關(guān)于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器9.1

概述

主要要求：

了解半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的作用、類型與特點(diǎn)。第2頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

主要由與陣列、或陣列、輸出緩沖級(jí)等部分組成，為大規(guī)模組合邏輯電路。二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的類型與特點(diǎn)只讀存儲(chǔ)器(ROM，

即Read-OnlyMemory)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，

即RandomAccessMemory)

主要由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路等部分組成，為大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。一、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的作用

存放二進(jìn)制信息ROM是只讀存儲(chǔ)器，在正常工作時(shí)，其內(nèi)存數(shù)據(jù)只能讀出，而不能寫入。但斷電后其內(nèi)部數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。常用于存放一些不變的數(shù)據(jù)，如一些重要的常數(shù)、系統(tǒng)管理程序等。RAM是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，既能讀出信息又能寫入信息。但斷電后其數(shù)據(jù)將丟失。它用于存放一些臨時(shí)數(shù)據(jù)和中間處理數(shù)據(jù)結(jié)果，如計(jì)算機(jī)內(nèi)存。第3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天主要要求：

理解ROM的電路結(jié)構(gòu)、工作原理。理解用ROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法。9.2

只讀存儲(chǔ)器（ROM）第4頁,共35頁，2024年2月25日，星期天按數(shù)據(jù)寫入方式不同分固定ROM可編程ROM(Programmable

ROM，簡(jiǎn)稱PROM)可擦除可編程ROM(ErasablePROM，簡(jiǎn)稱EPROM)

其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在制造時(shí)確定，用戶不能改變。用于批量大的產(chǎn)品。其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)由用戶寫入。但只能寫一次。用戶可以多次改寫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。ROM的類型及其特點(diǎn)

第5頁,共35頁，2024年2月25日，星期天9.2.1ROM的電路結(jié)構(gòu)

由地址譯碼器、存儲(chǔ)距陣和輸出緩沖器組成ROM的電路結(jié)構(gòu)圖

存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為2n

m

字位。第6頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1.電路組成

9.2.2固定ROM的工作原理

一、二極管ROMD0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W0

地址譯碼器。

A1、

A0為地址輸入端，W3~W0為譯碼器輸出的4條字線。

存儲(chǔ)矩陣由二極管或門組成，D3~D0為存儲(chǔ)矩陣輸出的4條位線。第7頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1.電路組成

一、二極管ROMD0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W09.2.2固定ROM的工作原理

在W3~W0中任一個(gè)輸出高電平時(shí)，則在D3~D0

4條線上輸出一組4位二進(jìn)制代碼，每組代碼表示一個(gè)字。第8頁,共35頁，2024年2月25日，星期天2.讀數(shù)

一、二極管ROMD0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W09.2.2固定ROM的工作原理

當(dāng)輸入一組地址碼時(shí)，則在ROM的輸出端可讀出該地址碼對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)內(nèi)容。如A1A0=00時(shí)，則字線

W0=A1A0=1，其它字線都為0，這時(shí)和W0相連的兩個(gè)二極管導(dǎo)通，位線D2=1、

D0=1,而D3和D1都為0,在輸出端得到D3D2D1D0=0101數(shù)據(jù)輸出?？梢姡?.交叉處接有二極管的相當(dāng)于存儲(chǔ)1，沒有接二極管的相當(dāng)于存儲(chǔ)0。2.當(dāng)某字線被選中時(shí)，相應(yīng)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)從位線D3~D0

輸出。第9頁,共35頁，2024年2月25日，星期天4

4存儲(chǔ)矩陣示意圖

W3W2W1W0D0D1D2D3字線位線交叉處的圓點(diǎn)“”表示存儲(chǔ)“1”；交叉處無圓點(diǎn)表示存儲(chǔ)“0”。交叉點(diǎn)的數(shù)目表示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量

字?jǐn)?shù)位數(shù)存儲(chǔ)矩陣可簡(jiǎn)化表示為：字線數(shù)位線數(shù)第10頁,共35頁，2024年2月25日，星期天3.輸出邏輯表達(dá)式

D0D1D2D34×4二極管ROM結(jié)構(gòu)圖

&A1A0字線信號(hào)位線輸出信號(hào)&&&11W3W2W1W0由此可看出，D3~D0都為最小項(xiàng)之和。最小項(xiàng)由譯碼器產(chǎn)生，而和項(xiàng)由或門產(chǎn)生。因此，二極管ROM是由譯碼器的與陣列和存儲(chǔ)矩陣的或陣列級(jí)聯(lián)而成的。第11頁,共35頁，2024年2月25日，星期天MOS管ROM電路結(jié)構(gòu)圖

二、

MOS管ROM

有二極管的地方對(duì)應(yīng)換成了NMOS管。第12頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

PROM出廠時(shí)，全部熔絲都連通，全部存儲(chǔ)單元相當(dāng)

于存儲(chǔ)1。用戶在編程時(shí)，可根據(jù)要求，借助編程工具將不需要存儲(chǔ)單元中的熔絲燒斷即可。熔絲燒斷后不可恢復(fù)，故PROM只能進(jìn)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9.2.3可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)第13頁,共35頁，2024年2月25日，星期天用一個(gè)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(hào)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(shí)間較長(zhǎng)。E2PROM中的存儲(chǔ)單元可逐個(gè)擦除逐個(gè)改寫，它的編程和擦除都用電信號(hào)完成，速度比EPROM快得多。9.2.4可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)

第14頁,共35頁，2024年2月25日，星期天由于PROM中的地址譯碼器為固定的與陣列，輸出為輸入地址變量的全部最小項(xiàng)。存儲(chǔ)矩陣為可編程的或陣列，它輸出的為相應(yīng)的輸入最小項(xiàng)的和，為標(biāo)準(zhǔn)與–或表達(dá)式。而任何組合邏輯函數(shù)都可變換為標(biāo)準(zhǔn)與-

或式，因此，用PROM可實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。

9.2.5PROM的應(yīng)用

第15頁,共35頁，2024年2月25日，星期天[例]

試用PROM構(gòu)成一個(gè)1位全加器。解：(1)設(shè)在第i位的二進(jìn)制數(shù)相加，輸入變量為被加數(shù)Ai

、加數(shù)Bi，低位來的進(jìn)位數(shù)為Ci-1。輸出為本位和Si、向相鄰高位的進(jìn)位數(shù)為Ci。由此可列出全加器的真值表。1111110011101010100110110010100110000000CiSiCi-1BiAi輸出輸入第16頁,共35頁，2024年2月25日，星期天Ai≥1BiCi-1≥1m0m1m2m3m4m5m6m7地址譯碼器CiSi(2)

畫出用PROM實(shí)現(xiàn)的邏輯圖第17頁,共35頁，2024年2月25日，星期天9.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

主要要求：

理解RAM的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。理解RAM的擴(kuò)展存儲(chǔ)容量的方法。第18頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM的電路結(jié)構(gòu)

9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)

為了能方便地選擇到存儲(chǔ)器中的任一個(gè)存儲(chǔ)單元，將地址譯碼器分為行、列地址譯碼器，然后根據(jù)行、列地址去選通相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。第19頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM的電路結(jié)構(gòu)

由于單片ROM的存儲(chǔ)容量是很有限的，往往不能滿足計(jì)算機(jī)和其它信息處理系統(tǒng)的要求，因此，需用多片RAM來擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。因此，在每片RAM上設(shè)有片選端和讀/寫控制端。9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)第20頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM的電路結(jié)構(gòu)

輸入/輸出線數(shù)多少取決于每個(gè)地址中寄存器的位數(shù)。如在512×4位的RAM中，每個(gè)地址中有4個(gè)存儲(chǔ)單元，所以有4條I/O線。9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)第21頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM的電路結(jié)構(gòu)

在RAM中存儲(chǔ)單元被排列成矩陣的形式，所以稱為存儲(chǔ)矩陣。每個(gè)存儲(chǔ)單元只有被行輸出線和列輸出線同時(shí)選中的才能被訪問。存儲(chǔ)單元可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的。9.3.1RAM的電路結(jié)構(gòu)第22頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM與ROM的比較

相同處

★

都含有地址譯碼器和存儲(chǔ)矩陣

★

尋址原理相同

相異處

★

ROM

的存儲(chǔ)矩陣是或陣列，是組合邏輯電路。

ROM工作時(shí)只能讀出不能寫入。掉電后數(shù)據(jù)

不會(huì)丟失。

★

RAM

的存儲(chǔ)矩陣由觸發(fā)器或動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元構(gòu)

成，是時(shí)序邏輯電路。RAM工作時(shí)能讀出，

也能寫入。讀或?qū)懹勺x/寫控制電路進(jìn)行控制。

RAM掉電后數(shù)據(jù)將丟失。第23頁,共35頁，2024年2月25日，星期天9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元

一、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的存儲(chǔ)單元

由V1、V2和V3、V4兩個(gè)CMOS反相器輸出和輸入交叉耦合組成的基本觸發(fā)器，可用來存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。1.電路組成第24頁,共35頁，2024年2月25日，星期天六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元

一、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的存儲(chǔ)單元V5、V6為由行線X

控制的門控管。V7、V8為由列線Y

控制的門控管。9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元1.電路組成第25頁,共35頁，2024年2月25日，星期天六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元

一、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的存儲(chǔ)單元2.工作原理9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元讀操作：在X=1、Y=1時(shí)，V5、V6和V7、V8都導(dǎo)通，觸發(fā)器和位線接通，數(shù)據(jù)線和位線也接通，這時(shí)，觸發(fā)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線讀出。第26頁,共35頁，2024年2月25日，星期天六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元

一、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的存儲(chǔ)單元2.工作原理9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元寫操作：在X=1、Y=1時(shí)，將要寫入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D和D上。如寫數(shù)據(jù)1時(shí)，由于V7、V5導(dǎo)通，D=1通過這兩個(gè)MOS管送到Q端；由于V8、V6導(dǎo)通，D=0送到Q端，使V1截止、V3導(dǎo)通，這時(shí)Q=D=1、Q=D=0，觸發(fā)器置1，表示輸入的數(shù)據(jù)D=1已被寫入存儲(chǔ)單元。第27頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

二、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的存儲(chǔ)單元9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元

靜態(tài)RAM存儲(chǔ)單元的主要缺點(diǎn)是靜態(tài)功耗大，使集成度受到限制，采用動(dòng)態(tài)MOSRAM可克服這個(gè)缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)單元是利用

MOS管柵極與源極之間的高阻抗及柵極電容來存儲(chǔ)信息的。由于電容存在漏電，柵極電容上存儲(chǔ)的信息不可能長(zhǎng)期保存，為了防止信息丟失，必須定時(shí)給電容補(bǔ)充電荷。第28頁,共35頁，2024年2月25日，星期天四管MOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元

二、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的存儲(chǔ)單元

C1、C2為MOS管的柵極輸入電容，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲(chǔ)在C1、C2上。9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元第29頁,共35頁，2024年2月25日，星期天二、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的存儲(chǔ)單元單管MOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元

9.3.2RAM中的存儲(chǔ)單元第30頁,共35頁，2024年2月25日，星期天9.3.3RAM的擴(kuò)展

(一)RAM的位擴(kuò)展如一片RAM的字?jǐn)?shù)已夠用，而每個(gè)字的位數(shù)不夠用，則采用位擴(kuò)展的方法來擴(kuò)展每個(gè)字的位數(shù)。其方法是將各片RAM的地址輸入端、讀/寫控制端R/W和片選端CS對(duì)應(yīng)地并接在一起。RAM的位擴(kuò)展接法

第31頁,共35頁，2024年2月25日，星期天RAM的字?jǐn)U展接法