數字技術應用第七章半導體存儲器7.1概述半導體存儲器是一種能存儲大量信息的器件，它是由許多存儲單元組成的。每個存儲單元都有唯一的地址代碼加以區分，而且能存儲一位（或一組）二進制信息。存儲器是能夠存儲大量二進制信息的半導體器件，如可以存放各種程序、數據和資料等。存儲器是數字系統和計算機中不可缺少的組成部分，半導體存儲器因具有容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等特點，在數字系統中應用很廣泛。存儲器的性能指標很多，例如存儲容量、存取速度、封裝形式、電源電壓、功耗等，但就實際應用而言，最重要的性能指標是存儲器的存儲容量和存取時間。下面就這兩項性能指標的具體情況予以說明7.1概述1．存儲容量存儲容量表示存儲器存放二進制單元的多少，一般來說，存儲容量就是存儲單元的總數，一組二進制信息稱為一個字，而一個字由若干位(Bit)組成，若一個存儲器由N個字組成，每個字為M位，則存儲器的容量為N×M，單位是二進制的位。例如一個存儲單元有1K字，每個字的字長是4位，則該存儲器的容量是4096位二進制單元。7.1概述2．存取速度存儲器的存取速度可用“存取時間”和“存儲周期”這兩個時間參數來衡量。“存取時間”（AccessTime）是指從微處理器發出有效存儲器地址從而啟動一次存儲器讀/寫操作，到該操作完成所經歷的時間。很顯然，存取時間越短，則存取速度越快。“存儲周期”（memorycycle）是連續啟動兩次獨立的存儲器操作所需的最小時間間隔。由于存儲器在完成讀/寫操作之后需要一段恢復時間，所以存儲器的存儲周期略大于存儲器的存取時間。如果在小于存儲周期的時間內連續啟動兩次存儲器訪問，那么存取結果的正確性將不能得到保證。存取周期越短越好，目前高速隨機存儲器的存取周期僅10ns左右7.1概述隨機存儲器和只讀存儲器半導體存儲器的種類很多，從信息的存取情況來看，半導體存儲器可分為隨機存儲器和只讀存儲器兩大類。隨機存儲器在正常工作狀態下可以隨機地向存儲器任意存儲單元寫入數據或從任意存儲單元讀出數據，其英文名稱為：RandomAccessMemory，縮寫為RAM。在斷電后，RAM中的信息會丟失。只讀存儲器在正常工作時，存儲器中的數據只能讀出，不能寫入。只讀存儲器的英文名稱為：ReadOnlyMemory，縮寫為ROM。在斷電后，ROM中的信息不會丟失。隨機存取存儲器與只讀存儲器的根本區別在于：隨機存儲器在正常工作狀態時可隨時向存儲器里寫入數據或從中讀出數據，在存儲器斷電后信息全部丟失，因此RAM也稱為易失性存儲器。7.1概述目前市面上的存儲器：MROM，內容是工廠預先做好的，用戶不能改寫的只讀存儲器。PROM，可以一次編程的只讀存儲器。EPROM，可用紫外線擦除的可改寫的只讀存儲器，E2ROM，電擦除的可改寫的只讀存儲器。SROM，靜態存儲器。DROM，動態存儲器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM組成，正常工作時，用SRAM存取，當斷電時數據轉移到E2ROM中。高速數據不揮發SRAM，采用鋰電池供電，數據可以保持10年以上。FlashMemory，閃速存儲器，類似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的優點。半導體存儲器只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器（RAM）靜態RAM（SRAM）動態RAM（DRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）7.1概述7.2只讀存儲器7.2.1只讀存儲器的組成MROM，內容是工廠預先做好的，用戶不能改寫的只讀存儲器。PROM，可以一次編程的只讀存儲器。EPROM，可用紫外線擦除的可改寫的只讀存儲器，E2ROM，電擦除的可改寫的只讀存儲器。SROM，靜態存儲器。DROM，動態存儲器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM組成，正常工作時，用SRAM存取，當斷電時數據轉移到E2ROM中。高速數據不揮發SRAM，采用鋰電池供電，數據可以保持10年以上。FlashMemory，閃速存儲器，類似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的優點。ROM由地址譯碼器、存儲矩陣、輸出和控制電路組成，如圖7-1所示。圖7-1ROM原理結構框圖7.2只讀存儲器ROM由地址譯碼器、存儲矩陣、輸出和控制電路組成，如圖7-1所示。圖7-1ROM原理結構框圖7.2只讀存儲器7.2.2只讀存儲器的工作原理地址譯碼器存儲矩陣輸出電路字線可編程PROM的總體結構與掩模ROM一樣，同樣由存儲矩陣、地址譯碼器和輸出電阻組成，不過在出廠時已經在存儲矩陣的所有交叉點上全部制作了存儲單元，就是在所有的存儲單元都存儲了1。可編程只讀存儲器是可由用戶直接向芯片寫入信息的存儲器，但PROM的缺點是只能寫入一次數據，且一經寫入就不能再更改了。7.2只讀存儲器7.2.3其它各種ROM存儲單元1.可編程只讀存儲器（ProgrammableRead-OnlyMemory，簡稱PROM）可編程PROM封裝出廠前，存儲單元中的內容全為“1”，用戶可根據需要進行一次性編程處理，將某些單元的內容改為“0”。圖7-3所示是PROM的一種存儲單元,7.2只讀存儲器7.2.3其它各種ROM存儲單元1.可編程只讀存儲器（ProgrammableRead-OnlyMemory，簡稱PROM）Wi

EC

Yi

圖7-3一種PROM存儲單元EPROM為可擦除可編程只讀存儲器，它可反復使用多次，靈活、方便，深受用戶歡迎。目前多用疊柵注入型MOS管（稱為SIMOS管）構成EPROM的存儲單元。7.2只讀存儲器7.2.3其它各種ROM存儲單元2.可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）圖7-4SIMOS管的結構和符號圖7-5使用SIMOS的存儲單元隨著電子技術的發展，又出現了一種稱為電可擦除可編程只讀存儲器，簡稱EEPROM或E2PROM，其存儲信息的原理類似EPROM，但擦除的原理不同。EEPROM是通過在存儲信息的MOS管的源極和漏極之間加一個較高的電壓，使浮柵上的電荷跑掉。它可以整片擦除，也可以擦除指定的單元。EEPROM具有EPROM只讀存儲器可重編程的特點，又具有擦除速度快、可按單元擦除的優點7.2只讀存儲器7.2.3其它各種ROM存儲單元3.電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）圖7-6Flotox管的結構和符號圖7-7Flotox管組成的存儲單元快閃存儲器的疊柵MOS管與SIMOS管極為相似，兩者最大的區別是浮置柵與襯底間氧化層的厚度不同，在EPROM中這個氧化層的厚度一般為30~40nm，而在快閃存儲器中僅為10~15nm。而且浮柵與源區重疊部分的面積極小，因而浮置柵－源區之間的電容比浮置柵－控制柵間的電容小的多。當控制柵和源極之間加上電壓時，大部分降落在浮置柵與源極之間的電容上。快閃存儲器的存儲單元如圖7-9所示。7.2只讀存儲器7.2.3其它各種ROM存儲單元4.快閃存儲器（FlashMemory）圖7-8快閃存儲器中的疊柵MOS管圖7-9快閃存儲器的存儲單元7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用1．集成EPROM表7-2常用的EPROM芯片主要技術特性型號271627322764271282725627512容量（KB）248163264引腳數242428282828讀出時間（ns）350～450200＊200＊200＊200＊170＊最大工作電流（mA）

10075100100125最大維持電流（mA）

3535404040操作方式控制輸入功能讀005v5v數據輸出維持1×5v5v高阻態編程1125v5v數據輸入編程校驗0025v5v數據輸出編程禁止0125v5v高阻態表7-3EPROM2716的操作方式7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用1．集成EPROM圖7-102764引腳圖28

14

GND

GND

VCC

2764是一個28腳雙列直插封裝的紫外線可擦除可編程ROM集成電路。2764共有213個字，存儲容量為8K×8位。其引腳圖如圖7-10所示。各管腳功能如下：A0～A12：13根地址線；D0～D7：8根三態數據總線；：片選信號輸入線，低電平有效；：讀選通信號輸入線，低電平有效；：編程脈沖輸入線；VPP：編程電源輸入線；VCC

：主電源輸入線，一般為+5V；GND：線路地。7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用1．集成EPROM表7-4EPROM2764的操作方式操作方式控制輸入功能編程寫入01025v5vD0～D7上的內容存入對應的單元讀出數據0015v5vA0～A12

對應單元的內容輸出低功能維持1××5v5vD0～D7

成高阻態編程校驗00125v5v數據讀出編程禁止1××25v5vD0～D7

成高阻態7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用2．EPROM的應用圖7-11PROM方框圖輸入1輸入2輸入n輸出1輸出2輸出m固定與門陣列可編程或門陣列從邏輯器件的角度理解，可編程ROM的基本結構是由一個固定連接的與門陣列（它被連接成一個譯碼器）和一個可編程的或門陣列（存儲矩陣）所組成，如圖7-11所示。n個輸入為ROM的地址線，m個輸出為ROM的數據線。7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用2．EPROM的應用圖7-12PROM的點陣表示圖圖7-12所示為一PROM的結構示意圖，與圖7-11相對應。圖中的與門陣列構成一個兩變量的地址譯碼器：在用PROM實現邏輯函數時，通常采用一種簡化的畫法，即將或門陣列中Wi線和Dj線的交叉處用“*”點表示可編程連接點，存儲的信息為“1”；不畫點表示此處不連接，此圖也稱為點陣圖。7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用2．EPROM的應用由上述標準式可知：函數Y1有四個存儲單元應為“1”，函數Y2也有四個存儲單元應為“1”，函數Y3有五個存儲單元應為“1”，實現這三個函數的邏輯圖可表示為圖7-13。例7.1用PROM實現下列邏輯函數解：利用=1將上述函數式化為標準與－或式：7.2只讀存儲器7.2.4只讀存儲器的應用2．EPROM的應用Y3

Y2

Y1

A

B

C

2

&

&

&

&

&

&

&

&

W4

W3

W2

W1

W0

W5

W6

W7

≥1

≥1

≥1

圖7-13例題7.1的邏輯圖

7.2只讀存儲器解：根據題意，可列真值表：例7.3用PROM設計一個比較器，比較兩個兩位二進制數A1A0和B1B0的大小。當A1A0<B1B0時F1(A<B)=1；當A1A0>B1B0時，F2(A>B)=1；當A1A0=B1B0時，F3(A=B)=1。輸入輸出A1A0B1B0F1(A<B)F2(A>B)F3(A=B)0000001000110000101000011100010001001010010110100011110010000101001010101000110111001100010110101011100101111001表7-6比較器的真值表7.2只讀存儲器根據表7-6，可得到輸出函數表達式：例7.3用PROM設計一個比較器，比較兩個兩位二進制數A1A0和B1B0的大小。當A1A0<B1B0時F1(A<B)=1；當A1A0>B1B0時，F2(A>B)=1；當A1A0=B1B0時，F3(A=B)=1。F1(A<B)=Σm（1，2，3，6，7，11）F2(A>B)=Σm（4，8，9，12，13，14）F3(A=B)=Σm（0，5，10，15）由此可知，此比較器應采用4位地址輸入、3位數據輸出的PROM來實現。根據以上表達式，可畫出PROM的點陣圖，如圖7-15所示。W0W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11W12W13W14W151

A1A0B1B0F1F2F3

7.2只讀存儲器圖7-15例7-3PROM點陣圖隨機存取存儲器也稱隨機讀/寫存儲器，可以在任意時刻，對任意選中的存儲單元進行信息的存入（寫）或取出（讀）的信息操作，因此稱為隨機存取存儲器。它也是用于存放二進制信息，如數據、程序指令和運算的中間結果。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.1RAM分類隨機存儲器也叫可讀寫存儲器，它可分為雙極型和MOS型存儲器。雙極型存儲器由于集成度低、功耗大，在微型計算機系統中使用不多。目前可讀寫存儲器RAM芯片幾乎全是MOS型的。MOS型RAM按工作方式不同又可分為靜態RAM（StaticRAM）和動態RAM（DynamicRAM）。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.1RAM分類隨機存儲器（RAM）靜態RAM（SRAM）同步突發SRAM（SBSRAM）異步SRAM（ASRAM）動態RAM（DRAM）快速頁模式DRAM（FPMDRAM）擴充數據輸出DRAM（EDODRAM）突發EDODRAM（BEDODRAM）同步DRAM（SDRAM）圖7-16RAM的分類7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.2RAM的結構和工作原理圖7-17RAM的電路結構框圖1.RAM的結構RAM電路通常由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路三部分組成，其電路結構框圖如圖7-17所示。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.2RAM的結構和工作原理圖7-18RAM存儲矩陣1.RAM的結構存儲矩陣也是由一些存儲單元排列而成，是一個n行×m列矩陣列，它是存儲器的主體。存儲單元的數目稱為存儲器的容量。例如，一個容量為256×4（256個字，每個字4位）的存儲器，共有1024個存儲單元，這些單元可排成如圖7-18所示的32行×32列的矩陣。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.2RAM的結構和工作原理2.地址譯碼器每片RAM由若干個字組成，每個字由若干位組成，通常信息的讀寫是以字為單位進行的。不同的字具有不同的地址，在進行讀寫操作時，可以按照地址選擇欲訪問的單元。地址的選擇是通過地址譯碼器來實現的。在存儲器中，通常將輸入地址譯碼器分為行地址譯碼器和列地址譯碼器兩部分，給定地址碼后，行地址譯碼器輸出線（即字線）中有一條有效，選中該行的存儲單元，同時，列地址譯碼器輸出線（即位線）中也有一條有效，選中一列或n列的存儲單元，字線和位線的交叉點處的單元即被選中。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.2RAM的結構和工作原理3.讀/寫與片選控制讀/寫控制電路的作用是對存儲器的工作狀態進行控制。在系統中，RAM一般由多片組成，系統每次讀寫時，只能選中其中的一片（或幾片）進行讀寫，因此每片RAM均需有片選信號線，為片選輸入端，低電平有效，為讀/寫控制信號。當=0時，RAM為正常工作狀態，若=1，則執行讀操作，存儲單元里的數據將送到輸入/輸出端上；若=0，則執行寫操作，加到輸入/輸出端上的數據將寫入存儲單元；當=1時，RAM的輸入/輸出端呈高阻狀態，這時不能對RAM進行讀/寫操作。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.3靜態RAM（SRAM）1．SRAM的基本存儲單元靜態RAM的基本存儲單元通常由6個MOS管組成，如圖7-19所示。圖中T1、T2為放大管，T3、T4為負載管，這4個MOS管共同組成一個雙穩態觸發器。若T1導通，則A點為低電平，這樣T2截止，B點為高電平，又保證T1導通；與此類似，T1截止而T2導通時，又是另一種穩定狀態。A點為高電平B點為低電平代表“1”，B點為高電平A點為低電平時代表“0”，這個雙穩態觸發器可以保存一位二進制數據。圖中T5、T6為本單元控制管，由X地址譯碼線控制。T7和T8為一列基本存儲單元的控制管，由Y地址譯碼線控制。顯然，只有當X、Y地址譯碼線均為高電平時，T5、T6、T7和T8管都導通，該基本存儲單元的輸出才能通過T5、T6、T7和T8管和數據線接通。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.3靜態RAM（SRAM）1．SRAM的基本存儲單元BAT2T1T3T4VCCT6T5T7T8接X地址譯碼線

接Y地址譯碼線數據線數據線圖7-19六管靜態RAM基本存儲單元靜態RAM存儲電路MOS管較多，集成度不高，同時由于T1、T2管必定有一個導通，因而功耗較大。靜態RAM的優點是不需要刷新電路，從而簡化了外部控制邏輯電路，此外靜態RAM存取速度比動態RAM快，因而通常用作微型計算機系統中的高速緩存。7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.3靜態RAM（SRAM）2．存儲矩陣圖7-20基本SRAM陣列RAM中的基本存儲單元以行和列組織起來，圖7-20為一個n×4陣列的基本SRAM陣列。行中所有基本存儲單元共享相同的行選擇線。數據線的每一個集合（Di，）進入給定列中的每個單元中，并經過數據輸入/輸出緩沖器和控制電路，成為單個數據線的一個輸入或輸出（數據I/O）。數據輸入/輸出緩沖器和控制數據I/O位0數據I/O位1數據I/O位2數據I/O位3行選擇線0行選擇線1行選擇線n行選擇線3┇┇┇┇┇行選擇線2基本存儲單元7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.4動態RAM（DRAM）圖7-20基本SRAM陣列與靜態RAM一樣，動態RAM也是由許多基本存儲單元按行、列形式構成的二維存儲矩陣。在基本存儲單元電路中，二進制信息保存在MOS管柵極電容上的，電容上充有電荷表示“1”，電容上無電荷表示“0”，即動態RAM是利用電容存儲電荷的原理來保存信息的。刷新放大器行選擇信號列選擇信號基本存儲單元數據輸入/輸出線CT7.3隨機存取存儲器（RAM）7.3.4動態RAM（DRAM）圖7-22動態RAM存儲器陣列一個由單管基本存儲單元電路及相關外圍控制電路構成的動態RAM存儲陣列如圖7-22所示。由該圖可見，整個存儲陣列由1024行、1024列構成，具有1M×1組織的1048576位（1M位）DRAM的方塊圖，圖中深灰色的方塊表示刷新邏輯。1024112輸入輸出緩沖器和讀放大器

1024

列譯碼器┆┆┆······1

存儲矩陣1024行×1024列

1024

行譯碼器┆┆┆數據選擇器行地址鎖存器刷新計數器刷新控制和計時列地址鎖存器DOUTDINA0/A10A1/A11

A9/A19

地址線

7.4存儲容量的擴展1．集成RAM常用靜態RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。下面簡單介紹常用的2114A芯片和6116芯片。（1）2114A芯片Y0Y1……Y15

列地址譯碼器

A0A1A2A9

CSR/W

I/01I/02I/03I/04

X0X1

┆┆X63

存儲矩陣

A3A4A5A6A7A8

圖7-232114A電路結構框圖7.4存儲容量的擴展1．集成RAM常用靜態RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。下面簡單介紹常用的2114A芯片和6116芯片。（2）6116芯片圖7-246116引腳圖6116有3種工作方式：A)寫入方式當=0，=1，=0時，數據線D0～D7上的內容存入A0～A10相應的單元。B)讀出方式當=0，=0，=1時，A0～A10相應單元的內容輸出到數據線D0～D7。C)低功耗維持方式當=1時，芯片進入這種工作方式，此時器件電流僅20μA左右，故系統斷電時可以用電池保持RAM內容。型號6116626462256容量（KB）24832引腳數242828工作電壓（V）555典型工作電流（mA）35408典型維持電流（μA）520.5存取時間（ns）＊＊＊7.4存儲容量的擴展表7-7常用靜態RAM主要技術特性表7-86116、6264和62256的操作控制7.4存儲容量的擴展2．RAM的擴展一片RAM的存儲容量是一定的。在數字系統或計算機中，單個芯片往往不能滿足存儲容量的需求，我們可以將若干個存儲器芯片組合起來，擴展成大容量的存儲器，從而滿足使用要求。RAM的擴展有位擴展和字擴展兩種，也可以將位、字同時擴展以滿足對容量的需求。6116有3種工作方式：當所用的單片RAM的字數滿足了要求而位數不夠時，需要進行位擴展。字數滿足了要求，即地址線不用增加。擴展位數，只需把幾片位數相同的RAM芯片地址線共用，讓它們共用地址碼，讀/寫控制線R/線共用，各位的片選信號線也共用，每個RAM的I/O端并行輸出，就可以實現了位擴展。(1)RAM的位擴展7.4存儲容量的擴展2．RAM的擴展一片RAM的存儲容量是一定的。在數字系統或計算機中，單個芯片往往不能滿足存儲容量的需求，我們可以將若干個存儲器芯片組合起來，擴展成大容量的存儲器，從而滿足使用要求。RAM的擴展有位擴展和字擴展兩種，也可以將位、字同時擴展以滿足對容量的需求。6116有3種工作方式：當單片存儲器的數據位數滿