編程器，可在線改寫。廣泛應(yīng)用在IC卡等領(lǐng)域。特點(diǎn)：用電擦除、擦寫方便、

6、速度較快，但集成度低，存儲(chǔ)容量小。三、快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory） 電信號(hào)可擦除的可編程ROM，即吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)，又保留了E2PROM擦除快的特點(diǎn)。因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：集成度高、容量大、成本低、使用方便。7.3 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM7.3.1 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM） Static RAM片選輸入端讀/寫控制端SRAM的結(jié)構(gòu)各部分功能行地址譯碼器: 從存儲(chǔ)矩陣中選中一行存儲(chǔ)單元；列地址譯碼器: 從字線選中的一行存儲(chǔ)單元中再選1位（或幾位），使這些被選中的單元經(jīng)讀/寫控制電路，與輸入/輸出端接通，以便對(duì)這些單元進(jìn)行讀/寫操作。讀/寫控制電路：用于對(duì)電路的工作狀態(tài)進(jìn)

7、行控制。當(dāng)讀/寫控制信號(hào)為1時(shí)，執(zhí)行讀操作，將存儲(chǔ)單元里的數(shù)據(jù)送到輸入/輸出端上。當(dāng)讀/寫控制信號(hào)為0時(shí)，執(zhí)行寫操作，加到輸入/輸出端上的數(shù)據(jù)被寫到存儲(chǔ)單元中。 片選輸入端： 片選輸入信號(hào)為0時(shí)，RAM為正常工作狀態(tài)。 片選輸入信號(hào)為1時(shí)，不能對(duì)RAM進(jìn)行讀/寫操作。10244位RAM的結(jié)構(gòu)框圖：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)單元為一個(gè)基本RS觸發(fā)器，因此只要不掉電，RAM中的數(shù)據(jù)就可以一直保持。除非重新改寫。7.3.2 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM） Dynamic RAMDRAM的存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容可以存儲(chǔ)電荷的原理制成的。存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)能做得非常簡(jiǎn)單，普遍應(yīng)用于大容量、高集成度的RA

8、M中。由于柵極電容的容量很?。ㄍǔH為幾皮法），而漏電流又不可能絕對(duì)等于零，所以電荷保存的時(shí)間有限。為了及時(shí)補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲(chǔ)的信號(hào)丟失，必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷，通常將這種操作稱為刷新或再生。因此，DRAM工作時(shí)必須輔以必要的刷新控制電路，同時(shí)也使操作復(fù)雜化了。7.4 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展7.4.1 位擴(kuò)展方式適用于每片RAM,ROM字?jǐn)?shù)夠用而位數(shù)不夠時(shí)接法：將各片的地址線、讀寫線、片選線并聯(lián)即可例：用八片10241位 10248位的RAM7.4.2 字?jǐn)U展方式如果每一片ROM或RAM中的位數(shù)夠用，而字?jǐn)?shù)不夠用時(shí)，應(yīng)采用字?jǐn)U展的連接方式。例：用四片2568位10248位 RAM1024

9、x 8RAM000111011011101101111110例：用4片2K8位的RAM和必要的門電路實(shí)現(xiàn)4K16位的RAM 字和位同時(shí)擴(kuò)展：7.5 用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)因?yàn)榇鎯?chǔ)器的地址譯碼器輸出包含了輸入變量（地址）全部的最小項(xiàng)，為與陣列，而存儲(chǔ)矩陣為或陣列，輸出為若干個(gè)最小項(xiàng)之和。因而任何形式的組合邏輯函數(shù)均可通過(guò)向存儲(chǔ)器中寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。用具有n位輸入地址、m位數(shù)據(jù)輸出的ROM可以獲得一組（最多為m個(gè)）任何形式的n變量組合邏輯函數(shù)，只要根據(jù)函數(shù)的形式向ROM中寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。這個(gè)原理也適用于RAM 。地 址數(shù) 據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110如果將輸入地址A1和A0視為兩個(gè)輸入邏輯變量，同時(shí)將輸出數(shù)據(jù) D0 、 D1 、 D2和D3視為一組輸出邏輯變量，則D0 、 D1 、 D2和D3 就是一組A1、A0 的組合邏輯函數(shù)，上表也就是這一組多輸出組合邏輯函數(shù)的真值表。例 試用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)八段字符顯示的譯碼器。例 試用ROM產(chǎn)生如下的一組多輸出邏輯函數(shù)。解：將輸出函數(shù)展開成標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式：點(diǎn)陣圖：交叉點(diǎn)的位置畫一個(gè)圓點(diǎn)，以代替存儲(chǔ)器件。接入存儲(chǔ)器件表示存1，以不接存