數(shù)字電子技術_半導體存儲器

1、2022-5-911 .存儲器容量的擴展2EPROM的應用2022-5-92本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAMRAM和只讀存儲器和只讀存儲器ROMROM的結構、的結構、工作原理及存儲器工作原理及存儲器容量擴展容量擴展的方法；的方法； 2022-5-93數(shù)字系統(tǒng)中用于存儲大量二進制信息的器件是數(shù)字系統(tǒng)中用于存儲大量二進制信息的器件是存儲器。存儲器。穿孔卡片穿孔卡片紙帶紙帶磁芯存儲器磁芯存儲器半導體存儲器半導體存儲器半導體存儲器的優(yōu)點：容量大、體積小、功耗半導體存儲器的優(yōu)點：容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等。低、存取速度快、使用壽命長等。半導體存儲器按照內(nèi)部信息

2、的存取方式不同分半導體存儲器按照內(nèi)部信息的存取方式不同分為兩大類：為兩大類：1 1、只讀存儲器、只讀存儲器ROMROM。用于存放永久性的、不變。用于存放永久性的、不變的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。2 2、隨機存取存儲器、隨機存取存儲器RAMRAM。用于存放一些臨時性。用于存放一些臨時性的數(shù)據(jù)或中間結果，需要經(jīng)常改變存儲內(nèi)容。的數(shù)據(jù)或中間結果，需要經(jīng)常改變存儲內(nèi)容。2022-5-94隨機存取存儲器又叫隨機讀隨機存取存儲器又叫隨機讀/ /寫存儲器，簡稱寫存儲器，簡稱RAMRAM，指的是可以從任意選定的單元讀出數(shù)據(jù)，或，指的是可以從任意選定的單元讀出數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入任意選定的存儲單元。將數(shù)據(jù)寫入任意選定的存儲單

3、元。優(yōu)點：讀寫方便，使用靈活。優(yōu)點：讀寫方便，使用靈活。缺點：掉電丟失信息。缺點：掉電丟失信息。 分類：分類： SRAM SRAM （靜態(tài)隨機存取存儲器）（靜態(tài)隨機存取存儲器） DRAM DRAM （動態(tài)隨機存取存儲器）（動態(tài)隨機存取存儲器）2022-5-951. RAM1. RAM的結構和讀寫原理的結構和讀寫原理 （1 1）RAM RAM 的結構框圖的結構框圖圖8-1 RAM 的結構框圖I/O端畫雙箭是因為數(shù)據(jù)即可由此端口讀出，也可寫入2022-5-96 存儲矩陣存儲矩陣 共有共有28（256）行）行24（16）列共）列共212（4096）個信息單元（即字）個信息單元（即字） 每個信息單元有

4、每個信息單元有k位二進制數(shù)（位二進制數(shù)（1或或0） 存儲器中存儲單元的數(shù)量稱為存儲器中存儲單元的數(shù)量稱為存儲容量存儲容量（字（字數(shù)數(shù)位數(shù)位數(shù)k）。）。 2022-5-97 地址譯碼器地址譯碼器 行行地址譯碼器：輸入地址譯碼器：輸入8位行地址碼，輸出位行地址碼，輸出256條行條行選擇線（用選擇線（用x表示）表示） 列列地址譯碼器：輸入地址譯碼器：輸入4位列地址碼，輸出位列地址碼，輸出16條列條列選擇線（用選擇線（用Y表示）表示）2022-5-98 當當R/W =0時，進行時，進行數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)操作。 當當R/W =1時，進行時，進行數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)操作。 2022-5-99圖圖9-2 RAM存儲矩

5、陣的示意圖存儲矩陣的示意圖 2564（256個字，每個字4位）RAM存儲矩陣的示意圖。如果X0Y01，則選中第一個信息單元的4個存儲單元，可以對這4個存儲單元進行讀出或?qū)懭搿?2022-5-910 當當CS=時，時，RAM被選中工作。被選中工作。 若若 A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000 表示選中列地址為表示選中列地址為A11A10A9A8=0000、行地址為、行地址為A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存儲單元。的存儲單元。 此時只有此時只有X0和和Y0為有效，則選中第一個信息單為有效，則選中第一個信息單元的元的k個存儲單元，可以對

6、這個存儲單元，可以對這k個存儲單元進行讀出個存儲單元進行讀出或?qū)懭搿；驅(qū)懭搿?2022-5-911若此時若此時R/W=0時，進行時，進行入數(shù)據(jù)操作。入數(shù)據(jù)操作。 當當CS=1時，不能對時，不能對RAM進行讀寫操作，所有端進行讀寫操作，所有端均為均為。 2022-5-912 （3）RAM的存儲單元按工作原理分為：的存儲單元按工作原理分為： 靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元：利用基本：利用基本RS觸發(fā)器存儲信息。觸發(fā)器存儲信息。保存的信息不易丟失。保存的信息不易丟失。 動態(tài)存儲單元動態(tài)存儲單元：利用：利用MOS的柵極電容來存儲信的柵極電容來存儲信息。由于電容的容量很小，以及漏電流的存在，為息。由于電容的容

7、量很小，以及漏電流的存在，為了保持信息，必須定時給電容充電，通常稱為了保持信息，必須定時給電容充電，通常稱為刷新刷新。 2022-5-913 采用采用CMOS工藝制成，工藝制成，存儲容量為存儲容量為8K8位，典型位，典型存取時間為存取時間為100ns、電源電壓、電源電壓5V、工作電流、工作電流40mA、維、維持電壓為持電壓為2V，維持電流為，維持電流為2A。 8K=213，有，有13條地址線條地址線A0A12； 每字有位，有條數(shù)每字有位，有條數(shù)據(jù)線據(jù)線I/O0I/O7； 圖8-3 6264引腳圖 四條控制線 2022-5-914表9-9- 62646264的工作方式表 2022-5-9151.

8、1. 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展存儲器的容量：字數(shù)存儲器的容量：字數(shù)位數(shù)位數(shù) 位擴展（即字長擴展）：將多片存儲器經(jīng)適當位擴展（即字長擴展）：將多片存儲器經(jīng)適當?shù)倪B接，組成位數(shù)增多、字數(shù)不變的存儲器。的連接，組成位數(shù)增多、字數(shù)不變的存儲器。 方法：用同一地址信號控制方法：用同一地址信號控制 n個相同字數(shù)的個相同字數(shù)的RAM。2022-5-916 例：將例：將2561的的RAM擴展為擴展為 2568的的RAM。 將將8塊塊2561的的RAM的所有地址線和的所有地址線和CS（片選線）（片選線）分別對應并接在一起，而每一片的位輸出作為整個分別對應并接在一起，而每一片的位輸出作為整個RAM輸出的一

9、位。輸出的一位。 2022-5-9172568RAM需2561RAM的芯片數(shù)為：812568256一片存儲容量總存儲容量N圖8-10 RAM位擴展 將將2562561 1的的RAMRAM擴展為擴展為2562568 8的的RAMRAM2022-5-918 字擴展字擴展 將多片存儲器經(jīng)適當?shù)倪B接，組成字數(shù)更多，將多片存儲器經(jīng)適當?shù)倪B接，組成字數(shù)更多，而位數(shù)不變的存儲器。而位數(shù)不變的存儲器。 例：由例：由10248的的 RAM擴展為擴展為40968的的RAMRAM。 共需四片共需四片10248的的 RAM芯片。芯片。 10248的的 RAM有有10根地址輸入線根地址輸入線A9A0。 40968的的R

10、AM有有12根地址輸入線根地址輸入線A11A0。選用選用2線線-4線譯碼器，將輸入接高位地址線譯碼器，將輸入接高位地址A11、A10，輸出分別控制四片，輸出分別控制四片RAM的片選端。的片選端。 2022-5-919 圖8-11 RAM字擴展 由10248的 RAM擴展為40968的RAM2022-5-920 (3) 字位擴展字位擴展 例：將例：將10244的的RAM擴展為擴展為20488 RAM。 位擴展需位擴展需2片芯片，字擴展需片芯片，字擴展需2片芯片，共需片芯片，共需4片片芯片。芯片。字擴展只增加一條地址輸入線字擴展只增加一條地址輸入線A10，可用一反相，可用一反相器便能實現(xiàn)對兩片器便

11、能實現(xiàn)對兩片RAM片選端的控制。片選端的控制。 字擴展是對存儲器輸入端口的擴展，字擴展是對存儲器輸入端口的擴展， 位擴展是對存儲器輸出端口的擴展。位擴展是對存儲器輸出端口的擴展。 2022-5-921圖9-12 RAM的字位擴展 將10244的RAM擴展為20488 RAM2022-5-9221. 1. 固定固定ROM 只讀存儲器所存儲的內(nèi)容一般是固定不變的，只讀存儲器所存儲的內(nèi)容一般是固定不變的，正常工作時只能讀數(shù)，不能寫入，并且在斷電后不正常工作時只能讀數(shù)，不能寫入，并且在斷電后不丟失其中存儲的內(nèi)容，故稱為只讀存儲器。丟失其中存儲的內(nèi)容，故稱為只讀存儲器。ROM組成：地址譯碼器存儲矩陣輸出

12、電路圖9-4 ROM結構方框圖 2022-5-923 地址譯碼器有地址譯碼器有n個輸入端，有個輸入端，有2n個輸出信息，每個輸出信息，每個輸出信息對應一個信息單元，而每個單元存放一個輸出信息對應一個信息單元，而每個單元存放一個字，共有個字，共有2n個字（個字（W0、W1、W2n-1稱為字線）。稱為字線）。 每個字有每個字有m位，每位對應從位，每位對應從D0、D1、Dm-1輸輸出（稱為位線）。出（稱為位線）。 存儲器的容量是存儲器的容量是2nm(字線字線位線位線)。 ROM中的存儲體可以由二極管、三極管和中的存儲體可以由二極管、三極管和MOS管來實現(xiàn)。管來實現(xiàn)。2022-5-924圖9-5 二極

13、管ROM圖9-6 字的讀出方法 在對應的存儲單元內(nèi)存入的是1還是0，是由接入或不接入相應的二極管來決定的。 2022-5-925存儲存儲矩陣矩陣圖9-7 44 ROM陣列圖 有存儲有存儲單元單元地址譯地址譯碼器碼器圖9-5 二極管ROM2022-5-926在編程前，存儲矩陣中的全部存儲單元的熔絲在編程前，存儲矩陣中的全部存儲單元的熔絲都是連通的，即每個單元存儲的都是都是連通的，即每個單元存儲的都是1。 用戶可根據(jù)需要，借助一定的編程工具，將某用戶可根據(jù)需要，借助一定的編程工具，將某些存儲單元上的熔絲用大電流燒斷，該單元存儲的些存儲單元上的熔絲用大電流燒斷，該單元存儲的內(nèi)容就變?yōu)閮?nèi)容就變?yōu)?，此

14、過程稱為編程。，此過程稱為編程。 熔絲燒斷后不能再接上，故熔絲燒斷后不能再接上，故PROM只能進行一只能進行一次編程。次編程。 圖9-8 PROM的可編程存儲單元2022-5-927 最早出現(xiàn)的是用紫外線照射擦除的最早出現(xiàn)的是用紫外線照射擦除的EPROM。 浮置柵浮置柵MOS管（簡稱管（簡稱FAMOS管）的柵極被管）的柵極被SiO2絕緣層隔離，呈浮置狀態(tài)，故稱浮置柵。絕緣層隔離，呈浮置狀態(tài)，故稱浮置柵。 當浮置柵帶負電荷時，當浮置柵帶負電荷時， FAMOS管處于導通狀管處于導通狀態(tài)，源極漏極可看成短路，所存信息是態(tài)，源極漏極可看成短路，所存信息是0。 若浮置柵上不帶有電荷，則若浮置柵上不帶有電

15、荷，則FAMOS管截止，源管截止，源極漏極間可視為開路，所存信息是極漏極間可視為開路，所存信息是1。 2022-5-928圖9- 浮置柵EPROM(a) 浮置柵MOS管的結構 (b) EPROM存儲單元帶負電-導通-存0不帶電-截止-存12022-5-929浮置柵浮置柵EPROMEPROM出廠時，所有存儲單元的出廠時，所有存儲單元的FAMOSFAMOS管管浮置柵都不帶電荷，浮置柵都不帶電荷，F(xiàn)AMOSFAMOS管處于截止狀態(tài)。管處于截止狀態(tài)。 寫入信息時，在對應單元的漏極與襯底之間加寫入信息時，在對應單元的漏極與襯底之間加足夠高的反向電壓，使漏極與襯底之間的足夠高的反向電壓，使漏極與襯底之間的

16、PNPN結產(chǎn)生結產(chǎn)生擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電子堆積在浮置柵上，擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電子堆積在浮置柵上，使使FAMOSFAMOS管導通。管導通。當去掉外加反向電壓后，由于浮置柵上的電子當去掉外加反向電壓后，由于浮置柵上的電子沒有放電回路能長期保存下來，在的環(huán)境溫度下，沒有放電回路能長期保存下來，在的環(huán)境溫度下，以上的電荷能保存年以上。以上的電荷能保存年以上。如果用紫外線照射如果用紫外線照射FAMOSFAMOS管分鐘，管分鐘，浮置柵上積累的電子形成光電流而泄放，使導電溝浮置柵上積累的電子形成光電流而泄放，使導電溝道消失，道消失，F(xiàn)AMOSFAMOS管又恢復為截止狀態(tài)。為便于擦除，管又恢復為截

17、止狀態(tài)。為便于擦除，芯片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板。芯片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板。2022-5-9302EPROM的應用的應用 程序存儲器、碼制轉(zhuǎn)換、字符發(fā)生器、波形發(fā)程序存儲器、碼制轉(zhuǎn)換、字符發(fā)生器、波形發(fā)生器等。生器等。 例：八種波形發(fā)生器電路。例：八種波形發(fā)生器電路。 將一個周期的三角波等分為將一個周期的三角波等分為256256份，取得每一點份，取得每一點的函數(shù)值并按八位二進制進行編碼，產(chǎn)生的函數(shù)值并按八位二進制進行編碼，產(chǎn)生256256字節(jié)的字節(jié)的數(shù)據(jù)。用同樣的方法還可得到鋸齒波、正弦波、階數(shù)據(jù)。用同樣的方法還可得到鋸齒波、正弦波、階梯波等不同的八種波形的數(shù)據(jù)，并將這八組數(shù)據(jù)共梯

18、波等不同的八種波形的數(shù)據(jù)，并將這八組數(shù)據(jù)共20482048個字節(jié)寫入個字節(jié)寫入27162716當中。當中。2022-5-931圖9-13 八種波形發(fā)生器電路圖 波形選擇開關 256進制計數(shù)器 存八種波形的數(shù)據(jù) 經(jīng)8位DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓。2022-5-932S3 S2 S1波 形A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A00 0 0正弦波000H0FFH0 0 1鋸齒波100H1FFH0 1 0三角波200H2FFH1 1 1階梯波700H7FFH表9-29-2 八種波形及存儲器地址空間分配情況 S1、S2和S3：波形選擇開關。兩個16進制計數(shù)器在CP脈沖的作用下，從00

19、HFFH不斷作周期性的計數(shù)，則相應波形的編碼數(shù)據(jù)便依次出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D0D7上，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后便可在輸出端得到相應波形的模擬電壓輸出波形。 2022-5-933 圖9-14 三角波細分圖 下面以三角波為例說明其實現(xiàn)方法。下面以三角波為例說明其實現(xiàn)方法。 三角波如圖三角波如圖9-149-14所示，在圖中取所示，在圖中取256256個值來代表個值來代表波形的變化情況。波形的變化情況。在水平方向的在水平方向的257257個點順序取值，按照二進制送個點順序取值，按照二進制送入入EPROM2716EPROM2716（2K2K8 8位）的地址端位）的地址端A A0 0A A7 7，地址譯，地址譯碼器的輸出為

20、碼器的輸出為256256個（最末一位既是此周期的結束，個（最末一位既是此周期的結束，又是下一周期的開始）。又是下一周期的開始）。由于由于27162716是是8 8位的，所以要將垂直方向的取值位的，所以要將垂直方向的取值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成8 8位二進制數(shù)。位二進制數(shù)。2022-5-934表9-3 三角波存儲表 將這將這255255個二進制數(shù)通過用戶編程的方法，寫入個二進制數(shù)通過用戶編程的方法，寫入對應的存儲單元，如表對應的存儲單元，如表8-38-3所示。將所示。將27162716的高三位的高三位地址地址A A1010A A9 9A A8 8取為取為0 0，則該三角波占用的地址空間為，則該三角波占用的地

21、址空間為000H000H0FFH0FFH，共，共256256個。個。 2022-5-9351. 1. EEPROM用電氣方法在線擦除和編程的只讀存儲器。用電氣方法在線擦除和編程的只讀存儲器。 存儲單元采用浮柵隧道氧化層存儲單元采用浮柵隧道氧化層MOS管。管。寫入的數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保存十年，擦除寫入的數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保存十年，擦除/寫入次數(shù)為萬次寫入次數(shù)為萬次 10萬次。萬次。 2. 2. 快閃存儲器快閃存儲器Flash Memory 采用與采用與EPROM中的疊柵中的疊柵MOS管相似的結構，管相似的結構，同時保留了同時保留了EEPROM用隧道效應擦除的快捷特性。用隧道效應擦除的快捷特性

22、。理論上屬于理論上屬于ROM型存儲器；功能上相當于型存儲器；功能上相當于RAM。 單片容量已達單片容量已達64MB，并正在開發(fā)，并正在開發(fā)256MB的快閃的快閃存儲器?？芍貙懢幊痰拇螖?shù)已達存儲器?？芍貙懢幊痰拇螖?shù)已達100萬次。萬次。 2022-5-936由美國由美國Dallas半導體公司推出，為封裝一體化的半導體公司推出，為封裝一體化的電池后備供電的靜態(tài)讀寫存儲器。電池后備供電的靜態(tài)讀寫存儲器。 它以高容量長壽命鋰電池為后備電源，在低功它以高容量長壽命鋰電池為后備電源，在低功耗的耗的SRAM芯片上加上可靠的數(shù)據(jù)保護電路所構成。芯片上加上可靠的數(shù)據(jù)保護電路所構成。 其性能和使用方法與其性能和使

23、用方法與SRAM一樣，在斷電情況一樣，在斷電情況下，所存儲的信息可保存下，所存儲的信息可保存10年。年。 其缺點主要是體積稍大，價格較高。其缺點主要是體積稍大，價格較高。 此外，還有一種此外，還有一種nvSRAM，不需電池作后備電，不需電池作后備電源，它的非易失性是由其內(nèi)部機理決定的。源，它的非易失性是由其內(nèi)部機理決定的。 已越來越多地取代已越來越多地取代EPROM，并廣泛應用于通信，并廣泛應用于通信設備、辦公設備、醫(yī)療設備、工業(yè)控制等領域。設備、辦公設備、醫(yī)療設備、工業(yè)控制等領域。 3. 3. 非易失性靜態(tài)讀寫存儲器非易失性靜態(tài)讀寫存儲器NVSRAM 2022-5-937串行存儲器是為適應某些設備對元器件