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1、中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器第六章第六章 半导体存储器半导体存储器6.1 概述概述6.2 只读存储器（只读存储器（ROM）6.3 随机存取器（随机存取器（RAM）6.4 存储器的应用存储器的应用中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器6.1 概述概述一、存储器的构造特点一、存储器的构造特点1.数目庞大与管脚有限数目庞大与管脚有限2.分组技术分组技术3.地址译码技术地址译码技术4.共享通道技术共享通道技术中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器二、存储器的分类二、存储器的分类从存、取功能上分从存、取功能上分 只读
2、存储器只读存储器(ROM)随机存储器随机存储器(RAM)SRAMDRAM 从制造工艺上分从制造工艺上分 双极型双极型MOS型型UVEPROME2PROM快闪存储器快闪存储器（FLASH）掩模掩模ROMPROM EPROM中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器三、存储器的主要技术指标三、存储器的主要技术指标1.存储容量：所存放信息的多少，用存储容量：所存放信息的多少，用Bit表示表示2.存储时间：用读（写）周期表示存储时间：用读（写）周期表示中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器6.2 只读存储器只读存储器ROM定义：定义：只读存储器ROM（R
3、eadOnly memory）是存储固定信息的存储器件，即先把信息和数据写入到存储器中，在正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能读出，不能迅速写入，故称为只读存储器。特点特点：掉电后存储的数据不会丢失。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器按使用的器件的类型按使用的器件的类型ROM的分类的分类二极管二极管ROM 双极型三极管双极型三极管ROM MOS管管ROM中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器固定固定ROM：出厂时已完全固定下来，使用时无法再更出厂时已完全固定下来，使用时无法再更 改，也称掩模编程改，也称掩模编程ROM。PROM：允许用
4、户根据需要写入，但只能写一次。允许用户根据需要写入，但只能写一次。EPROM：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，但但 操作复杂、费时。操作复杂、费时。EEPROM：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，操作比较简便、快捷。操作比较简便、快捷。闪速存储器：仍是闪速存储器：仍是ROM，兼有兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特点，既有存储内容非丢失性，又有的特点，既有存储内容非丢失性，又有快速擦快速擦写和写和 读取的特性。读取的特性。按数据的写入方式分按数据的写入方式分中南大学信息科学与工程学院第第
5、六六章章 半半导导体体存存储储器器ROM的用途的用途1、存储各种程序代码；、存储各种程序代码；2、实现多输入、多输出逻辑函数真值表；、实现多输入、多输出逻辑函数真值表；3、代码的变换、符号和数字显示等有关数、代码的变换、符号和数字显示等有关数字电路及存储各种函数等。字电路及存储各种函数等。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器一、掩模只读存储器一、掩模只读存储器1、ROM的电路结构的电路结构 ROM的的电电路路结结构构包包含含存存储储矩矩阵阵、地地址址译译码码器器和和输输出缓冲器出缓冲器三个组成部分三个组成部分输出缓冲器：输出缓冲器：既有缓冲作用，又可以提供不同的既有
6、缓冲作用，又可以提供不同的 输出结输出结 构，如三态输出、构，如三态输出、OC输出等。输出等。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器2、ROM电路的工作原理电路的工作原理中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器 ROM中的数据表地 址数 据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器二、二、可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)(PROM)PROM在出厂时，在出厂时，制作的是一个完整制作的是一个完整的二极管或三极管的二极管或三极管存储单元矩阵，相存
7、储单元矩阵，相当于所有的存储单当于所有的存储单元全部存入元全部存入1。在。在每个单元的三极管每个单元的三极管发射极上都接有快发射极上都接有快速熔丝，它是用低速熔丝，它是用低熔点的合金或很细熔点的合金或很细的多晶硅导线制成的多晶硅导线制成的。的。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器原理（写入过程）：1）输入地址，选中字线；2）写0的位线加高压脉冲；3）DZ导通，AW输出为0；4）熔丝烧断，写入0。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器三、可擦除的可编三、可擦除的可编ROM(EPR
8、OM)在研制一个数字系统的过程中，用户常常希望能够在研制一个数字系统的过程中，用户常常希望能够按照自己的需要对按照自己的需要对ROM 进行编程，这样的进行编程，这样的ROM叫做可叫做可编程编程PROM或或EPROM。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器1.UVEPROM1.UVEPROM采用浮栅型采用浮栅型MOS器件作为存储单元的一个元件，需紫外器件作为存储单元的一个元件，需紫外线照射才能擦除，大概需要线照射才能擦除，大概需要1030分钟，可擦除上万次。分钟，可擦除上万次。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器2.E2.E2 2PROMPR
9、OM同样采用浮栅工艺，但可利用一定宽度电脉冲擦除。同样采用浮栅工艺，但可利用一定宽度电脉冲擦除。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器3、快闪存储器、快闪存储器快闪存储器既吸收了快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、编程结构简单、编程可靠的优点，又保留了可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应檫用隧道效应檫除的快捷特性，而且集成度可以做得很高。除的快捷特性，而且集成度可以做得很高。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器可读可写 读写方便 所存储信息会因断电而丢失用途用途特点特点常用来放一些采样值、运算的中间 结果，数据暂存、缓冲和标志位等。
10、6.3 随机存取器随机存取器中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器一、一、静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)1、SRAM的结构和工作原理的结构和工作原理 SRAM电电路路通通常常由由存存储储矩矩阵阵、地地址址译译码码器器和和读读写写控控制制电路电路三部分组成三部分组成。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器（1）存储矩阵）存储矩阵 每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指 存储单元的数目。存储单元的数目。存储容量存储容量=存储单元的数目存储单元的数目=行数行数*列数列数 =字线数字
11、线数*位线数位线数（2）地址译码）地址译码 一个一个RAM由若干字和位组成。通常信息的读出和由若干字和位组成。通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了区分不同的字，将写入是以字为单位进行的。为了区分不同的字，将存放同一个字的各个存储单元编为一组，并赋予一存放同一个字的各个存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。个号码，称为地址。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器 地址的选择是借助于地址的选择是借助于地址译码器地址译码器实现的。容量小实现的。容量小的可以只用一个译码器，容量大的通常采用双译码的可以只用一个译码器，容量大的通常采用双译码结构，即将输入地址分为两
12、部分，分别由行译码器结构，即将输入地址分为两部分，分别由行译码器和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储矩阵的字线和位线，由它们共同确定欲选择的存储矩阵的字线和位线，由它们共同确定欲选择的存储单元。单元。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器X1例如：例如：1024*1的存储器，可以排列成的存储器，可以排列成32*32的矩阵。的矩阵。A5 A6 A7 A8 A9A0A1A2A3A4行 译 码 器列 译 码 器（0，0）（0，1）（0，2）（0，30）（0，31）（1，0）（1，1）（1，2）（1，30）（1，31）（2，
13、0）（2，1）（2，2）（2，30）（2，31）（30，0）（30，1）（30，2）（30，30）（30，31）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（3，2）（31，30）（31，31）Y0Y31Y1Y2Y30中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器X1例如：例如：1024*2的存储器，可以排列成的存储器，可以排列成32*64的矩阵。的矩阵。A5 A6 A7 A8 A9 A0A1A2A3A4行 译 码 器列 译 码 器（0，0）（0，1）（0，2）（0，3）（0，63）（0，64）（1，0）（1，1）（1，2）（1，3）（1，63）（1，64）（2，0）（2，1
14、）（2，2）（2，3）（2，63）（2，64）（30，0）（30，1）（30，2）（30，3）（30，63）（30，64）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（3，2）（31，3）（31，63）（31，64）Y0Y1Y2Y30Y31中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器（六六管管NMOS静态存储单元）静态存储单元）2、SRAM的静态存储单元的静态存储单元静态存储静态存储单元单元=触触发器发器+控控制电路制电路中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器原理：1）当地址译码后，X
15、i=1，Yj=1 Xi=1，则T5、T6导通，使Q与Bj及Q与Bj接通；Yj=1，则T7、T8导通，使位线可输入/输出。2）读/写控制电路（a）数据经A2、A3写入存储单元；（b）数据经A1读出；（c）A1、A2、A3高阻态。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器二、动态随机存储器二、动态随机存储器(DRAM)1、DRAM的动态存储单元的特点的动态存储单元的特点1）利用）利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器。储器。2 2）栅极电容的容量很小）栅极电容的容量很小(通常仅为几皮法通常仅为几皮法)，漏电流又，漏电流又不可能绝
16、对等于零，所以电荷保存的时间有限不可能绝对等于零，所以电荷保存的时间有限3 3）为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失，）为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失，必须定时地给栅极电容补充电荷必须定时地给栅极电容补充电荷-刷新或再生刷新或再生。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器1）读操作程序）读操作程序A.先加预充电脉冲，使先加预充电脉冲，使C0、C0充电至高电平充电至高电平B.使使X、Y同时为高电平同时为高电平2）写操作程序：使）写操作程序：使X、Y同时为高电平即可写入。同时为高电平即可写入。三三管管MOS动动态态存存储储单单元元中南大学信息科学与工程学院
17、第第六六章章 半半导导体体存存储储器器2、DRAM整体结构框图整体结构框图中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器6.4 存储器的应用存储器的应用一、思路一、思路1、存存储储器器的的译译码码器器输输出出包包含含了了输输入入地地址址变变量量全全部的最小项部的最小项;2、存储器数据输出又都是若干个最小项之和、存储器数据输出又都是若干个最小项之和;3、而而任任何何的的组组合合逻逻辑辑函函数数可可用用输输入入逻逻辑辑变变量量的的最小项之和表示。最小项之和表示。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器二、推论二、推论 n位位输输入入地地址址、m位位数数据据
18、输输出出的的存存储储器器可可以以设设计计一一组组(最最多多为为m个个)任任何何形形式式的的n输入逻辑变量组合逻辑函数输入逻辑变量组合逻辑函数三、方法三、方法只要根据函数的形式向存储器写入相应只要根据函数的形式向存储器写入相应的数据即可。的数据即可。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器四、步骤四、步骤1、根根据据输输入入变变量量数数和和输输出出端端个个数数确确定定存存储储器器的的类类型；型；2、将将函函数数化化为为最最小小项项之之和和的的形形式式（列列出出函函数数的的真真值表）；值表）；3、列出函数的数据表；、列出函数的数据表；4、画出相应的电路的结点图（编程写入数据
19、）。画出相应的电路的结点图（编程写入数据）。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器五、实用存储器芯片五、实用存储器芯片1、EPROM2716中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器2716的主要参数有：电源电压VCC=+5V 编程高电压VPP=25V 工作电流最大值100mA,维持电流最大值 25mA 最大读取时间450ns 存储容量2K8位。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器 2716工作方式：工作方式VPP输出D读出00+5V数据输出维持1+5V高阻浮置编程1+25V数据写入编程禁止01+25V高阻浮置编程校验
20、00+25V数据输出中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器2、EEPROM2864中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器6116有三种操作方式：1）写入方式写入方式：当 时，D0D7上的内容存入A0A10对应的单元。2）读出方式读出方式：当 时，A0A10对应单元的内容输出到D0D7。3）低功耗维持方式：当 时，器件电流仅20A左右，为系统断电时用电池保存RAM内容提供了可能性。中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器3、SRAM6116中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器1、作函数运算表电
21、路（、作函数运算表电路（Y=X2）2、实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数3、用、用ROM设计一个设计一个8段字符显示的译码器段字符显示的译码器4、数字波形发生数据存储器、数字波形发生数据存储器举例举例中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器一、试用ROM构成实现函数 的运算表电路，x的取值范围为015的正整数。解：(1)分析要求、设定变量x的取值范围为015的正整数，用B=B3B2B1B0表示；Y的最大位是225，用Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。(2)列真值表、函数运算表中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器（3）写出逻辑函数表达式
22、中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器 (4)画出ROM存储矩阵结点逻辑图 为作图方便，将ROM矩阵中的存储单元存入1的单元用结点结点表示 中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器二、试用ROM实现下列函数：中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器解：(1)写出各函数的标准与或表达式最小项编号形式表示为：中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器（2）选ROM，画存储矩阵连线图 中南大学信息科学与工程学院第第六六章章 半半导导体体存存储储器器本章小结1）半导体存储器是一种能存储大量数据或信号的半导体器件。在半导体存储器中采用了按地址存放数据的方法，只有那些被输入地址代码的存储单元才能与输入/输出接通，并对指定的单元进行读/写操作。而输入/输出是公用的，所以半导体存储器电路结构中必须包含地址译码器、存储矩阵和输入/输出电路这三个组成部分。2）半导体存储器从读/写功能上分为ROM和RAM两大类。按存储单元电路的结构和工作原理的不同，又将ROM分为掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM和快闪存储器等几种不同的类型；将RAM分为SRAM和DRAM两类。3）学生应掌握各种类型半导体存储器在电路结构和性能上的不同特点。掌握用半导体存储器实现组合逻辑函数的方法。