第六章 半導(dǎo)體存儲器

1、第六章第六章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器計算機(jī)科學(xué)與工程系2第第6章章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能夠存儲數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、操作指令的邏輯部件。用于計算機(jī)的內(nèi)存及數(shù)字系統(tǒng)存儲部件。6.1 概述概述6.2 只讀存儲器只讀存儲器6.3 隨機(jī)存取存儲器 計算機(jī)科學(xué)與工程系36.1 概述概述 6.1.1 半導(dǎo)體存儲器的特點(diǎn)及分類半導(dǎo)體存儲器的特點(diǎn)及分類n 按存儲信號的原理不同：按存儲信號的原理不同： 分為靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器兩種。 分成TTL和MOS存儲器兩大類。TTL型速度快，MOS型工藝簡單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。n按制造工藝不同分類：按制造工藝不同分類

2、：計算機(jī)科學(xué)與工程系4靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器是以觸發(fā)器為基本單元來存儲0和1的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會改變；動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器是用電容存儲電荷的效應(yīng)來存儲二值信號的。電容漏電會導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時對電容進(jìn)行充電或放電。 稱為刷新。動態(tài)存儲器都為MOS型。n按工作特點(diǎn)不同：按工作特點(diǎn)不同： 分成只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器。計算機(jī)科學(xué)與工程系5 6.1.2 半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲器有兩個主要技術(shù)指標(biāo)：存儲容量和存取時間。1、存儲容量：存儲器中存儲單元個數(shù)叫存儲容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。計算機(jī)科學(xué)與工程系6n存儲器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。一個字的位數(shù)稱做字

3、長。例如，16位構(gòu)成一個字，該字的字長為16位。一個存儲單元只能存放一位二值代碼，要存儲字長為16的一個字，就需要16個存儲單元。若存儲器能夠存儲1024個字，就得有102416個存儲單元。通常,存儲容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。 計算機(jī)科學(xué)與工程系7例如: 某存儲器能存儲1024個字 ，每個字4位，那它的存儲容量就為10244=4096，即該存儲器有4096個存儲單元。p 存儲器寫入（存）或者讀出（?。r，每次只能寫入或讀出一個字。若字長為8位，每次必須選中8個存儲單元。選中哪些存儲單元，由地址譯碼器的輸出來決定。即由地址碼來決定。計算機(jī)科學(xué)與工程系8p 地址碼的位數(shù)n與字?jǐn)?shù)之間存在2n=字?jǐn)?shù)的

4、關(guān)系。如果某存儲器有十個地址輸入端，那它就能存210=1024個字。 2、存取周期 連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時間稱為存取周期。 計算機(jī)科學(xué)與工程系9 6.2 只讀存儲器半導(dǎo)體只讀存儲器(Read-only Memory,簡稱ROM)是只能讀不能寫的存儲器。通常用其存放固定的數(shù)據(jù)和程序，如計算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、函數(shù)表、字符等。只讀存儲器為非易失性存儲器，去掉電源，所存信息不會丟失。計算機(jī)科學(xué)與工程系10ROM按存儲內(nèi)容的寫入方式，可分為固定ROM,可編程序只讀存儲器，簡稱（PROM)和可擦除可編程只讀存儲器(Erasable Programmable Read Only Memo

5、ry，簡稱EPROM)。固定固定ROM：在制造時根據(jù)特定的要求做成固定的存儲內(nèi)容，出廠后，用戶無法更改，只能讀出。計算機(jī)科學(xué)與工程系11PROM：存儲內(nèi)容可以由使用者編制寫入，但只能寫入一次，一經(jīng)寫入就不能再更改。EPROM：存儲內(nèi)容可以改變，但EPROM所存內(nèi)容的擦去或改寫，需要專門的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時，也只能讀出。E2PROM：可用電擦寫方法擦寫。計算機(jī)科學(xué)與工程系126.2.1 固定只讀存儲器(ROM) 圖圖6-1 ROM結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖ROM由地址譯由地址譯碼器、存儲矩陣、碼器、存儲矩陣、輸出和控制電路輸出和控制電路組成，如圖組成，如圖6-1所示。所示。計算機(jī)科學(xué)與工程系13圖圖

6、6-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM地址譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣輸出電路輸出電路字線字線計算機(jī)科學(xué)與工程系14圖6-2是一個44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個地址號，每個地址存放一個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)過輸出緩沖器輸出。計算機(jī)科學(xué)與工程系15存儲矩陣：是NMOS管的或門陣列。一個字有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)。存儲矩陣實(shí)際上是一個編碼器，工作時編碼內(nèi)容不變。位線經(jīng)過反相后輸出，即為ROM的輸出端D0、D1、D2、D

7、3。 0123,D D D D計算機(jī)科學(xué)與工程系16每根字線和位線的交叉處是一個存儲單元，共有16個單元。交叉處有NMOS管的存儲單元存儲“1”，無NMOS管的存儲單元存儲“0”。例如，當(dāng)?shù)刂稟1A0=00時，則W0=1（W1、W2、W3均為0），此時選中0號地址使第一行的兩個NMOS管導(dǎo)通， 計算機(jī)科學(xué)與工程系17經(jīng)輸出電路反相后，經(jīng)輸出電路反相后，輸出輸出D3D2D1D0=0101。因此，選中一個地址，因此，選中一個地址，該行的存儲內(nèi)容輸出。該行的存儲內(nèi)容輸出。四個地址存儲的內(nèi)容四個地址存儲的內(nèi)容如表如表6-1所示。所示。1100D01011D20101D10101D3內(nèi) 容0 00 11

8、 01 1A1 A0地 址表表6-1 ROM中的信息表中的信息表20310,0,1DDDD計算機(jī)科學(xué)與工程系18固定ROM的編程是設(shè)計者根據(jù)要求確定存儲內(nèi)容，設(shè)計出存儲矩陣，即哪些交叉點(diǎn)（存儲單元）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，畫出存儲矩陣編碼圖。通常，存儲矩陣中有管子處，用“碼點(diǎn)”表示，由生產(chǎn)廠制作。圖6-2的存儲矩陣簡化編碼圖如圖6-3所示。計算機(jī)科學(xué)與工程系19位線與字線之間邏輯關(guān)系為：D0=W0+W 1D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3圖圖6-3 ROM的符號矩陣的符號矩陣計算機(jī)科學(xué)與工程系20p存儲矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存

9、儲矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存儲矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和存儲矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和輸入是與的關(guān)系，因此輸入是與的關(guān)系，因此ROM是一個多輸是一個多輸入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的與或邏輯陣列。與或邏輯陣列。 計算機(jī)科學(xué)與工程系21 PROM和和ROM的區(qū)別在于的區(qū)別在于ROM由廠家由廠家編程，編程，PROM由用戶編程。出廠時由用戶編程。出廠時PROM的的內(nèi)容全是內(nèi)容全是0或全是或全是1，使用時，用戶可以根據(jù)，使用時，用戶可以根據(jù)需要編好代碼，寫入需要編好代碼，寫入PROM中。中。計算機(jī)科學(xué)與工程系22圖圖6-4 326-4 32

10、字字8 8位熔斷絲結(jié)構(gòu)位熔斷絲結(jié)構(gòu)PROMPROM這種電路存這種電路存儲內(nèi)容全部為儲內(nèi)容全部為0。如果想使某單如果想使某單元改寫為元改寫為1，需，需要使熔斷絲通要使熔斷絲通過大電流，使過大電流，使它燒斷。一經(jīng)它燒斷。一經(jīng)燒斷，再不能燒斷，再不能恢復(fù)?；謴?fù)。計算機(jī)科學(xué)與工程系23 6.2.3 可擦可編程只讀存儲器(EPROM) 可擦除可編程存儲器又可以分為：光可擦除可編程存儲器UVEPROM(UltraViolet Ereasable Programmable ReadOnly Memory)電可擦除可編程存儲器E2 PROM (Electrical Ereasable Programmable

11、 ReadOnly Memory)快閃存儲器(Flash Memory)等。 計算機(jī)科學(xué)與工程系24例例6-1試用試用ROM設(shè)計一個能實(shí)設(shè)計一個能實(shí)現(xiàn)函數(shù)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路的運(yùn)算表電路,x的的取值范圍為取值范圍為015的正整數(shù)。的正整數(shù)。解：因?yàn)樽宰兞拷猓阂驗(yàn)樽宰兞縳的取值范圍為的取值范圍為015的正整數(shù)的正整數(shù),所以應(yīng)用所以應(yīng)用4位二位二進(jìn)制正整數(shù)進(jìn)制正整數(shù),用用B=B3B2B1B0表表示示,而而 y的最大值是的最大值是=225,可以用可以用8位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。根據(jù)根據(jù)y=x2的關(guān)系可列出的關(guān)系可列出Y7、 Y6、Y5、Y4、Y3、Y

12、2、Y1、Y0計算機(jī)科學(xué)與工程系250149162536496481100121144169196225十進(jìn)制數(shù)注0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7

13、Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0輸 出0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0輸 入真值表真值表計算機(jī)科學(xué)與工程系26根據(jù)表達(dá)式畫出ROM存儲點(diǎn)陣如下圖。ROM點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖計算機(jī)科學(xué)與工程系276.3 隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器 n隨機(jī)存取存儲器RAM（Random Access Memory）可隨時從任一指定地址存入（寫入）或取出（讀出）信息。n在計算機(jī)中，RAM用作內(nèi)存儲器和高

14、速緩沖存儲器。RAM分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM；靜態(tài)RAM又分為雙極型和MOS型。計算機(jī)科學(xué)與工程系28 6.3.1 靜態(tài)RAM 1、雙極型RAM存儲單元; 2、靜態(tài)MOS型RAM ;計算機(jī)科學(xué)與工程系29 6.3. 2 動態(tài)RAM n動態(tài)RAM與靜態(tài)RAM的區(qū)別在于：信息的存儲單元是由門控管和電容組成。用電容上是否存儲電荷表示存1或存0。為防止因電荷泄漏而丟失信息，需要周期性地對這種存儲器的內(nèi)容進(jìn)行重寫，稱為刷新。動態(tài)MOS存儲單元電路主要是三管和單管結(jié)構(gòu)。 計算機(jī)科學(xué)與工程系306.3.3 集成RAM簡介 以Intel公司的MOS型靜態(tài)2114為例。計算機(jī)科學(xué)與工程系31圖6-14是Int

15、el公司的MOS型靜態(tài)2114的結(jié)構(gòu)圖。10244位RAM。可以選擇4位的字1024個。采用X、Y雙向譯碼方式。4096個存儲單元排列成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矩陣中四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路，讀寫操作在 （讀/寫信號）和 （選片信號）的控制下進(jìn)行。CSWR/圖圖6-14 2114RAM10244位位 存儲器結(jié)構(gòu)圖存儲器結(jié)構(gòu)圖計算機(jī)科學(xué)與工程系32 6.3.4 RAM的擴(kuò)展 nRAM的種類很多，存儲容量有大有小。當(dāng)一片RAM不能滿足存儲容量需要時，就需要將若干片RAM組合起來，構(gòu)成滿足存儲容量要求的存儲器。RAM的擴(kuò)展分為位

16、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，應(yīng)采用位擴(kuò)展。 計算機(jī)科學(xué)與工程系33實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展的原則是：多個單片RAM的I/O端分別接到數(shù)據(jù)線上。多個RAM的CS接到一起，作為RAM的片選端（同時被選中）；地址端對應(yīng)接到一起，作為RAM的地址輸入端。多個單片RAM的R/W端接到一起，作為RAM的讀/寫控制端（讀/寫控制端只能有一個）； 計算機(jī)科學(xué)與工程系34圖6-15是用4片2561位的RAM擴(kuò)展成2564位的RAM的接線圖。 圖圖6-15 RAM位擴(kuò)展接線圖位擴(kuò)展接線圖計算機(jī)科學(xué)與工程系35 2.字?jǐn)U展n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，需要進(jìn)行字?jǐn)U展。字?jǐn)?shù)增加

17、，地址線數(shù)就得相應(yīng)增加。如2568位RAM的地址線數(shù)為8條，而10248位RAM的地址線數(shù)為10條（接線見圖6-16）。n實(shí)現(xiàn)字?jǐn)U展的原則是： 多個單片RAM的I/O端并聯(lián)，作為RAM的I/O端 . 計算機(jī)科學(xué)與工程系36 多片構(gòu)成字?jǐn)U展之后，每次訪問只能選中一片，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； 地址端對應(yīng)接到一起，作為低位地址輸入端。 R/W端接到一起作為RAM的讀/寫控制端（讀寫控制端只能有一個）；計算機(jī)科學(xué)與工程系37圖圖6-16 RAM的字?jǐn)U展接法的字?jǐn)U展接法計算機(jī)科學(xué)與工程系38例6-1 試用10244位RAM實(shí)現(xiàn)40968

18、位存儲器。解：40968位存儲器需10244位RAM的芯片數(shù)片一片存儲容量總存儲器容量84102484096C計算機(jī)科學(xué)與工程系39n 根據(jù)2n =字?jǐn)?shù)，求得4096個字的地址線數(shù)n=12，兩片10244位RAM并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了位擴(kuò)展，達(dá)到8位的要求。n地址線A11、A10接譯碼器輸入端，譯碼器的每一條輸出線對應(yīng)接到二片10244位RAM的CS 端。連接方式見圖6-17所示。計算機(jī)科學(xué)與工程系40RAM的字、位擴(kuò)展的字、位擴(kuò)展地址總線數(shù)據(jù)總線計算機(jī)科學(xué)與工程系41半導(dǎo)體存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲半導(dǎo)體存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元可存儲一位二進(jìn)制數(shù)單元可存儲一位二進(jìn)制數(shù) 。根據(jù)存取功

19、能的不。根據(jù)存取功能的不同，同，半導(dǎo)體存儲器分為只讀存儲器半導(dǎo)體存儲器分為只讀存儲器( (ROM) )和隨和隨機(jī)存取存儲器機(jī)存取存儲器( (RAM) )，兩者的存儲單元結(jié)構(gòu)不，兩者的存儲單元結(jié)構(gòu)不同。同。ROM 屬于大規(guī)模組合邏輯電路，屬于大規(guī)模組合邏輯電路，RAM 屬屬于大規(guī)模時序邏輯電路于大規(guī)模時序邏輯電路。本 章 小 結(jié)計算機(jī)科學(xué)與工程系42ROM 用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，存儲內(nèi)容不用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，存儲內(nèi)容不能隨意改寫。工作時，只能根據(jù)地址碼能隨意改寫。工作時，只能根據(jù)地址碼讀出數(shù)讀出數(shù)據(jù)。斷電后其數(shù)據(jù)不會丟失據(jù)。斷電后其數(shù)據(jù)不會丟失。ROM有固定有固定 ROM( (又稱掩膜又稱掩膜 ROM) ) 和可編程和可編程 ROM之分。之分。固定固定 ROM 由制造商在制造芯片時，用掩膜技由制造商在制造芯片時，用掩膜技術(shù)向芯片寫入數(shù)據(jù)，而可編程術(shù)向芯片寫入數(shù)據(jù)，而可編程 ROM 則由用戶則由用戶向芯片寫入數(shù)據(jù)?？删幊滔蛐酒瑢懭霐?shù)據(jù)?？删幊?ROM 又分為一次可又分為一次可編程的編程的 PROM 和可重復(fù)改寫、重復(fù)編程的和可重復(fù)改寫、重復(fù)編程的 EPROM 和和 E2PROM。EPROM 為電寫入紫外為電寫入紫外擦除型，擦除型，E2PROM 為電寫入電擦除型，后者比為電寫入電擦除型