第六章半導體存儲器

《數(shù)字電子技術》6-2只讀存儲器(ROM)6-3隨即存儲器(RAM)6-1概述第6章半導體存儲器第6章半導體存儲器本章內容的特點：了解性的內容多、具有一般常識性，重點在于應用（容量擴展）6.1概述

一、半導體存儲器的分類只讀存儲器ROM分類ROM

掩膜ROM內容只能讀出，不能改變.半導體廠家用掩膜技術寫入程序成本低，適用于批量生產(chǎn)不適用研究工作PROM可編程ROM內容只能讀出，不能改變.用戶使用特殊方法進行編程，只能寫一次，一次編程不能修改。適用于批量生產(chǎn)不適用研究工作EPROM光可擦除PROM固化程序用紫外線光照5～15分鐘擦除，擦除后可以重新固化新的程序和數(shù)據(jù)。用戶可以對芯片進行多次編程和擦除。適用于研究工作不適用于批量生產(chǎn)。E2PROM電可擦除PROM實現(xiàn)全片和字節(jié)擦寫改寫，作為非易失性RAM使用。集成度和速度不及EPROM，價格高，擦寫在原系統(tǒng)中在線進行。FlashMemory快速電擦寫存儲器可以整體電擦除（時間1S）和按字節(jié)重新高速編程。CMOS低功耗；編程快（每個字節(jié)編程100μs

整個芯片0.5s）；擦寫次數(shù)多（通?？蛇_到10萬）與E2PROM比較：容量大、價格低、可靠性高等優(yōu)勢。用于PC機內裝操作系統(tǒng)和系統(tǒng)不能丟失初始功能的專門領域。需要周期性地修改被存儲的數(shù)據(jù)表的場合。內存細分信息存取方式特點用途

計算機系統(tǒng)中，一個二進制的取值單位稱為二進制位，簡稱“位”，用b表示（bit的縮寫），是表示信息的最小單位。二、計算機中信息的表示方法

1.信息單位

計算機系統(tǒng)中，對信息表示的單位有位、字節(jié)、字、字長等，它們是用來表示信息的量的大小以及信息存儲傳輸方式的基本概念。（1）位

通常將8個二進制位稱為一個字節(jié)，簡稱B（Byte的縮寫），是表示的基本單元。（2）字節(jié)1KB＝210B＝1024B1MB＝220B=1024KB1GB=230B＝1024MB1TB=240B＝1024MB

計算機在執(zhí)行存儲、傳送等操作時，作為一個整體單位進行操作的一組二進制，稱為一個計算機字，簡稱字。（3）字（4）字長每個字所包含的位數(shù)稱為字長。一般計算機的字長越大，其性能越高。內存儲器是數(shù)據(jù)和代碼的臨時存放設備。2.內存儲器（主存儲器）內存儲器可分為RAM（RandomAccessMemory，隨機存儲器）和ROM（ReadOnlyMemory，只讀存儲器）。目前，內存儲器一般為半導體存儲器。RAM的特點：是可讀可寫，但關機后存儲的信息將自動消失。（1）隨機存儲器RAMRAM分為：動態(tài)存儲器DRAM和靜態(tài)存儲器SRAM◆動態(tài)存儲器DRAMDRAM主要用于主存儲器（俗稱內存條）的制造。◆靜態(tài)存儲器SRAM

SRAM主要用于高速緩存，其存取速度比DRAM分快得多。它存儲的信息一般由廠商在制造時寫入的。只能讀出信息而不能修改，其所存信息在斷電后仍能保持。

（2）只讀存儲器ROM特點：外存儲器與內存儲器相比，存儲容量大，可靠性高，價格低，在脫機情況下可永久保存信息。3.外存儲器主要有：軟盤存儲器、硬盤、光盤等。但速度較內存儲器慢得多，它屬外部設備。三、存儲器的技術指標是指存儲器存放數(shù)據(jù)的多少，即存儲單元的總數(shù)存儲容量＝N（字數(shù)）×Ｍ（位數(shù)）存儲器的字數(shù)通常采用K、M、G為單位存儲容量也可以用如下的幾種形式表示：1K＝210＝10241Ｍ=220＝1024×1024=1024K1G＝230＝1024M256×81K×41Ｍ×1存儲容量：三、存儲器的技術指標存儲容量＝N（字數(shù)）×Ｍ（位數(shù)）存儲容量：存取周期：指兩次連續(xù)讀?。ɑ驅懭耄?shù)據(jù)之間的間隔時間間隔時間越短，說明存儲周期越短，工作速度越高。例如，一個328的ROM，表示它有32個字，

字長為8位，存儲容量是328=256。

6.2只讀存儲器

只讀存儲器（ROM），它存儲的信息是固定不變的。工作時，只能讀出信息，不能隨時寫入信息。ROM功能存放固定信息程序，常數(shù)，指令，......ROM的優(yōu)點信息非“易失”(Nonvolatile)簡單，容量大一、掩膜只讀存儲器ROM1.ROM結構ROM的電路結構圖

2.ROM的工作原理001100011100導通導通存儲矩陣是一個“或”邏輯陣列W3=A1A0m3m2W2=A1A0m1W1=A1A0m0W0=A1A0A0A1地址譯碼器D3D2D1D0有二極管無二極管3.ROM的陣列圖地址譯碼：與陣列A0A1W0W1W2W3A0_A0A1_A1A0A1W3A0A0A1A1W3ROM字數(shù)很大時，譯碼系統(tǒng)很復雜。字數(shù)較大，采用多級譯碼字數(shù)很少，一級譯碼存儲電路或陣列可以畫為：W0W1W2W3B0B1B2B3W0W1W2W3B0+W0W2B0++PROM——與陣列固定、或陣列可編程W0W1W2W3A0A1++++Y0Y1Y2Y3固定連接可編程連接不連接8x4ROMA0A1A2F0F1F2F3與陣列不可編程或陣列可編程8個存儲單元，每個單元存儲4位二進制數(shù)碼。TTL-ROM結構圖

MOS-ROM結構圖

PROM出廠時，全部熔絲都連通，全部存儲單元相當于存儲1。用戶在編程時，可根據(jù)要求，借助編程工具將需要存儲0單元的熔絲燒斷即可。熔絲燒斷后不可恢復，故PROM只能進行一次性編程。

二極管ROM

TTL-ROM

MOS-ROM

Wi

Dj

Wi

Dj

VCC

Wi

Dj

+VDD

1熔絲熔絲熔絲二、可編程只讀存儲器(PROM)用一個特殊的浮柵MOS管替代熔絲。用紫外線擦除信息的，稱為EPROM。用電信號擦除信息的，稱為EEPROM，即E2PROM。

按擦除方式不同分

EPROM只能整體擦除，擦除時間較長。

E2PROM中的存儲單元可逐個擦除逐個改寫，它的編程和擦除都用電信號完成，速度比EPROM快得多。三、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)

EPROM集成芯片上有一個石英窗口供紫外線擦除之用。芯片寫入數(shù)據(jù)后，必須用不透光膠紙將石英窗口密封，以免破壞芯片內信息。四、集成

EPROM介紹

27系列EPROM是最常用的EPROM，型號從2716、2732、2764一直到27C040。存儲容量分別為2K8、4K8一直到512K8。下面以Intel2716為例，介紹其功能及使用方法。

(一)2716的基本結構和引腳圖存儲容量為211=10242=2K字

,16Kbit

VCCIntel2716A8A9VPPOEA10CSD7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413

A10~A0

為地址碼輸入端。

D7~D0

為數(shù)據(jù)線，工作時為數(shù)據(jù)輸出端，編程時為寫入數(shù)據(jù)輸入端。

VCC

和GND：+5V工作電源和地。

VPP

為編程高電平輸入端。編程時加+25V

電壓，工作時加+5V

電壓。

(二)

引腳功能

CS

有兩種功能：

(1)工作時為片選使能端，低電

平有效。CS=0時，芯片被

選中，處于工作狀態(tài)。

(2)編程時為編程脈沖輸入端。

OE為允許數(shù)據(jù)輸出端，低電平有效。OE=0時，允許讀出數(shù)據(jù)；OE=1時，不能讀出數(shù)據(jù)。

(三)由CS、OE

和VPP

的不同狀態(tài)，確定

2716的下列5種工作方式(1)讀方式：當CS=0、OE=0，并有地址碼輸入時，

從D7~D0

讀出該地址單元的數(shù)據(jù)。(2)維持方式：當CS=1

時，數(shù)據(jù)輸出端D7~D0

呈高阻隔離態(tài)，此時芯片處于維持狀態(tài)，電源電流下降到維持電流27mA以下。(3)編程方式：OE=1，在VPP

加入25V

編程電壓，在地址線上輸入單元地址，數(shù)據(jù)線上輸入要寫入的數(shù)據(jù)后，在CS

端送入50ms寬的編程正脈沖，數(shù)據(jù)就被寫入到由地址碼確定的存儲單元中。(4)

編程禁止：在編程方式下，如果CS

端不送入編程正脈沖，而保持低電平，則芯片不能被編程，此時為編程禁止方式，數(shù)據(jù)端為高阻隔離態(tài)。(5)

編程檢驗：當VPP=+25V，CS

和OE

均為有效電平時，送入地址碼，可以讀出相應存儲單元中的數(shù)據(jù)，以便檢驗。五、ROM的應用1、位擴展用4片328ROM擴展成3232ROM?！纠?/p>

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。

方法：用同一地址信號控制n個相同字數(shù)的ROM。

將4塊32×8的ROM的所有地址線和CS（片選線）分別對應并接在一起，而每一片的位輸出作為整個ROM輸出的一位。1、位擴展用4片328ROM擴展成3232ROM?！纠考矗簩⑺械刂肪€和CS（片選線）分別對應并接在一起2、字擴展用256片(512x8)ROM芯片擴展成128Kx8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM............16片16片4-164-16譯碼列選擇行選擇__CE0__CE1【例1】用2片(32x8)ROM芯片擴展成128x4ROM【例2】【例1】用EPROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的點陣圖如下圖。（1）寫出函數(shù)Y1、Y2的邏輯表達式。（2）說明器件的特點和點陣存儲容量大小。3、用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)［解］（1）邏輯函數(shù)Y1、Y2由EPROM矩陣實現(xiàn)。（2）EPROM為大規(guī)模集成電路，用戶可根據(jù)需要反復改寫存儲單元的內容，因此可以實現(xiàn)任何復雜的組合邏輯函數(shù)。存儲容量為6×8＋2×8＝64（個存儲單元）根據(jù)EPROM的結構特點，與陣列為固定結構，或陣列為可編程結構。【例2】EPROM實現(xiàn)的組合邏輯函數(shù)如圖所示。（1）分析電路功能，說明當輸入X、Y、Z為何值時，函數(shù)F1＝1，函數(shù)F2＝1。（2）說明X、Y、Z為何種取值時，F(xiàn)1＝F2＝0。［解］由圖可知，邏輯函數(shù)F1、F2由EPROM矩陣組成。即（2）從F1、F2的邏輯表達式中看出，當XYZ＝010,100時，F(xiàn)1＝F2＝0由上式看出：當XYZ＝000,

001，100,

101時，F(xiàn)1＝1；當XYZ＝011,

101,

110，111時，F(xiàn)2＝1?！纠?】如圖所示為多輸出函數(shù)F1、F2、F3、F4的ROM點陣圖，寫出F1、F2、F3、F4對輸入變量A、B、C的邏輯表達式。［解］［設計題1］已知函數(shù)F1、F2、F3、F4：試用EPROM實現(xiàn)上述函數(shù)，畫出相應的點陣圖?！窘狻浚?）由本題給定的條件，可知輸入變量數(shù)為A、B、C、D，（4個）輸出為F1、F2、F3、F4（4個）。

用EPROM實現(xiàn)邏輯函數(shù)時，一般步驟為如下：（1）確定輸入變量數(shù)和輸出端個數(shù)；（2）將函數(shù)化為最小項之和的形式；（3）確定EPROM的容量；（4）確定各存儲單元的內容；（5）畫出相應的點陣圖。（4）畫出點陣圖（2）利用卡諾圖將函數(shù)F1～F4寫成最小項之和的形式，得：F1＝∑（0，1，2，3，7，8，9，10，13，15）F2＝∑（0，2，4，6，9，14）F3＝∑（3，4，5，7，9，13，14，15）F4＝∑（0，1，2，3，4，6，7，8，9，10，11，

12，13，14）（3）矩陣的容量

8×16＋4×16＝192

【例2】試用ROM產(chǎn)生如下的一組多輸出邏輯函數(shù)Y1=DCB+DCBY2=DCBA+CBA+DCBAY3=DCBA+DCBAY4=DCBA+DCBA解：將原式化為最小項之和的形式Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15點陣圖Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15DCBAm0m1m2m14m153、用存儲器實現(xiàn)組合邏輯電路【例1】試用ROM設計一個八段字符顯示的譯碼器。100011101111110111101110011110101101000110101100001111101011111110101010111101111001111111111000111000010111101111110110101101110101011001110100111100110011110110110010011000010001111111010000abcdefghDCBA顯示輸出輸入電路圖ENA

B

C0十進制最小項被選中字線最小項編號位線SC00000101001110010111011101234567ABC0ABC0ABAC0AC0BC0BC0ABBC0AC0BAW0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70010100110010111表22.1.2全加器邏輯狀態(tài)及三變量最小項編碼【例2】試用ROM構成全加器電路。根據(jù)表22.1.2可得：WOm0W1m1W2m2W3m3W4m4W5m5W6m6W7m7SCABC最小項譯碼器圖ROM構成的全加器4、字符發(fā)生器字符：0、1點陣組成例如：字母E111111000010000111101000010000111117x5點陣7x5ROM計數(shù)器CK譯碼器圖字符顯示原理圖(b)WOW1W2W3W4W5W6(a)000001010011100101110D4D3D2D1D0行譯碼器A2A1A0讀出電路例：用ROM構成的字符發(fā)生器顯示字母R。5.ROM構成的序列脈沖發(fā)生器

采用計數(shù)器和ROM來實現(xiàn)。例：要產(chǎn)生01100010這一八位序列脈沖。在脈沖C的作用下，W0~W7依次被選中，從D依次輸出01100010DQ0CQ1Q2RD八進制計數(shù)器八取一譯碼器圖22.1.7ROM構成的序列脈沖發(fā)生器WOm0W1m1W2m2W3m3W4m4W5m5W6m6W7m71100010011000CD1234567891011121314工作波形脈沖最小項被選中字線最小項編號位線DQ2

Q1

Q000000101001110010111011101234567W0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70C8000二進制數(shù)Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0Q2

Q1

Q0m0W0=1010100016.3隨機存儲器優(yōu)點：讀/寫方便缺點：信息容易丟失，一旦斷電，所存儲器的信息會隨之消失，不利于數(shù)據(jù)的長期保存。隨機存儲器:

也叫隨機讀/寫存儲器，簡稱RAM。雙極型RAM：工作速度高，但制造工藝復雜，成本高，功耗大，集成度低，主要用于高速場合；◆RAM分為雙極型和MOS型兩種。MOS型RAM：制造工藝簡單，成本低，功耗小，集成度高，但工作速度比雙極型RAM低。目前大容量的RAM都采用MOS型存儲器?！鬗OS型RAM又分為靜態(tài)SRAM和動態(tài)DRAM兩種?！?/p>

RAM的優(yōu)點是讀寫方便，使用靈活；缺點是斷電后存于RAM的信息會丟失。

MOS型RAM靜態(tài)RAM：管子數(shù)目多，功耗大，但只要不斷電，信息就永久保存。動態(tài)RAM：集成度高，功耗小，但必須定期給電容補充電荷，以防存儲信息的丟失。

一般情況下，大容量的存儲器使用動態(tài)RAM；小容量的存儲器使用靜態(tài)RAM。地址輸入An-1A0A1地址譯碼器存儲矩陣數(shù)據(jù)線讀寫/控制電路讀/寫控制(R/W)片選(CS)輸入/輸出I/O......2.RAM的結構和工作原理圖RAM的結構框圖1RAM的結構(1)存儲矩陣：由存儲單元構成，一個存儲單元存儲一位二進制數(shù)碼“1”或“0”。與ROM不同的是RAM存儲單元的數(shù)據(jù)不是預先固定的，而是取決于外部輸入信息，其存儲單元必須由具有記憶功能的電路構成。(2)地址譯碼器：也是N取一譯碼器。(3)讀/寫控制電路：當R/W=1時，執(zhí)行讀操作，R/W=0時，執(zhí)行寫操作。(4)片選控制：當CS=0時，選中該片RAM工作，CS=1時該片RAM不工作。

RAM的原理結構圖

單地址譯碼方式RAM內部字線Wi選擇的是一個字的所有位。由于n個地址輸入的RAM，具有2n個字,所以應有2n根字線。

雙地址譯碼方式地址譯碼器分為兩個，即行地址譯碼器和列地址譯碼器。2.靜態(tài)RAM存儲單元(SRAM)用六只Ｎ溝道增強型MOS管組成的靜態(tài)存儲單元。特點：存儲單元是由觸發(fā)器構成，只要不失電，數(shù)據(jù)就不會丟失。缺點：管子數(shù)目較多，則功耗大、集成度受到限制。3.動態(tài)RAM的存儲單元（DRAM）

存儲單元由一只Ｎ溝道增強型MOS管T和一個電容CS組成。CB是位線上的分布電容（CB遠大于CS）。9GNDCS8A27A16A05A34A43A52A61I/O0A9A8A7UCC121011141315161718I/O1I/O2I/O3R/W2114RAM2114靜態(tài)RAM外引線排列圖容量：1024字4位地址線：A9~A0(210=1024)數(shù)據(jù)線：I/O3~I/O0RAM與ROM的比較

相同處

★

都含有地址譯碼器和存儲矩陣

★

尋址原理相同

相異處

★

ROM

的存儲矩陣是或陣列，是組合邏輯電路。

ROM工作時只能讀出不能寫入。掉電后數(shù)據(jù)

不會丟失。

★

RAM

的存儲矩陣由觸發(fā)器或動態(tài)存儲單元構

成，是時序邏輯電路。RAM工作時能讀出，

也能寫入。讀或寫由讀/寫控制電路進行控制。

RAM掉電后數(shù)據(jù)將丟失。三、集成RAM2114A介紹

A0~A9

為地址碼輸入端。

4個I/O

腳為雙向數(shù)據(jù)線，用于讀出或寫入數(shù)據(jù)。VDD

接+5V。

R/W為讀/寫控制端。當R/W=1時，從I/O

線讀出數(shù)據(jù)；當R/W=0時，將從I/O

線輸入的數(shù)據(jù)寫入RAM。VDDIntel2114A7A8A9I/OI/OI/OI/OR/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND1234567891817161514131211101K4位SRAMIntel2114引腳圖信號與TTL電平兼容。

CS為片選控制端，低電平有效。CS=1時，讀/寫控制電路處于禁止狀態(tài)，不能對芯片進行讀/寫操作。當CS=0時，允許芯片讀/寫操作。存儲矩陣有1K個字，每個字4位。1K=1024=210，故需10根地址輸入線。四、RAM的擴展

(一)RAM的位擴展方法：將各片RAM的地址輸入端、讀/寫控制端R/W和片選端CS對應地并接在一起。RAM的位擴展接法

RAM的字擴展接法

(二)RAM的字擴展字擴展通常需用外加譯碼器來控制芯片的片選輸入信號CS實現(xiàn)。如字數(shù)和位數(shù)都不夠用，則可將字數(shù)和位數(shù)同時進行擴展，便組成了大容量的存儲器。4