第六章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第六章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器2第6章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、操作指令的邏輯部件。用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存及數(shù)字系統(tǒng)存儲(chǔ)部件。6.1概述6.2只讀存儲(chǔ)器6.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

36.1概述

6.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類

按存儲(chǔ)信號(hào)的原理不同：分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種。

分成TTL和MOS存儲(chǔ)器兩大類。TTL型速度快，MOS型工藝簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。按制造工藝不同分類：4靜態(tài)存儲(chǔ)器是以觸發(fā)器為基本單元來(lái)存儲(chǔ)0和1的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會(huì)改變；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器是用電容存儲(chǔ)電荷的效應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)二值信號(hào)的。電容漏電會(huì)導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電或放電。稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器都為MOS型。按工作特點(diǎn)不同：分成只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。5

6.1.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)：存儲(chǔ)容量和存取時(shí)間。1、存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)叫存儲(chǔ)容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。6存儲(chǔ)器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。一個(gè)字的位數(shù)稱做字長(zhǎng)。例如，16位構(gòu)成一個(gè)字，該字的字長(zhǎng)為16位。一個(gè)存儲(chǔ)單元只能存放一位二值代碼，要存儲(chǔ)字長(zhǎng)為16的一個(gè)字，就需要16個(gè)存儲(chǔ)單元。若存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)1024個(gè)字，就得有1024×16個(gè)存儲(chǔ)單元。通常,存儲(chǔ)容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。7例如:某存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)1024個(gè)字，每個(gè)字4位，那它的存儲(chǔ)容量就為1024×4=4096，即該存儲(chǔ)器有4096個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器寫(xiě)入（存）或者讀出（?。r(shí)，每次只能寫(xiě)入或讀出一個(gè)字。若字長(zhǎng)為8位，每次必須選中8個(gè)存儲(chǔ)單元。選中哪些存儲(chǔ)單元，由地址譯碼器的輸出來(lái)決定。即由地址碼來(lái)決定。8

地址碼的位數(shù)n與字?jǐn)?shù)之間存在2n=字?jǐn)?shù)的關(guān)系。如果某存儲(chǔ)器有十個(gè)地址輸入端，那它就能存210=1024個(gè)字。

2、存取周期連續(xù)兩次讀（寫(xiě)）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。96.2只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(Read-onlyMemory,簡(jiǎn)稱ROM)是只能讀不能寫(xiě)的存儲(chǔ)器。通常用其存放固定的數(shù)據(jù)和程序，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、函數(shù)表、字符等。只讀存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，去掉電源，所存信息不會(huì)丟失。10ROM按存儲(chǔ)內(nèi)容的寫(xiě)入方式，可分為固定ROM,可編程序只讀存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱（PROM)和可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ErasableProgrammableReadOnlyMemory，簡(jiǎn)稱EPROM)。固定ROM：在制造時(shí)根據(jù)特定的要求做成固定的存儲(chǔ)內(nèi)容，出廠后，用戶無(wú)法更改，只能讀出。11PROM：存儲(chǔ)內(nèi)容可以由使用者編制寫(xiě)入，但只能寫(xiě)入一次，一經(jīng)寫(xiě)入就不能再更改。EPROM：存儲(chǔ)內(nèi)容可以改變，但EPROM所存內(nèi)容的擦去或改寫(xiě)，需要專門的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時(shí)，也只能讀出。E2PROM：可用電擦寫(xiě)方法擦寫(xiě)。126.2.1固定只讀存儲(chǔ)器(ROM)圖6-1ROM結(jié)構(gòu)圖ROM由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、輸出和控制電路組成，如圖6-1所示。13圖6-2(4×4)的NMOS固定ROM地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣輸出電路字線14圖6-2是一個(gè)4×4位的NMOS固定ROM。地址譯碼器：有兩根地址輸入線A1和A0，共有4個(gè)地址號(hào)，每個(gè)地址存放一個(gè)4位二進(jìn)制信息；譯碼器輸出線：W0、W1、W2、W3稱為字線，由輸入的地址代碼A1A0確定選中哪條字線。被選中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輸出緩沖器輸出。15存儲(chǔ)矩陣：是NMOS管的或門陣列。一個(gè)字有4位信息，故有四條數(shù)據(jù)線輸出又稱為位線。它是字×位結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)矩陣實(shí)際上是一個(gè)編碼器，工作時(shí)編碼內(nèi)容不變。位線經(jīng)過(guò)反相后輸出，即為ROM的輸出端D0、D1、D2、D3。16每根字線和位線的交叉處是一個(gè)存儲(chǔ)單元，共有16個(gè)單元。交叉處有NMOS管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“1”，無(wú)NMOS管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“0”。例如，當(dāng)?shù)刂稟1A0=00時(shí)，則W0=1（W1、W2、W3均為0），此時(shí)選中0號(hào)地址使第一行的兩個(gè)NMOS管導(dǎo)通，17經(jīng)輸出電路反相后，輸出D3D2D1D0=0101。因此，選中一個(gè)地址，該行的存儲(chǔ)內(nèi)容輸出。四個(gè)地址存儲(chǔ)的內(nèi)容如表6-1所示。1100D01011D20101D10101D3內(nèi)容00011011A1A0地址表6-1ROM中的信息表18固定ROM的編程是設(shè)計(jì)者根據(jù)要求確定存儲(chǔ)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出存儲(chǔ)矩陣，即哪些交叉點(diǎn)（存儲(chǔ)單元）的信息為1，哪些為0。為1的制造管子，為0的不需制造管子，畫(huà)出存儲(chǔ)矩陣編碼圖。通常，存儲(chǔ)矩陣中有管子處，用“碼點(diǎn)”表示，由生產(chǎn)廠制作。圖6-2的存儲(chǔ)矩陣簡(jiǎn)化編碼圖如圖6-3所示。19位線與字線之間邏輯關(guān)系為：D0=W0+W1D1=W1+W3

D2=W0+W2+W3

D3=W1+W3圖6-3ROM的符號(hào)矩陣20存儲(chǔ)矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存儲(chǔ)矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和輸入是與的關(guān)系，因此ROM是一個(gè)多輸入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的與或邏輯陣列。

216.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)

PROM和ROM的區(qū)別在于ROM由廠家編程，PROM由用戶編程。出廠時(shí)PROM的內(nèi)容全是0或全是1，使用時(shí)，用戶可以根據(jù)需要編好代碼，寫(xiě)入PROM中。22圖6-432字×8位熔斷絲結(jié)構(gòu)PROM這種電路存儲(chǔ)內(nèi)容全部為0。如果想使某單元改寫(xiě)為1，需要使熔斷絲通過(guò)大電流，使它燒斷。一經(jīng)燒斷，再不能恢復(fù)。23

6.2.3可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)

可擦除可編程存儲(chǔ)器又可以分為：光可擦除可編程存儲(chǔ)器UVEPROM(Ultra—VioletEreasableProgrammableRead－OnlyMemory)電可擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM(ElectricalEreasableProgrammableRead－OnlyMemory)快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)等。24[例6-1]試用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路,x的取值范圍為0~15的正整數(shù)。解：因?yàn)樽宰兞縳的取值范圍為0~15的正整數(shù),所以應(yīng)用4位二進(jìn)制正整數(shù),用B=B3B2B1B0表示,而y的最大值是=225,可以用8位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。根據(jù)y=x2的關(guān)系可列出Y7、

Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0與B3、B2、B1、B0之間的關(guān)系如表6-2所示。根據(jù)表6-2可以寫(xiě)出Y的表達(dá)式：Y7=∑（12，13，14，15）Y6=∑（8，9，10，11，14，15）Y5=∑（6，7，10，11，13，15）Y4=∑（4，5，7，9，11，12）Y3=∑（3，5，11，13）Y2=∑（2，6，10，14）Y1=0Y0=∑（1，3，5，7，9，11，13，15）250149162536496481100121144169196225十進(jìn)制數(shù)注00000000000000010000010000001001000100000001100100100100001100010100000001010001011001000111100110010000101010011100010011100001Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0輸出0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111B3B2B1B0輸入真值表26根據(jù)表達(dá)式畫(huà)出ROM存儲(chǔ)點(diǎn)陣如下圖。ROM點(diǎn)陣圖276.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）可隨時(shí)從任一指定地址存入（寫(xiě)入）或取出（讀出）信息。在計(jì)算機(jī)中，RAM用作內(nèi)存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。RAM分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM；靜態(tài)RAM又分為雙極型和MOS型。28

6.3.1靜態(tài)RAM

1、雙極型RAM存儲(chǔ)單元;2、靜態(tài)MOS型RAM;29

6.3.

2動(dòng)態(tài)RAM

動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM的區(qū)別在于：信息的存儲(chǔ)單元是由門控管和電容組成。用電容上是否存儲(chǔ)電荷表示存1或存0。為防止因電荷泄漏而丟失信息，需要周期性地對(duì)這種存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行重寫(xiě)，稱為刷新。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路主要是三管和單管結(jié)構(gòu)。306.3.3集成RAM簡(jiǎn)介

以Intel公司的MOS型靜態(tài)2114為例。31圖6-14是Intel公司的MOS型靜態(tài)2114的結(jié)構(gòu)圖。1024×4位RAM?？梢赃x擇4位的字1024個(gè)。采用X、Y雙向譯碼方式。4096個(gè)存儲(chǔ)單元排列成64行×64列矩陣，64列中每四列為一組，分別由16根Y譯碼輸出線控制。即每一根譯碼輸出線控制存儲(chǔ)矩陣中四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路，讀寫(xiě)操作在（讀/寫(xiě)信號(hào)）和（選片信號(hào)）的控制下進(jìn)行。圖6-142114RAM1024×4位存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖326.3.4RAM的擴(kuò)展RAM的種類很多，存儲(chǔ)容量有大有小。當(dāng)一片RAM不能滿足存儲(chǔ)容量需要時(shí)，就需要將若干片RAM組合起來(lái)，構(gòu)成滿足存儲(chǔ)容量要求的存儲(chǔ)器。RAM的擴(kuò)展分為位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種。

1.位擴(kuò)展字?jǐn)?shù)滿足要求，而位數(shù)不夠時(shí)，應(yīng)采用位擴(kuò)展。33實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展的原則是：①多個(gè)單片RAM的I/O端分別接到數(shù)據(jù)線上。②多個(gè)RAM的CS接到一起，作為RAM的片選端（同時(shí)被選中）；③地址端對(duì)應(yīng)接到一起，作為RAM的地址輸入端。④多個(gè)單片RAM的R/W端接到一起，作為RAM的讀/寫(xiě)控制端（讀/寫(xiě)控制端只能有一個(gè)）；34圖6-15是用4片256×1位的RAM擴(kuò)展成256×4位的RAM的接線圖。圖6-15RAM位擴(kuò)展接線圖35

2.字?jǐn)U展在RAM的數(shù)據(jù)位的位數(shù)足夠，而字?jǐn)?shù)達(dá)不到要求時(shí)，需要進(jìn)行字?jǐn)U展。字?jǐn)?shù)增加，地址線數(shù)就得相應(yīng)增加。如256×8位RAM的地址線數(shù)為8條，而1024×8位RAM的地址線數(shù)為10條（接線見(jiàn)圖6-16）。實(shí)現(xiàn)字?jǐn)U展的原則是：①多個(gè)單片RAM的I/O端并聯(lián)，作為RAM的I/O端.36②多片構(gòu)成字?jǐn)U展之后，每次訪問(wèn)只能選中一片，選中哪一片，由字?jǐn)U展后多出的地址線決定。多出的地址線經(jīng)譯碼器譯碼，接至各片RAM的CS端；③地址端對(duì)應(yīng)接到一起，作為低位地址輸入端。④R/W端接到一起作為RAM的讀/寫(xiě)控制端（讀寫(xiě)控制端只能有一個(gè)）；37圖6-16RAM的字?jǐn)U展接法38[例6-1]試用1024×4位RAM實(shí)現(xiàn)4096×8位存儲(chǔ)器。解：4096×8位存儲(chǔ)器需1024×4位RAM的芯片數(shù)39

根據(jù)2n=字?jǐn)?shù)，求得4096個(gè)字的地址線數(shù)n=12，兩片1024×4位RAM并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了位擴(kuò)展，達(dá)到8位的要求。地址線A11、A10接譯碼器輸入端，譯碼器的每一條輸出線對(duì)應(yīng)接到二片1024×4位RAM的CS端。連接方式見(jiàn)圖6-17所示。40RAM的字、位擴(kuò)展地址總線數(shù)據(jù)總線41半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)。根據(jù)存取功能的不同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，兩者的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不同。ROM屬于