第7章 半導(dǎo)體存儲器

第7章半導(dǎo)體存儲器7.1概述半導(dǎo)體存儲器:用集成工藝制成，以半導(dǎo)體器件為基本存儲單元，每一個存儲單元對應(yīng)唯一的地址代碼，可以用來存放一位或多位二進制信息。

1半導(dǎo)體存儲器主要分為:只讀存儲器（ROM:ReadOnlyMemory)隨機存儲器(RAM：RandomAccessMemory)兩者的區(qū)別:只讀存儲器:可讀、可寫的存儲器，可以隨機的寫入或讀出數(shù)據(jù)，用于存放一些臨時性的數(shù)據(jù)；2隨機存儲器:反復(fù)讀取所存儲的內(nèi)容，但不能隨意更改，常用來存放永久性的、不變的信息。37.2半導(dǎo)體存儲器基礎(chǔ)7.2.1半導(dǎo)體存儲器的分類按照半導(dǎo)體制造工藝可分為:雙極型MOS型4雙極型半導(dǎo)體存儲器:以雙極型觸發(fā)器為基本存儲單元，訪問速度快，功耗較大、價格較高、工藝復(fù)雜，主要用于大容量存儲系統(tǒng)中（如在計算機中用做主存儲器）。5MOS型半導(dǎo)體存儲器:采用MOS工藝制造，以MOS觸發(fā)器或電荷存儲結(jié)構(gòu)為基本存儲單元，相比雙極型存儲器而言，功耗低、集成度高、成本低，但速度比雙極型存儲器慢。6存儲器按應(yīng)用角度可分為:隨機存儲器RAM只讀存儲器ROMRAM:可讀、可寫的存儲器，用于存放一些臨時性的數(shù)據(jù)。優(yōu)點:讀寫方便，使用靈活。缺點：斷電后，存儲的數(shù)據(jù)會丟失，稱為：易失性存儲器。

7按存儲原理不同RAM包括:靜態(tài)存儲器（SRAM：StaticRandomAccessMemory）動態(tài)存儲器（DRAM：DynamicRandomAccessMemory）DRAM結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、速度慢，SRAM則恰好相反。8ROM常用來存放永久性的、不變的信息，內(nèi)容只能隨機讀出而不能寫入，斷電后信息不會像RAM一樣丟失。稱為：非易失性存儲器。

97.2.2半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)1.存儲容量存儲容量:存儲器能夠容納的二進制信息的多少。存儲器中的一個基本存儲單元能存儲1個bit的信息，可以存入一個0或一個1，存儲容量就是存儲器所包含的基本存儲單元的總數(shù)。

102.存取時間存取時間:存儲器完成一次數(shù)據(jù)存取所用的平均時間通常用讀(或?qū)?周期來描述，即連續(xù)兩次讀?。ɑ?qū)懭耄┎僮魉g隔的最短時間。該技術(shù)指標(biāo)反映了存儲器的工作速度。注意:存取時間和存儲周期（連續(xù)啟動兩次讀操作所需間隔的最小時間）嚴(yán)格意義上來說是不一樣的，通常存儲周期略大于存取時間。113.功耗存儲器功耗:存儲器在正常工作時所消耗的電功率。反映了存儲器耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的程度。功耗和存取速度有關(guān)存取速度越快，功耗也越大。在保證存取速度前提下，存儲器的功耗越小越好。

124.可靠性可靠性:存儲器對對周圍電磁場、溫度和濕度等的抗干擾能力。存儲器的可靠性：用平均故障間隔時間(MTBF：MeanTimeBetweenFailures)來衡量。MTBF：兩次故障之間的平均時間間隔。MTBF越長，可靠性越高，存儲器正常工作能力越強。

137.3只讀存儲器（ROM）只讀存儲器內(nèi)部存儲的信息通常由生產(chǎn)廠家用掩膜光刻的方法生產(chǎn)出來，在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時修改或重新寫入數(shù)據(jù)。只讀存儲器按照數(shù)據(jù)寫入方式特點不同，可以分為:固定ROM可編程ROM147.3.1固定ROM固定ROM的內(nèi)容:由生產(chǎn)廠家按用戶要求在生產(chǎn)過程中寫入芯片，但寫入后不能修改。固定ROM主要由：地址譯碼器和存儲陣列兩部分組成。15地址輸入線譯碼輸出線（字線）數(shù)據(jù)輸出線（位線）存儲容量

16ROM的工作原理

真值表

17真值表對應(yīng)的表達式輸出與地址譯碼器輸出端字線以及地址譯碼器輸入的邏輯關(guān)系為18這4條字線和4條位線，共有16個交叉點，每個交叉點即是一個存儲單元，共有4×4=16個存儲單元。當(dāng)交叉點處接有二極管時，表示該單元相當(dāng)于存儲1信息。交叉點處沒有二極管時,表示該單元相當(dāng)于存0信息。

19輸出端的三態(tài)門作為緩沖器，通過使能端實現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制，作用：提高帶負載能力，將輸出的高、低電平變換為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平。207.3.2可編程ROM

為了提高ROM使用的靈活性，采用：內(nèi)容可以由用戶來定義的ROM產(chǎn)品，使ROM在使用中具有可編程性。滿足這種要求的器件稱為:可編程只讀存儲器。

211.一次性可編程ROM一次性可編程ROM（PROM：ProgrammableReadOnlyMemory）：在固定ROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，總體結(jié)構(gòu)與固定ROM類似，不同的是存儲單元和輸出電路。PROM可以分為:熔絲型和結(jié)破壞型。只能編程一次。22熔絲型PROM的存儲矩陣結(jié)構(gòu)示意圖每個存儲單元由一個MOS管和一根熔絲組成，出廠時，每一根熔絲都與位線相連，熔絲用熔點很低的合金或很細的多晶硅導(dǎo)線制成。

23當(dāng)熔絲沒有熔斷時，被字線選中的MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，使位線處于低電平，再經(jīng)輸出緩沖器反相后，輸出高電平，存儲單元相當(dāng)于存“1”；24當(dāng)熔絲熔斷時，MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，使位線處于高電平，輸出緩沖器反相后輸出低電平，存儲單元相當(dāng)于存“0”。25用戶在使用時只需根據(jù)程序的需要，利用編程寫入器對選中的基本存儲電路通以合適的電流，將熔絲燒斷即可。注意：熔絲一旦熔斷，不可恢復(fù)。

26結(jié)破壞型PROM

結(jié)破壞型PROM的存儲單元由一對二極管組成正常工作時，這對二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，存儲的信息為“0”，未編程的結(jié)破壞型PROM存儲的信息為全“0”。27用戶在使用時只需根據(jù)程序的需要，對于需要寫入“1”的存儲單元，在其位線加以100mA~150mA電流將相應(yīng)存儲單元的反接二極管的PN結(jié)擊穿短路即可。28為了便于研究工作，實現(xiàn)各種ROM程序方案，克服一次性編程的局限性，必須制造可反復(fù)寫入和擦除數(shù)據(jù)的ROM產(chǎn)品：可擦除的可編程只讀存儲器，物理結(jié)構(gòu)上是MOS型結(jié)構(gòu)。

29根據(jù)擦除芯片內(nèi)已有信息的方法不同，可擦除、可再編程ROM可分為:紫外線擦除PROM電擦除PROM快閃存儲器302.紫外線擦除PROM

紫外線擦除PROM(EPROM：ErasableProgrammableReadOnlyMemory)一種可以進行多次擦除和改寫操作的ROM與PROM的總體結(jié)構(gòu)相似，只是采用了不同的存儲單元。

31EPROM芯片封裝出廠時所有存儲單元的浮柵均無電荷，可認為全部存儲了“1”。用戶需編程時，必須在SIMOS管的漏級和源級之間加上較高的電壓（約25V），同時在控制柵上加高壓正脈沖（50ms寬的25V正脈沖），就能夠向浮置柵注入電荷，相當(dāng)于向存儲單元寫入“0”。原來沒有注入電荷的浮柵仍然存儲信息“1”。

32常用的EPROM集成片有:2716（2K×8位）、2732（4K×8位）、2764（8K×8位）、27128（16K×8位）等。存儲單元都采用了SIMOS管，電路結(jié)構(gòu)相同，僅僅是存儲容量有差別。

333．電擦除PROM(E2PROM：ElectricallyErasableProgrammableROM)EPROM必須使用紫外線來擦除存儲的信息，并且是對整個芯片進行的，不能只擦除個別單元或個別位，擦除時間較長，且擦寫均需離線操作，使用起來不方便。

34E2PROM采用金屬—氮—氧化硅(MNOS)工藝生產(chǎn)，不要借助紫外線照射，只需在高電壓脈沖或在工作電壓下就可以進行擦除。具有對單個存儲單元在線編程的能力，芯片封裝簡單，對硬件線路沒有特殊要求，操作簡便，信息存儲時間長，給需要經(jīng)常修改程序和參數(shù)的應(yīng)用場合帶來了極大的方便。

35E2PROM集成芯片在內(nèi)部設(shè)置了升壓電路，擦、寫、讀都可在+5V電源下進行，不需要編程器，改寫E2PROM的內(nèi)容非常方便，可以在線編程，擦寫共需時間在幾百納秒到幾十毫秒之間，存儲內(nèi)容的保存時間達20年以上，改寫次數(shù)高達1萬次以上。364.快閃存儲器

快閃存儲器（FlashMemory）新一代電信號擦除的可編程ROM。既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點，又保留了E2PROM的隧道效應(yīng)擦除的快捷特性，具有集成度高、容量大、成本低和使用方便等特點。

37具有:集成度高、容量大、成本低、使用方便等優(yōu)點;應(yīng)用日益廣泛如用于數(shù)碼相機、MP3、數(shù)字式錄音機等。387.3.3ROM的應(yīng)用ROM的地址譯碼器是：與邏輯陣列位線與字線間的邏輯關(guān)系是：或邏輯關(guān)系位線與地址碼之間是：與或邏輯關(guān)系最小項譯碼器相當(dāng)一個：與矩陣ROM矩陣相當(dāng)一個：或矩陣整個存儲器ROM是：一個與陣列加上一個或陣列組成39輸入為兩變量的固定ROM的陣列圖40可以用ROM實現(xiàn)任何組合邏輯函數(shù)列出該函數(shù)的真值表，以最小項相或的原則，直接畫出存儲矩陣的陣列圖。

41通常用ROM實現(xiàn)邏輯函數(shù)的步驟：（1）根據(jù)邏輯函數(shù)的輸入、輸出變量個數(shù)確定合適的ROM芯片；（2）列出真值表或卡諾圖；（3）對ROM進行編程，畫出陣列圖。42例7-1．試用PROM將4位二進制碼B3B2B1B0轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼G3G2G1G0。解：(1)選擇16×4位的PROM實現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)換，未編程的16×4位的PROM。43(2)列出二進制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼的真值表44(3)畫出編程后的陣列圖

45例7-2．試用ROM設(shè)計全加器。

解：(1)選擇8×3位的PROM實現(xiàn)全加器。(2)列出全加器的真值表46（3）畫出編程后的陣列圖

477.4隨機存取存儲器（RAM）隨機存取存儲器RAM與ROM不同，可以隨機地寫入或讀出數(shù)據(jù)，優(yōu)點:讀、寫方便，使用靈活，缺點:一旦斷電以后所存儲的數(shù)據(jù)就會丟失。在計算機中主要用來存放:用戶程序、計算的中間結(jié)果以及與外存交換信息。487.4.1RAM的結(jié)構(gòu)RAM主要由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路（I/O電路）三部分組成。存儲矩陣是存儲器的主體，另外兩部分稱為:存儲器的外圍電路。

491.存儲矩陣

RAM的存儲矩陣:是存儲單元的集合體。存儲矩陣：存儲器中存儲信息的部分，由大量的基本存儲單元組成。每個存儲單元能存放一位二進制信息（1或0），在讀寫電路的控制下，可以寫入信息也可以讀出所存儲的數(shù)據(jù)。50存儲矩陣中存儲單元排列成矩陣的形式，通常由若干個存儲單元構(gòu)成一個字，每個字具有一個唯一的地址（為了便于信息的存取，給同一存儲體內(nèi)的每個存儲單元賦予一個惟一的編號，該編號就是存儲單元的地址）。51對于容量為2n個存儲單元的存儲矩陣，需要n條地址線對其進行編址。若每個單元存放N位信息，則需要N條數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)，芯片的存儲容量就可以表示為2n×N位。522.地址譯碼器存儲矩陣中的每一個字單元均有唯一地址。字單元的地址:是用二進制代碼來表示的，稱為地址碼。RAM中的地址譯碼器對地址總線發(fā)來的位地址信號進行譯碼，經(jīng)譯碼產(chǎn)生的選擇信號可以唯一地選中存儲體中的某一存儲單元，在讀/寫控制電路的控制下可對該單元進行讀/寫操作。53存儲器中的地址譯碼主要有兩種方式:單譯碼方式雙譯碼方式單譯碼方式:只用一個譯碼電路對所有地址信息進行譯碼，一根譯碼輸出選擇線對應(yīng)一個存儲單元。

54單譯碼方式比較簡單，但是只適用于小容量的RAM，當(dāng)存儲器的存儲容量很大時，應(yīng)該選擇雙譯碼方式（把位地址線分成兩部分，產(chǎn)生一組行選擇線和一組列選擇線分別進行譯碼）。

55雙譯碼方式

563.讀/寫控制電路讀/寫控制電路主要包括讀寫控制信號、輸入∕輸出和片選控制三個主要部分

577.4.3RAM集成片Intel2114Intel2114是CMOS靜態(tài)RAM，容量為位，電源電壓+5V當(dāng)單片ROM或RAM芯片的存儲容量不能滿足要求時，需將多個ROM或RAM芯片組合起來形成容量較大的存儲器，即進行存儲器容量的擴展。587.5.1位擴展如果一片RAM的字數(shù)夠用，但是位數(shù)不夠，需要對RAM實行位擴展。位擴展可以利用芯片的并聯(lián)方式實現(xiàn)：將RAM的地址線、讀∕寫控制線和片選信號對應(yīng)地并聯(lián)在一起，各個芯片的數(shù)據(jù)