1、第7章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述 只讀存儲(chǔ)器 隨機(jī)存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展 ROM的分析與設(shè)計(jì) 小結(jié),一. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 概述,存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)大量(二值)信息(或稱為數(shù)據(jù))的器件 存儲(chǔ)器的主要指標(biāo) 存儲(chǔ)器的分類,存儲(chǔ)器的主要指標(biāo),存儲(chǔ)容量 指一個(gè)存儲(chǔ)器所能存放的最大信息量。通常用B（Byte字節(jié)）、KB（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)） 存取時(shí)間 指完成一次存儲(chǔ)器讀/取操作所需的時(shí)間（又稱讀寫時(shí)間） 可靠性 指存儲(chǔ)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無故障工作的情況。一般采用平均無故障時(shí)間間隔（MTBF）衡量。MTBF長，存儲(chǔ)器可靠性好。 價(jià)格 由存儲(chǔ)器容量、性能決定。,返回,存儲(chǔ)器的分類,按存儲(chǔ)介質(zhì)

2、：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光盤 按存取方式： * 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 可隨機(jī)讀出其內(nèi)容。 * 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM） 存儲(chǔ)單元可被隨機(jī)讀/寫。存取 時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。 * 順序存儲(chǔ)器（SAM） 按指定順序存取。即存取時(shí)間 與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。 * 直接存儲(chǔ)器（DAM） 存取數(shù)據(jù)做定位搜索 （如：由磁道 扇區(qū)） 按制造工藝：雙極性、MOS 按所處位置及邏輯功能：內(nèi)存、外存 按信息的保護(hù)性：掉電后信息保存（非易失性ROM） /消失（易失性RAM）存儲(chǔ)器。,返回,二. 只讀存儲(chǔ)器,只讀存儲(chǔ)器 (Read Only Memory_ROM) 特點(diǎn): * 正常使用時(shí)主要對(duì)其進(jìn)行讀取操

3、作 * 掉電后存儲(chǔ)的信息(數(shù)據(jù))可保留 功能: 一般用于存放固定的數(shù)據(jù)或程序 只讀存儲(chǔ)器的分類 只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及工作原理 只讀存儲(chǔ)器的簡化形式及數(shù)據(jù)表 只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式 只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量,只讀存儲(chǔ)器的分類,*掩膜式ROM _ 數(shù)據(jù)已確定,無法更改。,返回,*快閃存儲(chǔ)器 _電可擦除類ROM, 具有高集成度、大容量、低成本和使用方便的特點(diǎn),*可編程ROM(PROM) _ 數(shù)據(jù)可以由用戶根據(jù)自己的需要寫入,但一經(jīng)寫入就不能更改。,*紫外線可擦除ROM(EPROM) _ 數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。,*電可擦除ROM(E2PROM) _數(shù)據(jù)可由用戶寫入,并能擦除重寫。,只讀存儲(chǔ)器的結(jié)

4、構(gòu)及組成,結(jié)構(gòu)圖：,返回,組成： * 存儲(chǔ)矩陣 由存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則排列。每一存儲(chǔ)單元可存放1位二值代碼。存儲(chǔ)單元可由二極管、三極管和場效應(yīng)管構(gòu)成。 * 地址譯碼器 將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號(hào)，可訪問存儲(chǔ)矩陣的單元 * 輸出緩沖器 提高存儲(chǔ)器的負(fù)載能力，并實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的三態(tài)控制。 只讀存儲(chǔ)器的工作原理,存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(1),* 電路圖 * 分析,下一頁,Wi 稱為字線,地址譯碼器_由二極管與門構(gòu)成。 對(duì)地址線A1 A0 有:,存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(2),* 電路圖 * 分析,下一頁,當(dāng)EN=0,Di=di Di 稱為位線(數(shù)據(jù)線/輸出線),(2) 存儲(chǔ)矩陣_由二極管或門構(gòu)成,(3)

5、 輸出緩沖器_對(duì)輸出三態(tài)控制,提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。,存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及工作原理(3),* 分析： (1) 地址譯碼器_由二極管與門構(gòu)成。 對(duì)n位地址信號(hào)，輸出2n字線（Wi） (2) 存儲(chǔ)矩陣_由二極管或門構(gòu)成。 輸出m 位位線（Di） (3) 輸出緩沖器_由三態(tài)門構(gòu)成 Di = di (當(dāng)三態(tài)控制端EN有效時(shí)),返回,只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_A,ROM 的三極管結(jié)構(gòu)圖： 存儲(chǔ)單元 由三極管構(gòu)成:當(dāng)Wi選通時(shí),對(duì)應(yīng)輸出D為1。 (字線和位線交叉處存“1”),下一頁,只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_B,ROM 的MOS管結(jié)構(gòu)圖： 存儲(chǔ)單元由MOS管構(gòu)成 (字線和位線交叉處存 “0”,經(jīng)反相器輸出為“1”),

6、下一頁,只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_PROM,PROM 的結(jié)構(gòu)原理圖和工作原理:,返回,特點(diǎn):在存儲(chǔ)矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)上全部制作存儲(chǔ)元件(存入“1”),存儲(chǔ)元件與位線之間加入熔絲,若某存儲(chǔ)單元存人“0”,只須將該熔絲通過大電流燒斷即可.,只讀存儲(chǔ)器的其它構(gòu)成形式_PROM原理,PROM 的結(jié)構(gòu)原理圖:,返回,原理: （1）選中要寫入0的單元； （2）在數(shù)據(jù)端（D7）加入編程脈沖，經(jīng)寫入放大器后，在較大的脈沖電流作用下，將熔絲熔斷。,只讀存儲(chǔ)器的簡化形式及數(shù)據(jù)表,ROM圖的簡化結(jié)構(gòu)圖: 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表:,返回,只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量,存儲(chǔ)容量: 字線 X 位線 例1:如圖所示ROM的存儲(chǔ)容量為:4 X

7、4,返回,例2: 已知某個(gè)ROM的存儲(chǔ)容量為:16 X 2 則其地址線為: 字線為: 數(shù)據(jù)線為: 例3: ROM的存儲(chǔ)容量為: 1024 X 8 則其地址線為: 字線為: 數(shù)據(jù)線為:,三. 隨機(jī)存儲(chǔ)器,隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM (Random Access Memory) 特點(diǎn):(1) 可從存儲(chǔ)單元中讀出數(shù)據(jù),也可將數(shù)據(jù)寫入指 定的單元中(可讀/寫存儲(chǔ)器) (2) 掉電后,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)消失(丟失) 隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,隨機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)圖： 組成:,返回,RAM(2114)的結(jié)構(gòu)框圖,地址譯碼器(與陣列) + 存儲(chǔ)矩陣(或陣列) + 讀/寫控制電路 讀/寫控制端

8、（ ）:控制數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作。 當(dāng) 為讀操作 當(dāng) 為寫操作 片選控制信號(hào) ：當(dāng) RAM正常工作,RAM(2114)的結(jié)構(gòu)框圖,返回,特點(diǎn): 地址譯碼器 ( 行地址譯碼(A3-A8),列地址譯碼(A0-A2,A9) ) 存儲(chǔ)單元 （SR鎖存器）,靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）,組成：地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路 其中：地址譯碼器可分為：行地址譯碼器、 列地址譯碼器 SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元 邏輯符號(hào) I/O : 輸入/輸出端(m) An-1 - A0 : 地址輸入端(n) : 讀/寫控制端 : 片選端 特點(diǎn)：由雙極性器件或CMOS器件構(gòu)成。用觸發(fā)器作為記憶元件。沒有讀/寫操作時(shí)，能保留原有

9、信息。（不需刷新）,返回,靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM的存儲(chǔ)單元,電路結(jié)構(gòu)單元：,返回,分析: * 六管增強(qiáng)型NMOS管 存儲(chǔ)單元T1,T2,T3,T4 (SR鎖存器),* 字線：Xi_ T5、T6 控制觸發(fā)器Q與位線Bj連接 Xi=1 所在行被選中。T5,T6 導(dǎo)通,字線：Yj_ T7, T8 控制Bj(Q)與讀/寫控制電路連接 Yi=1 所在列被選中。T7,T8 導(dǎo)通 第i行,第j列單元與緩沖器相連,* CS 片選控制端 當(dāng)CS=1: A1,A2,A3 均高阻 當(dāng)CS=0: R/W=1 A1導(dǎo)通,讀出數(shù)據(jù) R/W=0 A2,A3導(dǎo)通,寫入數(shù)據(jù). * R/W讀寫控制端,動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）,

10、組成（與SRAM相同） 地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫控制電路 邏輯符號(hào)（與SRAM相同）和結(jié)構(gòu)圖 特點(diǎn)： （1）采用電容作為記憶元件。 對(duì)C充電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1” ；C放電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0” （2）由于電荷泄漏，需進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，以保存數(shù)據(jù),返回,*動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）-單管存儲(chǔ)單元,單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元. 寫操作-字線X給高電平,位線Y上的數(shù)據(jù)經(jīng)T被存入CS中. 讀操作-字線X給高電平, CS經(jīng)T向位線上的CB提供電荷,使位線獲得讀出的信號(hào)電平.,返回,電路結(jié)構(gòu)單元,動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容可以存儲(chǔ)電荷的原理.,其它結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,由于柵極電容的容量很小,電荷保存的時(shí)間有限.為了及時(shí)

11、補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲(chǔ)的信號(hào)丟失,必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷-稱為刷新(或再生),*動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）結(jié)構(gòu)圖,電路結(jié)構(gòu)單元,返回,T1、T2為NMOS管.數(shù)據(jù)以電荷形式存儲(chǔ)在其柵極電容C1、C2上。 若C1充電，同時(shí)C2未被充電， 則T1導(dǎo)通，T2截止-稱存儲(chǔ) 0；反之存儲(chǔ)1,預(yù)充電電路,四.存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展,存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展: (將若干片ROM/RAM組合,形成容量更大的存儲(chǔ)器) 擴(kuò)展方式: (1)位擴(kuò)展;(2)字?jǐn)U展;(3)位、字同時(shí)擴(kuò)展 位擴(kuò)展方式 字?jǐn)U展方式 位、字?jǐn)U展方式,4.1 位擴(kuò)展方式,位擴(kuò)展:擴(kuò)展位線(數(shù)據(jù)輸出線_I/0) 例1:將10242的RAM擴(kuò)展成10244

12、的RAM,位擴(kuò)展方式: 地址線并接,讀/寫線、片選線等并接 數(shù)據(jù)線獨(dú)立,4.2 字?jǐn)U展方式,字?jǐn)U展:擴(kuò)展地址線(A) 例1:將10242的RAM擴(kuò)展成20482的RAM,字?jǐn)U展方式: 地址線并接,讀/寫線并接、數(shù)據(jù)線并接 增加的地址線：片選線擴(kuò)展 例2: 將10242的RAM擴(kuò)展成20484的RAM,4.3 位、字?jǐn)U展方式,位、字?jǐn)U展:擴(kuò)展地址線和數(shù)據(jù)線 例1:將10242的RAM擴(kuò)展成20484的RAM,五. ROM的分析與應(yīng)用,ROM的應(yīng)用分析 用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù),ROM的應(yīng)用分析,例題1:分析如圖所示電路的邏輯功能。 例題2：分析如圖所示電路的邏輯功能。,返回,ROM的分析例題1,例題

13、1:分析如圖所示電路的邏輯功能。 解：*由圖寫表達(dá)式： * 由表達(dá)式列真值表:(略) * 邏輯功能：實(shí)現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。,返回,ROM的分析例題2,例題2：分析如圖所示電路的邏輯功能。,返回,解:*由圖寫表達(dá)式: * 由圖列真值表: (見P193表4.3.9) * 邏輯功能:一位全加器,用ROM的設(shè)計(jì)邏輯函數(shù),例題1:用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù): 例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器. 例題3：用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函數(shù),返回,ROM的設(shè)計(jì)例題1,例題1:用ROM設(shè)計(jì)邏輯函數(shù): 解：* 將函數(shù)整理成最小項(xiàng)表達(dá)式： * 畫ROM的連接圖,返回,ROM的設(shè)計(jì)例題2,例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器. 解：* 列真值表（減法 A B CI = COS） * 由真值表寫表達(dá)式 * 由表達(dá)式畫ROM的連接圖,ROM的設(shè)計(jì)例題2（續(xù)）,例題2:用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)一位全減器. 解：* 由真值表寫表達(dá)式 * 由表達(dá)式畫ROM的連接圖,返回,ROM的設(shè)計(jì)例題3,例題3:用ROM實(shí)現(xiàn)多輸出函數(shù) 解：* 將函數(shù)整理成最小項(xiàng)表達(dá)式,* 由表達(dá)式畫ROM的連接圖,ROM的設(shè)計(jì)例題3（續(xù)）,例題3:用RO