數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）：第七章 半導(dǎo)體存儲器

第七章半導(dǎo)體存儲器介紹半導(dǎo)體存儲器的工作原理和使用方法只讀存儲器（ROM）掩模ROM；可編程ROM（PROM）；可擦除的可編程ROM（EPROM）隨機(jī)存儲器（RAM）靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）擴(kuò)展存儲容量位擴(kuò)展字?jǐn)U展用存儲器設(shè)計(jì)組合邏輯電路存儲容量

—指一個(gè)存儲器所能存放的最大信息量。通常用B（Byte字節(jié)）、KB（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)）表示。存取時(shí)間

—指完成一次存儲器讀/取操作所需的時(shí)間（又稱讀寫時(shí)間）?？煽啃浴复鎯ζ髟谝?guī)定時(shí)間內(nèi)無故障工作的情況。一般采用平均無故障時(shí)間間隔（MTBF）衡量。MTBF長，存儲器可靠性好。價(jià)格—由存儲器容量、性能決定。

存儲器的主要指標(biāo)半導(dǎo)體存儲器：能存儲大量二值信息的半導(dǎo)體器件。優(yōu)點(diǎn)：存儲密度高，體積小，容量大，讀寫速度快，功耗低性能指標(biāo)：存儲量和存儲速度硬盤光盤7.1

概述分類：掩模ROM可編程ROM(PROM)可擦除的可編程ROM(EPROM)隨機(jī)存儲器RAM(RandomAccessMemory)靜態(tài)存儲器SRAM動態(tài)存儲器DRAM按功能特點(diǎn)只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)按制造工藝雙極型

MOS型：低功耗、集成度高的特點(diǎn)7.2只讀存儲器(ROM)特點(diǎn)：只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時(shí)修改或重新寫入數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。缺點(diǎn)：適用于存儲固定數(shù)據(jù)。返回*掩膜式ROM___數(shù)據(jù)已確定,無法更改。*快閃存儲器

___電可擦除類ROM,具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特點(diǎn)*可編程ROM(PROM)___數(shù)據(jù)可以由用戶根據(jù)自己的需要寫入,但一經(jīng)寫入就不能更改。*紫外線可擦除ROM(EPROM)___數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。*電可擦除ROM(E2PROM)___數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。只讀存儲器的分類:7.2.1

掩模ROM一、結(jié)構(gòu)存儲矩陣：由二極管、雙極型三極管或MOS管構(gòu)成存儲單元。地址譯碼器：將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號。輸出緩沖器：提高存儲器的帶負(fù)載能力；實(shí)現(xiàn)對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)的總線連接。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)在制作時(shí)已經(jīng)確定，無法更改控制信號數(shù)據(jù)二、舉例字線地址線位線三態(tài)控制數(shù)據(jù)線地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110D0DmA0~An-1W0W(2n-1)10100001000100存儲矩陣：存儲矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)“存儲單元”；交叉點(diǎn)接二極管==存入“1”交叉點(diǎn)沒接二極管==存入“0”交叉點(diǎn)數(shù)目=存儲單元數(shù)目=存儲量（容量）存儲器的容量：“字?jǐn)?shù)x位數(shù)”用二極管構(gòu)成的存儲矩陣用MOS管構(gòu)成的存儲矩陣1000導(dǎo)通01000111返回7.2.2可編程ROM（PROM）編程時(shí)VCC和字線電壓提高IP存儲矩陣的所有交叉點(diǎn)上制作了存儲元件；熔絲由易熔合金制成編程時(shí)將存入0的熔絲燒斷一次性編程，不能改寫返回7.2.3可擦除的可編程ROM（EPROM）存儲的數(shù)據(jù)可以擦除重寫分類用紫外線擦除的PROM(EPROM)電信號可擦除的PROM(E2PROM)快閃存儲器(FlashMemory)一、用紫外線擦除的PROM（UVEPROM）控制柵浮置柵控制柵：控制讀出和寫入浮置柵：長期保存注入電荷二、電可擦除的可編程ROM（E2PROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同控制柵浮置柵讀出狀態(tài)導(dǎo)通浮置柵沒有負(fù)電荷：T1導(dǎo)通，Bj讀出0；浮置柵有負(fù)電荷：T1截止，Bj讀出1；可延長隧道區(qū)超薄氧化層的壽命。特點(diǎn)：系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，E2PROM只能工作在讀出狀態(tài)擦除狀態(tài)隧道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)電場；漏區(qū)的電子通過隧道區(qū)到達(dá)浮置柵，形成存儲電荷；Flotox管的開啟電壓提高到+7V以上；讀出時(shí)GC上的電壓為+3V，F(xiàn)lotox管不會導(dǎo)通；一個(gè)字節(jié)擦除后，所有的存儲單元均為1狀態(tài)。特點(diǎn)：需要加高電壓脈沖，擦除的時(shí)間較長寫入狀態(tài)使寫入0的存儲單元的Flotox管浮置柵放電；浮置柵通過隧道區(qū)放電；開啟電壓降為0V讀出時(shí)Ge上加+3V電壓，F(xiàn)lotox管導(dǎo)通特點(diǎn)：需要加高電壓脈沖，寫入的時(shí)間較長三、快閃存儲器（FlashMemory）為提高集成度，省去T2（選通管）改用疊柵MOS管（類似SIMOS管）雖然，ROM可讀也可寫，但寫入速度慢，另外寫入或擦除操作是有損操作，SIO2絕緣層很薄，隨著寫操作次數(shù)增加，也在不斷損耗，一旦絕緣層徹底擊穿，將不能再編程。所以可寫ROM的編程次數(shù)都是有限的，典型次數(shù)為100萬次(NANDFlash)。U盤往往內(nèi)部包括了微處理器（右側(cè)芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比較低的單電源條件下工作，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部往往有電荷泵（chargepump

）用于提升電壓，以滿足在擦除和寫入時(shí)對高電壓的要求。優(yōu)點(diǎn)：編程和擦除操作不需要使用編程器；寫入和擦除的控制電路集成于存儲器芯片中5V的低壓電源工作，使用方便缺點(diǎn)：編程次數(shù)有限返回ROM圖的簡化結(jié)構(gòu)圖:

地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110對應(yīng)的數(shù)據(jù)表:存儲容量：——用“字?jǐn)?shù)位數(shù)(即字長)”表示存儲器中存儲單元的數(shù)量。存儲容量及其表示:用“M”表示“1024K”，即1M=1024K=210K=220例如，一個(gè)328的ROM，表示它有32個(gè)字,地址線為5位，字長為8位，存儲容量是328=256。對于大容量的ROM

常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210

例如，一個(gè)64K8的ROM，表示它有64K個(gè)字，

字長為8位，存儲容量是64K8=512K。例如，一個(gè)存儲容量為102412的ROM

。表示它有1024個(gè)字，10位地址線，字長為12位。

存儲容量:

字?jǐn)?shù)×

位數(shù)例1:如圖所示ROM的存儲容量為:例2:

已知某個(gè)ROM的存儲容量為:16×2

則其地址線為:字線為:數(shù)據(jù)線為:例3:ROM的存儲容量為:1024×8

則其地址線為:字線為:數(shù)據(jù)線為:416210102484×47.3

隨機(jī)存儲器(RAM)優(yōu)點(diǎn)：讀、寫方便，使用靈活缺點(diǎn)：停電后存儲的數(shù)據(jù)丟失分類靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM返回7.3.1靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM（一）SRAM的結(jié)構(gòu)讀/寫控制電路：對電路的工作狀態(tài)進(jìn)行控制讀/寫控制信號R/W’=1,讀數(shù)據(jù)

R/W’=0,寫數(shù)據(jù)片選輸入端CS’=0，RAM正常工作

CS’=1，所有的輸入/輸出端均為高阻態(tài)（二）SRAM的靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元：在SR鎖存器的基礎(chǔ)上附加門控管而構(gòu)成六管CMOS靜態(tài)存儲單元六管N溝道增強(qiáng)型MOS管（二）SRAM的靜態(tài)存儲單元返回單管存儲單元7.3.2

動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM原理：

MOS管柵極電容可以存儲電荷寫數(shù)據(jù)：字線高電平，T導(dǎo)通，位線上的數(shù)據(jù)經(jīng)T存入CS中讀數(shù)據(jù)：字線高電平，T導(dǎo)通，CS經(jīng)T向CB提供電荷，位線獲得讀出的信號電平256MBDDRSDRAM原理圖DRAM芯片組成的內(nèi)存模塊返回7.4存儲器容量的擴(kuò)展7.4.1位擴(kuò)展方式例：用八片1024x1位→1024x8位的RAM一片ROM或RAM不能滿足容量的要求字?jǐn)?shù)夠用，位數(shù)不夠用接法：將各片的地址線、讀寫線、片選線并聯(lián)7.4.2字?jǐn)U展方式1024x8RAM例：用四片256x8位→1024x8位RAM位數(shù)夠用，字?jǐn)?shù)不夠用000111011011101101111110RAM的字?jǐn)U展接法1000111011011101101111110RAM的字?jǐn)U展接法2位、字?jǐn)U展:擴(kuò)展地址線和數(shù)據(jù)線

例1:將1024×2的RAM擴(kuò)展成2048×4的RAM

位、字?jǐn)U展方式:ROM的分析——例題1例題1:分析如圖所示電路的邏輯功能。解：DCBAF3F2F1F0

00000011

00010100

00100101

00110110

0100011101011000011010010111101010001011

10011100

10100000

10110000

11000000110100001110000011110000*由圖寫表達(dá)式：*由表達(dá)式列真值表:*邏輯功能：實(shí)現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。ROM的分析——例題2例題2：分析如圖所示電路的邏輯功能。解:*由圖寫表達(dá)式:*由圖列真值表:(見P193表4.3.9)*邏輯功能:一位全加器7.5用存儲器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)一、基本原理 若以地址線為輸入變量，則數(shù)據(jù)線即為一組關(guān)于地址變量的邏輯函數(shù)地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110譯碼器的輸出包含了輸入變量全部的最小項(xiàng)每一位數(shù)據(jù)輸出是若干個(gè)最小項(xiàng)之和二、舉例固定的m0m15可變的存儲器件用ROM的設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)例題1:用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù):例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.例題3：用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函數(shù)用ROM的設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)ROM的設(shè)計(jì)——例題1例題1:用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù):解：*將函數(shù)整理成最小項(xiàng)表達(dá)式：*畫ROM的連接圖ROM的設(shè)計(jì)——例題2例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.解：*列真值表ABCICOSABCICOS0000010001001111010001011110000111011111（減法A

–B

–CI=COS）*由真值表寫表達(dá)式*由表達(dá)式畫ROM的連接圖ROM的設(shè)計(jì)——例題2（續(xù)）例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器.解：*由真值表寫表達(dá)式*由表達(dá)式畫ROM的連接圖ROM的設(shè)計(jì)——例題3例題3:用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函