數(shù)字電子技術(shù)（第2版）教學(xué)課件作者張建國(guó)第9章

第9章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器及其應(yīng)用9.1概述9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器返回9.1概述半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有集成度高、存儲(chǔ)密度大、速度快、功耗低、體積小和使用方便等特點(diǎn),是計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的組成部分。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的種類(lèi)很多,從制造工藝上分,有雙極型和MOS型兩種。雙極型存儲(chǔ)器采用雙極型觸發(fā)器作為基本存儲(chǔ)單元,具有工作速度快、功率大的特點(diǎn),適用于高速應(yīng)用場(chǎng)合。MOS型存儲(chǔ)器采用MOS觸發(fā)器或電荷存儲(chǔ)器件作為基本存儲(chǔ)單元,具有集成度高、功耗低的特點(diǎn),適用于大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)。下一頁(yè)返回9.1概述從存儲(chǔ)信息方式上分,有只讀存儲(chǔ)器(Read-onlyMemory,ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory,RAM)兩大類(lèi)。ROM在正常工作時(shí)只能讀取數(shù)據(jù),不能隨時(shí)修改和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。ROM的信息是在制造時(shí)或用專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)入裝置寫(xiě)入的,可以長(zhǎng)期保存,斷電后也不會(huì)消失,因此也稱(chēng)為非易失性存儲(chǔ)器。ROM又可以分為掩模ROM、可編程ROM和可擦除可編程ROM。RAM在正常工作中可以隨時(shí)寫(xiě)入或讀取數(shù)據(jù),并且斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)消失,屬于易失性存儲(chǔ)器。RAM分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.1概述按照數(shù)據(jù)輸入、輸出方式還可以分為串行存儲(chǔ)器和并行存儲(chǔ)器兩大類(lèi)。串行存儲(chǔ)器輸入數(shù)據(jù)或輸出采用串行方式,芯片引腳數(shù)少;而并行存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)輸入或輸出采用并行方式,工作速度快。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量和存取時(shí)間是反映系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。存儲(chǔ)容量反映存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)或信息的多少。存儲(chǔ)時(shí)間決定存儲(chǔ)器的工作速度,用讀/寫(xiě)周期來(lái)描述,周期越短,即存取時(shí)間越短,存儲(chǔ)器的工作速度就越快。上一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)9.2.1模ROM掩模ROM中存放的信息是由生產(chǎn)廠(chǎng)家采用掩模工藝專(zhuān)門(mén)為用戶(hù)制作的,這種ROM出廠(chǎng)時(shí)內(nèi)部存儲(chǔ)的信息就已經(jīng)“固化”在里面,所以也稱(chēng)固定ROM。它在使用時(shí)只能讀出不能寫(xiě)入,因此通常只用來(lái)存放固定數(shù)據(jù)、固定程序和函數(shù)表等。9.2.2可編程存儲(chǔ)器(PROM)可編程存儲(chǔ)器(PROM)器件分為熔絲型和結(jié)破壞型兩類(lèi)。在封裝出廠(chǎng)時(shí),存儲(chǔ)的內(nèi)容全為0(或全為1),用戶(hù)根據(jù)需要可將某些單元改寫(xiě)為1或0。這種ROM采用熔絲或PN結(jié)擊穿的方法編程,由于熔絲燒斷或PN結(jié)擊穿后不能再恢復(fù),因此,PROM只能改寫(xiě)一次。下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

圖9-3所示為三極管組成的熔絲型PROM存儲(chǔ)單元,所有字線(xiàn)和位線(xiàn)交叉點(diǎn)上帶熔絲的三極管就組成了PROM的存儲(chǔ)矩陣。出廠(chǎng)前所有存儲(chǔ)單元的熔絲都是通的,存儲(chǔ)內(nèi)容全為1。用戶(hù)使用時(shí),選擇需要編程的存儲(chǔ)單元,按規(guī)定加入編程電流,熔絲熔斷,這樣就將0寫(xiě)入了相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。PROM還有結(jié)破壞型,其存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖9-4所示,它由反向串聯(lián)的二極管構(gòu)成,結(jié)破壞型PROM采用結(jié)擊穿編程。不管是哪種類(lèi)型的PROM,其存儲(chǔ)內(nèi)容一旦寫(xiě)入就不能改變,即只能一次編程,不適合需要經(jīng)常改寫(xiě)存儲(chǔ)內(nèi)容的場(chǎng)合。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

9.2.3可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)可擦除可編程只讀ROM(ErasableRead_OnlyMemory,EPROM)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可重復(fù)擦除和重復(fù)編程,滿(mǎn)足需要經(jīng)常修改ROM中存儲(chǔ)內(nèi)容的要求。1.紫外線(xiàn)可擦除可編程ROM最早研制成功并投入使用的EPROM是紫外線(xiàn)可擦除可編程ROM,簡(jiǎn)稱(chēng)UVEPROM。這種存儲(chǔ)器在不需要原有存儲(chǔ)內(nèi)容時(shí),可擦除重寫(xiě)。在擦除原有存儲(chǔ)信息時(shí)必須用紫外線(xiàn)或X射線(xiàn)照射,照射時(shí)間通常需要20~30min,然后才能寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

2.E2PROM雖然UVEPROM具備可擦除重寫(xiě)的功能,但它只能整體擦除且擦除操作復(fù)雜,速度較慢。為此,又研制出了可用電信號(hào)擦除的E2PROM。E2PROM擦除靈活,可一次全部擦除,也可按位擦除。但E2PROM擦除和寫(xiě)入通常需要加高壓脈沖,而且擦寫(xiě)時(shí)間仍然較長(zhǎng)。因此正常工作時(shí),E2PROM仍然只能處于讀出狀態(tài),作為ROM使用。3.快閃存儲(chǔ)器快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)簡(jiǎn)稱(chēng)閃存,是新一代的高性能E2PROM。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程可靠、集成度高、擦寫(xiě)電壓低、速度快等特點(diǎn)。目前廣泛使用的U盤(pán)、MP3中都采用了閃存。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

另外,在諸如數(shù)字信號(hào)處理器、PLD等許多LSI器件中也大量采用快閃存儲(chǔ)器。作為一種新型的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,快閃存儲(chǔ)器必將得到更加廣泛的應(yīng)用。9.2.4ROM的應(yīng)用舉例存儲(chǔ)器大量用于計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)中,用來(lái)存放程序、數(shù)據(jù)等二進(jìn)制信息,此外還可以應(yīng)用到其他一些邏輯設(shè)計(jì)中,如實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)、代碼轉(zhuǎn)換、時(shí)序控制、字符發(fā)生器、波形發(fā)生器等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

1.實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)ROM可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種組合邏輯函數(shù),尤其是多輸出函數(shù)。ROM中地址譯碼器的輸出產(chǎn)生輸入變量的全部最小項(xiàng),而存儲(chǔ)矩陣將有關(guān)最小項(xiàng)進(jìn)行或運(yùn)算,就形成了輸出邏輯函數(shù)。由此可知,用ROM實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)時(shí),首先需要求出邏輯函數(shù)的真值表或標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式,然后畫(huà)出ROM的陣列圖。2.波形發(fā)生器波形發(fā)生器是用來(lái)產(chǎn)生一種或多種特定波形的裝置。這些波形可以是正弦波、方波、三角波和鋸齒波等。目前,通常是用存儲(chǔ)器為核心的數(shù)字集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器,其實(shí)現(xiàn)原理如圖9-6所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

地址發(fā)生器可用MIS計(jì)數(shù)器構(gòu)成。若地址發(fā)生器采用兩片74LS161級(jí)連成的8位加法計(jì)數(shù)器,其輸出就是EPROM的8位輸入地址。EPROM用來(lái)存放各種波形數(shù)據(jù),存儲(chǔ)容量為28=256個(gè)字。如果存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)為8位,可將一個(gè)周期內(nèi)波形電壓變化的幅值按8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率分成256個(gè)數(shù)值,就能得到各種波形數(shù)據(jù)。因此,讀取一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)需要256個(gè)CP脈沖,即輸出波形的頻率是CP脈沖頻率的1/256。從EPROM中讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸出所需的波形。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

下面以鋸齒波為例,說(shuō)明波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法。鋸齒波的波形數(shù)據(jù)可按公式D=x,x=0…255(即D=00H~FFH)計(jì)算得到。要實(shí)現(xiàn)鋸齒波輸出,首先由用戶(hù)進(jìn)行編程,將鋸齒波的波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入EPROM中,即在存儲(chǔ)器的00H~FFH(0~255)地址中依次寫(xiě)入數(shù)據(jù)00H~FFH。當(dāng)計(jì)數(shù)器從0~255作循環(huán)加法計(jì)數(shù)器時(shí),順序讀取存儲(chǔ)器00H~FFH地址中的波形數(shù)據(jù),最后經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換就可以得到周期性重復(fù)的鋸齒波。改變CP脈沖的頻率以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓,可以得到不同頻率和不同幅度的鋸齒波波形。上一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器又稱(chēng)隨機(jī)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器,可以在任何時(shí)刻、任何選中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。RAM通常用來(lái)存放一些臨時(shí)性的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等,需要經(jīng)常改變存儲(chǔ)內(nèi)容。按照電路結(jié)構(gòu)和工作原理,RAM又分靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM。9.3.1RAM的結(jié)構(gòu)和工作原理RAM通常由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和讀/寫(xiě)控制電路三部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖9-7所示。下一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)矩陣由許多存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)存儲(chǔ)單元能存放一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)0或1,在地址譯碼器和讀/寫(xiě)電路作用下,進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。RAM的存儲(chǔ)單元可分為靜態(tài)存儲(chǔ)單元和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元。SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元由MOS型或雙極型電路組成的靜態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成,依靠觸發(fā)器的自保功能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。DRAM的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),由于電容的電荷會(huì)逐漸泄露,所以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元必須定時(shí)刷新。地址譯碼器一般分為行地址譯碼器和列地址譯碼器兩部分,用于選擇存儲(chǔ)單元。如圖9-7所示RAM共有n根地址線(xiàn),分成A0~Ai和Ai+1~An-1兩組,分別作為行地址和列地址輸入。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器行地址譯碼器確定有效的行選擇線(xiàn),從存儲(chǔ)矩陣中選中某一行存儲(chǔ)單元;列地址譯碼器確定有效的列選擇線(xiàn),并從行選擇線(xiàn)選中的某一行存儲(chǔ)單元中再選出m個(gè)存儲(chǔ)單元。只有被行、列選擇線(xiàn)同時(shí)選中的存儲(chǔ)單元,才能進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。讀/寫(xiě)控制電路用于控制存儲(chǔ)器的工作狀態(tài)。在圖9-7中是片選信號(hào),R/是讀/寫(xiě)控制信號(hào)。當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí),RAM才被選中,可以進(jìn)行讀/寫(xiě)操作,并由讀/寫(xiě)控制信號(hào)決定執(zhí)行讀操作還是寫(xiě)操作;否則,RAM的所有I/O端口均為高阻狀態(tài),與數(shù)據(jù)總線(xiàn)脫離,不能進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。RAM存儲(chǔ)容量為2n×m位,其中n和m分別代表RAM中地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)的數(shù)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器9.3.2RAM的擴(kuò)展在計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字系統(tǒng)中,單片機(jī)RAM通常不能滿(mǎn)足存儲(chǔ)容量的要求,因此需要將若干RAM芯片組合起來(lái),擴(kuò)展成大容量的存儲(chǔ)器。RAM擴(kuò)展時(shí)所需的芯片數(shù)量N=總存儲(chǔ)容量/單片存儲(chǔ)容量,其擴(kuò)展分為位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種。1.位擴(kuò)展當(dāng)RAM芯片的字長(zhǎng)小于系統(tǒng)要求時(shí),需要進(jìn)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展的方法很簡(jiǎn)單,只需將多片RAM的相應(yīng)地址端、讀/寫(xiě)控制端和片選信號(hào)并接在一起,而各片RAM的I/O端并行輸出即可。如用1024×1位RAM擴(kuò)展成1024×8位存儲(chǔ)器,擴(kuò)展接線(xiàn)如圖9-8所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器2.字?jǐn)U展當(dāng)RAM芯片的字?jǐn)?shù)小于系統(tǒng)要求時(shí),需要進(jìn)行字?jǐn)U展。RAM的字?jǐn)U展是利用譯碼器輸出控制各片RAM的片選信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。RAM進(jìn)行字?jǐn)U展時(shí)必須增加地址線(xiàn),增加的地址線(xiàn)作為高位地址與譯碼器的輸入相連。同時(shí),各片RAM的相應(yīng)地址端、讀/寫(xiě)控制端R/W、相應(yīng)I/O端并接在一起使用。如用兩片256×4位RAM擴(kuò)展成1024×4位存儲(chǔ)器,擴(kuò)展接線(xiàn)如圖9-9所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回9.3隨機(jī)存儲(chǔ)器3.字、位同時(shí)擴(kuò)展當(dāng)RAM芯片的字?jǐn)?shù)和位數(shù)均小于系統(tǒng)要求時(shí),需要將上述兩種擴(kuò)展方法