第7章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第7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。主要用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器。本章對(duì)其特點(diǎn)、分類(lèi)、技術(shù)指標(biāo)予以簡(jiǎn)單介紹，并介紹基本存儲(chǔ)單元的組成原理，集成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理及功能。本章重點(diǎn)要求掌握各類(lèi)存儲(chǔ)器的特點(diǎn)、存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展和用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合電路。7.1概述⒈半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類(lèi)按制造工藝的不同可把存儲(chǔ)器分成TTL型和MOS型存儲(chǔ)器兩大類(lèi)。TTL型速度快，常用作計(jì)算機(jī)的高速緩沖存儲(chǔ)器。MOS型具有工藝簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)，常用作計(jì)算機(jī)的大容量?jī)?nèi)存儲(chǔ)器。7.1概述⒈半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類(lèi)按存儲(chǔ)二值信號(hào)的原理不同存儲(chǔ)器分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種。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。按工作特點(diǎn)不同半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分成只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和順序存取存儲(chǔ)器。7.1概述⒉半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存取容量：表示存儲(chǔ)器存放二進(jìn)制信息的多少。二值信息以字的形式出現(xiàn)。一個(gè)字包含若干位。一個(gè)字的位數(shù)稱做字長(zhǎng)。通常，用存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)表示存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，即存儲(chǔ)容量表示存儲(chǔ)器存放二進(jìn)制信息的多少。存儲(chǔ)容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。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。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10個(gè)地址輸入端，那它就能存210=1024個(gè)字。7.1概述⒉半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存取周期：存儲(chǔ)器的性能取決于存儲(chǔ)器的存取速率。存儲(chǔ)器的存取速度用存取周期或讀寫(xiě)周期來(lái)表征。把連續(xù)兩次讀（寫(xiě)）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。7.2只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(Read-onlyMemory，ROM)是只能讀不能寫(xiě)的存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器是一種組合電路，當(dāng)信息被加工時(shí)或被編程時(shí)，認(rèn)為信息是存儲(chǔ)在ROM中。其特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路形式和規(guī)格比較統(tǒng)一，在操作過(guò)程中只能讀出信息不能寫(xiě)入。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(nonvolatilememory)，去掉電源，所存信息不會(huì)丟失。7.2只讀存儲(chǔ)器ROM可分為:掩膜只讀存儲(chǔ)器（MaskReadOnlyMemory，簡(jiǎn)稱MROM）可編程只讀存儲(chǔ)器(ProgrammableReadOnlyMemory，簡(jiǎn)稱PROM)紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ErasableProgrammableReadOnlyMemory，簡(jiǎn)稱EPROM)電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，簡(jiǎn)稱EEPROM）Flash存儲(chǔ)器(也稱快閃存儲(chǔ)器)7.2只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器是具有n個(gè)輸入b個(gè)輸出的組合邏輯電路。地址輸入Addressinput數(shù)據(jù)輸出DataoutputCS片選控制線7.2只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了一個(gè)n輸入b輸出的組合邏輯功能的真值表。2輸入4輸出組合邏輯功能表

地址

內(nèi)容A1

A0D3D2D1D0000110110101101101011100可以將其存儲(chǔ)在22×4的只讀存儲(chǔ)器中掩模只讀存儲(chǔ)器掩模只讀存儲(chǔ)器是采用掩模工藝制作的，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容是已經(jīng)由制造商按照用戶的要求進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。因此，掩模ROM在出廠時(shí)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就已經(jīng)固化好了。掩模ROM的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可永久保存，在批量生產(chǎn)時(shí)成本最低。適用于存放固定不變的程序或數(shù)據(jù)。掩模只讀存儲(chǔ)器掩模ROM由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、輸出和控制電路組成，如圖7-1所示。地址譯碼器地址輸入W0……WN-1存儲(chǔ)矩陣

N×M輸出及控制電路D0DM-1……數(shù)據(jù)輸出圖7-1ROM結(jié)構(gòu)圖掩模只讀存儲(chǔ)器掩模ROM圖7-2NMOS固定ROMD2存儲(chǔ)矩陣輸出電路字線位線A0A1W0W1W2W3+VDDD3D1D0D3’D2’D1’D0’地址譯碼D3D2D1D0W3W2W1W0掩模只讀存儲(chǔ)器圖7-3是ROM的點(diǎn)陣圖。D3D2D1D0W3W2W1W0表6-1ROM中的信息表

地址

內(nèi)容A1

A0D3D2D1D0000110110101101101011100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。位線與字線之間邏輯關(guān)系為：

D0=W0+W1

D1=W1+W3D2=W0+W2+W3D3=W1+W37.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)PROM的存儲(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。PROM和ROM的區(qū)別在于ROM由廠家編程，而PROM由用戶編程。出廠時(shí)PROM的內(nèi)容全是1或全是0，使用時(shí)，用戶可以根據(jù)需要編好代碼，寫(xiě)入PROM中。7.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)圖7-4為一種PROM的結(jié)構(gòu)圖，存儲(chǔ)矩陣的存儲(chǔ)單元由雙極型三極管和熔斷絲組成。7.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(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)。7.2.3可擦可編程只讀存儲(chǔ)器PROM只能寫(xiě)一次的原因是熔絲斷了，不能再接通。EPROM的存儲(chǔ)內(nèi)容可以改變，但EPROM所存內(nèi)容的擦除或改寫(xiě)，需要專(zhuān)門(mén)的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時(shí)，也只能讀出。7.2.3可擦可編程只讀存儲(chǔ)器可擦除可編程存儲(chǔ)器又可以分為：光可擦除可編程存儲(chǔ)器UVEPROM(Ultra-VioletErasableProgrammableRead-OnlyMemory)7.2.3可擦可編程只讀存儲(chǔ)器可擦除可編程存儲(chǔ)器又可以分為：電可擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM(ElectricalErasableProgrammableRead-OnlyMemory)快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)等。快閃存儲(chǔ)器以其高集成度、大容量、低成本和使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。例如在一些較新的計(jì)算機(jī)主板上采用FlashROMBIOS，會(huì)使得BIOS升級(jí)變得非常方便。7.3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)SRAM和動(dòng)態(tài)DRAM；靜態(tài)RAM又分為雙極型和MOS型。7.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器靜態(tài)RAM(StaticRAM，SRAM)一旦將1個(gè)字寫(xiě)入某個(gè)存儲(chǔ)位置中，只要不斷電，其存儲(chǔ)內(nèi)容保持不變，除非該存儲(chǔ)位置被重新寫(xiě)入信息。動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM，DRAM)，必須對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出和重寫(xiě)操作來(lái)周期地刷新，否則存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)將會(huì)消失。7.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器大多數(shù)RAM在斷電后，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)消失，是易失性存儲(chǔ)器(volatilememory)。一些RAM在斷電后仍能保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不變，如老式的磁芯存儲(chǔ)器和現(xiàn)代的CMOS靜態(tài)RAM。CMOS靜態(tài)RAM含有一個(gè)壽命為10年的鋰電池。近年來(lái)，出現(xiàn)了非易失性鐵電RAM(ferroelectricRAM)，這些器件將磁元件和電元件組合在單個(gè)IC芯片上，斷電后，保持狀態(tài)不變。7.3.1靜態(tài)RAMRAM具有地址輸入、控制輸入、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入。地址輸入數(shù)據(jù)輸入控制輸入數(shù)據(jù)輸出Chip-select(CS)inputOutput-enable(OE)inputWrite-enable(WE)7.3.1靜態(tài)RAM靜態(tài)RAM中存儲(chǔ)單元的工作原理與D鎖存器類(lèi)似，不同于邊沿式D觸發(fā)器。即無(wú)論什么時(shí)候選中WE輸入，所選存儲(chǔ)單元的鎖存器總是打開(kāi)的或是透明的，輸入數(shù)據(jù)流入或通過(guò)鎖存器。所存儲(chǔ)的實(shí)際值是在鎖存器關(guān)閉時(shí)存在的值。7.3.1靜態(tài)RAM靜態(tài)RAM通常只具有兩種已定義存儲(chǔ)操作：讀當(dāng)CS和OE有效時(shí)，地址呈現(xiàn)在地址輸入端上，所選存儲(chǔ)位置上的鎖存器輸出被傳遞到DOUT。寫(xiě)地址呈現(xiàn)在地址輸入端，數(shù)據(jù)字呈現(xiàn)在DIN上，接著CS和WE有效；所選存儲(chǔ)位置上的鎖存器被打開(kāi)，輸入字被存儲(chǔ)。7.3.1靜態(tài)RAM靜態(tài)RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)靜態(tài)RAM中的每一位存儲(chǔ)單元具有圖示電路相同功能。SRAM單元被組合成帶有附加控制邏輯的陣列中，形成完整的靜態(tài)RAM。7.3.1靜態(tài)RAM靜態(tài)RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.3.1靜態(tài)RAMSRAM的常見(jiàn)應(yīng)用在小的微處理機(jī)系統(tǒng)中做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通常是在“嵌入式”應(yīng)用中，如、烤爐、電子減振器等。通用計(jì)算機(jī)中常用DRAM。超快速SRAM通常在高性能計(jì)算機(jī)的“高速緩沖”存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)常用指令和數(shù)據(jù)7.3.2動(dòng)態(tài)RAMSRAM中最基本的存儲(chǔ)器單元是D鎖存器，在分立設(shè)計(jì)中需要4個(gè)門(mén)電路，在定制設(shè)計(jì)的SRAMLSI芯片中，需要4-6個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)。為了構(gòu)建具有較高密度的RAM，芯片設(shè)計(jì)者發(fā)明了每位只用一個(gè)晶體管的存儲(chǔ)器單元。7.3.2動(dòng)態(tài)RAMDRAM存儲(chǔ)單元僅用一個(gè)晶體管構(gòu)建一個(gè)雙穩(wěn)元件是不可能的。動(dòng)態(tài)RAM(dynamicRAM，DRAM)中的存儲(chǔ)器單元是在微小的電容器上存儲(chǔ)信息，并通過(guò)一個(gè)MOS管來(lái)存取這些信息。寫(xiě)入信息時(shí)，字線為高電平，T導(dǎo)通，對(duì)電容CS充電，相當(dāng)于寫(xiě)入1信息。讀出信息時(shí)，字線仍為高，T導(dǎo)通，對(duì)CB充電，讀出電壓VR為7.3.2動(dòng)態(tài)RAMDRAM存儲(chǔ)單元因?yàn)镃B>>CS，所以讀出電壓比VS小很多，而每讀一次，CS上電荷要少很多，造成破壞性讀出，因而數(shù)據(jù)在讀之后必須重新寫(xiě)入原來(lái)的單元。通過(guò)讀出放大器(senseamplifier)能檢測(cè)到這一微小變化，并將其恢復(fù)成相應(yīng)的0或1。注意，讀一個(gè)單元會(huì)破壞存儲(chǔ)在電容器上的原始電壓，因而數(shù)據(jù)在讀之后必須重新寫(xiě)入原來(lái)的單元。7.3.2集成RAM簡(jiǎn)介圖7-14是Intel公司1k×4的CMOS型靜態(tài)RAM2114的結(jié)構(gòu)圖。行地址譯碼器64×64

存儲(chǔ)矩陣I/O電路列地址譯碼器………………讀寫(xiě)控制A6A7A8A9A0A1A2A3A4A5X0X63B0B63Y0Y15CS’R/W’D0D1D2D37.3.2集成RAM簡(jiǎn)介如圖為CMOS型2k×8的靜態(tài)RAM6116外引腳排列圖。7.3.2集成RAM簡(jiǎn)介如圖為CMOS型8k×8的靜態(tài)RAM6264外引腳排列圖。7.3.2集成RAM簡(jiǎn)介圖7-21是單管DRAM2116（16KX1）芯片的結(jié)構(gòu)圖。它共有16個(gè)引腳，其中A0~A6為地址輸入線；而2116的容量為16K，需要14條地址線，為此2116采用了地址線分時(shí)復(fù)用技術(shù)，14位地址碼分行、列兩部分，分兩次由7條地址線與芯片相連。7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展RAM的種類(lèi)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。7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展⑴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。實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展的原則是：①多個(gè)單片RAM的I/O端并行輸出。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)）；7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展⑴位擴(kuò)展圖6-15RAM位擴(kuò)展接線圖CSR/WA0A1A7I/O1I/O2I/O3I/O4CS256×1位RAM(1)A0A1…A7R/W’CS’256×1位RAM(2)A0A1…A7R/W’CS’256×1位RAM(3)A0A1…A7R/W’256×1位RAM(4)A0A1…A7R/W’CS’7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展⑵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)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。7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)字?jǐn)U展的原則是：①多個(gè)單片RAM的I/O端并接，作為RAM的I/O端②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)輸出低有效的譯碼器譯碼，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)）；7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展字?jǐn)U展R/WA0A1A7256×8位RAM(1)A0A1…A7R/WCSI/O1I/O8I/O4256×8位RAM(2)A0A1…A7R/WCSI/O1I/O8I/O4256×8位RAM(3)A0A1…A7R/WCSI/O1I/O8I/O4256×8位RAM(4)A0A1…A7R/WCSI/O1I/O8I/O4A8A9F0F1F2F32線-4線譯碼器習(xí)題設(shè)一片RAM芯片的字?jǐn)?shù)為n，位數(shù)為d，擴(kuò)展后的數(shù)字為N，位數(shù)為D，求需要的片數(shù)x的公式。解：一片RAM的字?jǐn)?shù)為n，位數(shù)為d；擴(kuò)展后的字?jǐn)?shù)為N，位數(shù)為D，需要的片數(shù)x為：習(xí)題試用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之間關(guān)系如表所示。習(xí)題試用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之間關(guān)系如表所示。0149162536496481100121144169196225十進(jìn)制數(shù)注00000000000000010000010000001001000100000001100100100100001100010100000001010001011001000111100110010000101010011100010011100001Y7