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1、数字电路第八章数字电路第八章 半导体存储器半导体存储器第一页，共36页。存储器概述存储器概述存储器概述存储器概述(i sh)(i sh)存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分；功能：存放数据、指令(zhlng)等信息。按材料(cilio)分类1)磁介质类软磁盘、硬盘、磁带2)光介质类CD、DVD3)半导体介质类ROM、RAM等按功能分类主要分RAM和ROM两类，不过界线逐渐模糊。RAM:SRAM,DRAM,ROM:掩模ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM 性能指标1)存储容量一般用字位数表示,即字数位数；如：2568bit=2048位。2)存取时间存储器操作的速度
2、。本课主要讲述半导体介质类器件第1页/共36页第二页，共36页。半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器 存放(cnfng)大量二进制信息的半导体器件。分为：ROM、RAM。一、只读存储器ROM（read only memory）ROM 是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据 写入存储器中，在正常(zhngchng)工作时，它存储的数据是 固定不变的，只能读出，不能写入。（ROM是存储器结构最简单的一种。）特点：只能读出，不能写入；属于(shy)组合电路，电路简单，集成度高；具有信息的不易失性；存取时间在20ns50ns。缺点：只适应存储固定数据的场合。第2页/共36页第三页，共3
3、6页。ROMROMROMROM的分类的分类的分类的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)(1)按制造工艺分二极管ROM双极型ROM(三极管)单极型(MOS)(2)按存储内容写入方式分掩膜ROM(固定ROM)厂家固化内容；可编程ROM（PROM）用户首次写入时决定内容。（一次写入式）可编程、光可擦除ROM（EPROM）可根据需要改写数据；可编程、电可擦除ROM（EEPROM 即E2PROM）快闪存储器FLASH ROM第3页/共36页第四页，共36页。1 1 1 1、腌膜、腌膜、腌膜、腌膜ROM(ROM(ROM(ROM(固化固化固化固化ROM)ROM)ROM)ROM)采用腌
4、膜工艺制作ROM时，其存储的数据是由制作过程中的腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因此，腌膜ROM在出厂时内部(nib)存储的数据就“固化”在里面了，使用时无法再更改。A0Ai地址译码器.存储矩阵输出缓冲器地址输入三态控制输入数据输出（1）基本(jbn)构成第4页/共36页第五页，共36页。地址译码器的作用将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定(zhdng)的单元选出，并把 其中的数据送到输出缓冲器。A0Ai地址译码器.存储矩阵输出缓冲器地址输入三态控制输入数据输出存储(cn ch)矩阵是由存储(cn ch)单元排列而成，可以由二极管、三极管
5、或 MOS管构成。每个单元存放一位二值代码。每一个或一组 存储(cn ch)单元对应一个地址代码。输出缓冲器的作用：、提高存储器的带负载能力(nngl)，将高、低电平转换标准的逻辑电平；、实现对输出的三态控制，以便与 系统总线连接。第5页/共36页第六页，共36页。（2 2 2 2）举例）举例）举例）举例(j l)44(j l)44(j l)44(j l)44存储存储存储存储器器器器2位地址代码A1、A0给出4个不同(b tn)地址，4个地址代码分别译出W0W3上的高电平信号。位输出(shch)线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3Vcc
6、A1A0W3二极管与门作译码A1A000 W01；A1A001 W11；A1A010 W21；A1A011 W31；第6页/共36页第七页，共36页。（2 2 2 2）举例）举例）举例）举例(j l)44(j l)44(j l)44(j l)44存储器存储器存储器存储器（续）（续）（续）（续）存储矩阵由4个二极管或门组成，当W0W3线上给出高电平信号时，会在D0D3输出一个(y)二值代码位输出(shch)线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3D3W3W1二极管或门作编码器D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1W0W3：字
7、线D0D3：位线（数据线）A0、A1：地址线第7页/共36页第八页，共36页。（2 2 2 2）举例）举例）举例）举例(j l)44(j l)44(j l)44(j l)44存储存储存储存储器（续）器（续）器（续）器（续）位输出线111111VccA1A0 D3 D2 D1 D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接二极管相当于存1，没接二极管相当于存0，交叉点的数目就是(jish)存储容量，写成“字数位数”的形式D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1存储内容真值表地 址数 据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1
8、1 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0第8页/共36页第九页，共36页。m1m3m0m2m3m1m3m0m1地 址数 据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0D3D2D1D0与阵列(zhn li)或阵列W1W0W2W3简化(jinhu)ROM点阵图字输出：D3D2D1D0随着地址的不同有不同的数据。位输出：D3、D2、D1、D0每根位线，由不同的最小项组成，可实现组合逻辑函数。D3W1W3D2W0W2W3D1 W1W3 D0W0W1输出(shch)方式第9页/共36页第十页，共36页。2 P
9、ROM(2 PROM(2 PROM(2 PROM(可编程可编程可编程可编程ROM)ROM)ROM)ROM)PROM只能写一次，一旦(ydn)写入就不能修改（OTP型）。基本结构同掩模ROM，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元，一般存1。存数方法：熔丝法和击穿法。熔丝法图示e熔丝cbVcc字线位线加高电压(diny)将熔丝化断，即可将原有的1改写为0。第10页/共36页第十一页，共36页。3 EPROM3 EPROM3 EPROM3 EPROM、E E E E2 2 2 2PROMPROMPROMPROM、FLASH ROMFLASH ROMFLAS
10、H ROMFLASH ROM电擦除，一般芯片内部带有升压电路(dinl)，可以直接 读写EEPROM，擦除时间短(ms级)，可对单个存储单元擦除。读出：5V；擦除：20V；写入：20V。EPROM：光擦除可编程ROME2PROM：电擦除可编程ROMFLASH ROM：电擦除可编程ROM紫外线照射擦除，时间长1020分钟整片擦除写入一般需要(xyo)专门的工具结合EPROM和EEPROM的特点，构成的电路形式(xngsh)简 单，集成度高，可靠性好。擦除时间短(s级)，整片擦除、或分块擦除。读出：5V；写入：12V；擦除：12V(整块擦除)第11页/共36页第十二页，共36页。EPROME2PR
11、OM第12页/共36页第十三页，共36页。二、二、二、二、随机随机随机随机(su j)(su j)(su j)(su j)存储器存储器存储器存储器RAM RAM RAM RAM（random access random access random access random access memory memory memory memory）RAM在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器(或读写存储器)。读写速度很快。但一般有易失性，数据(shj)掉电后就消失。RAM 按功能(gngnng)可分为RAM 按所用器件可分为RAM 优点：
12、读写方便，具有信息的灵活性。缺点：一般有易失性，数据掉电后就消失。静态(SRAM)动态(DRAM)双极型 MOS型第13页/共36页第十四页，共36页。1.SRAM1.SRAM1.SRAM1.SRAM的基本的基本的基本的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)结构结构结构结构A0Ai行地址译码器.列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵读写控制电路CSR/WI/O地址输入控制输入数据输入/输出输入信号（三组）：地址(dzh)输入、控制输入和数据输入输出信号（一组）：数据输出第14页/共36页第十五页，共36页。A0Ai行地址译码器.列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵读写控制电路CSR/WI/
13、O地址输入控制输入数据输入/输出存储矩阵：有许多存储单元排列而成，每个存储单元存一位二值信息（0、1），在译码器和读/写电路的控制(kngzh)下，既可以写入1或0，又可以将存储的数据读出。第15页/共36页第十六页，共36页。由于存储器的容量巨大，在存储器中使用双译码形式，就是地址分成行列两组，以简化电路(dinl)。分行列译码，用两条线来共同选择存储单元。R/W=1，读出 R/W=0，写入CS=0，工作 CS=1，高阻A0Ai行地址译码器.列地址译码器Ai+1An-1存储矩阵读写控制电路CSR/WI/O地址输入控制输入数据输入/输出第16页/共36页第十七页，共36页。例：例：1024X4
14、 SRAM1024X4 SRAM（21142114）A3A4A5A6A7A8行地址译码器列地址译码器存储矩阵读写控制电路CSR/W数据输入/输出A0 A1 A2 A9I/O0I/O1I/O2I/O3地址线：10根，A0 A9数据线：4根，I/O0 I/O3控制线：2根，片选，0有效；读写控制第17页/共36页第十八页，共36页。每个由X，Y共同选中的单元中实际(shj)包含了4个1位数据存储单元 表示4位数据。行选择线有32条(含5根地址线)，列选择线8条(含3根地址线),一共可以有328=256个组合总的存储容量就是2564。2564RAM存储(cn ch)矩阵行地址(dzh)译码器列地址译
15、码器A0A1A2A3A5A6A7A4第18页/共36页第十九页，共36页。10244 RAM列控制门数据线行选择(xunz)2664列选择(xunz)241610244RAM存储(cn ch)矩阵行地址译码器列地址译码器第19页/共36页第二十页，共36页。&G1G2G3DDR/WCSI/OD/D连接存储器内部(nib)的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部(nib)写入。输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路存储体第20页/共36页第二十一页，共36页。&G1G2G3DDR/WCSI/O100D/D连接存储器内部的
16、各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出(shch)，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=1时，G1,G2,G3都是高阻，存储器与输入/输出线完全隔离存储体第21页/共36页第二十二页，共36页。&G1G2G3DDR/WCSI/O01D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以(ky)从D上读取存储器的内容，也可以(ky)向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0、R/W=1时：G1,G2三态，G3开通D端数据输出到I/O线上 CS=
17、1时，G1,G2,G3都是高阻，存储器与输入/输出线完全隔离存储体第22页/共36页第二十三页，共36页。&G1G2G3DDR/WCSI/O100D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出(shch)，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0,R/W=0时,G1,G2开通，G3三态，I/O上的数据被同时送到D/D上，改变存储单元内部内容。CS=0、R/W=1时：G1,G2三态，G3开通D端数据输出到I/O线上 CS=1时，G1,G2,G3都是高阻，存储器与输入/输出线完全隔离存储体第23页
18、/共36页第二十四页，共36页。RAMRAMRAMRAM操作操作操作操作(cozu)(cozu)(cozu)(cozu)时序时序时序时序要求：了解(lioji)时序图第24页/共36页第二十五页，共36页。SRAM体积大不易(b y)高密度集成，大容量存储器一般都采用DRAMDRAM存储(cn ch)依赖MOS管栅极的寄生电容效应原理制成的。2 2、DRAMDRAMC上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容(dinrng)充电，称为再生或刷新。第25页/共36页第二十六页，共36页。说明：ROM无R/W，位扩展其余端的连接与RAM相同。三、存储器容量三、存储器容量三、存储器容量三、存储器容
19、量(rngling)(rngling)扩展扩展扩展扩展1、位扩展(kuzhn)地址并联(bnglin)，I/O独立第1片第4片40964RAM扩展成409616的存储器系统A11 A0R/WCS D0D15方法：第26页/共36页第二十七页，共36页。2、字扩展(kuzhn)地址并联，CS独立例：4片8K8位RAM扩展(kuzhn)成32K8位RAM32K有15条地址线，8K芯片本身(bnshn)用13条，另两条译码后作为片选。000000000000000001111111111111 即 0000H1FFFH；A0A12R/WA13 A14D0D7/Y0/Y1/Y2/Y3第片地址范围：第片
20、地址范围：2000H3FFFH第片地址范围：4000H5FFFH第片地址范围：6000H7FFFH方法：第27页/共36页第二十八页，共36页。四、存储器的基本四、存储器的基本四、存储器的基本四、存储器的基本(jbn)(jbn)应用应用应用应用1.字应用(yngyng)由地址读出对应的字，例实现B码G码的转换。二进制二进制G3 G2 G1 G000000 0 0 000010 0 0 100100 0 1 100110 0 1 001000 1 1 001010 1 1 101100 1 0 101110 1 0 010001 1 0 010011 1 0 110101 1 1 110111
21、1 1 011001 0 1 011011 0 1 111101 0 0 111111 0 0 0B3B3B2B2B1B1B0B00 5 10 15G3G2G1G0第28页/共36页第二十九页，共36页。用PROM实现(shxin)22快速乘法器D3D2D1D0A1A0B1B0解：A1A0-被乘数，B1B0-乘数，作为PROM的地址；D3D2D1D0-乘积，作为ROM的内容存放在相应的存储单元(cn ch dn yun)。ROM 容量为164位。例：用适当容量(rngling)的PROM实现22快速乘法器。如果要实现mn快速乘法器，PROM的容量至少为：字位2m+n（mn）。第29页/共36页
22、第三十页，共36页。全加器0 5 10 15组合逻辑(lu j)函数的实现：基本门电路；译码器；数据选择器；ROMAiAiBiBiCi-1Ci-1SiCiAi Ai Bi Bi C-1 C-1Si Ci两种表示(biosh)形式例1 用ROM实现(shxin)全加器2.2.位应用位应用位应用位应用实现组合函数实现组合函数实现组合函数实现组合函数 0 1 2 3 4 5 6 7第30页/共36页第三十一页，共36页。例例例例2 2 用用用用ROMROM实现实现实现实现(shxin)(shxin)将将将将8421BCD8421BCD码转换为七段数字显示译码电路码转换为七段数字显示译码电路码转换为七
23、段数字显示译码电路码转换为七段数字显示译码电路 8421BCDa b c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 00 0 1 0 1 1 0 1 1 0 10 0 1 1 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 1 0 0 1 10 1 0 11 0 1 1 0 1 10 1 1 00 0 1 1 1 1 10 1 1 11 1 1 0 0 0 01 0 0 01 1 1 1 1 1 11 0 0 11 1 1 0 0 1 1B3B3B2B2B1B1B0B0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9abcdefg第31页/共3
24、6页第三十二页，共36页。【例】试用(shyng)PROM实现字符发生器（或字符译码器）。图 5-13 字符R的显示电路D4D3D2D1D0A2A1A00Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7YA0A1A2SACSBS模 7 计数器CPW0W1W2W3W4W5W67413875 LED点阵D4D3D2D1D01PROM视觉暂留原理(yunl)第32页/共36页第三十三页，共36页。本章(bn zhn)要求熟练掌握半导体存储器的分类、特点；熟练掌握半导体存储器的分类、特点；熟练掌握熟练掌握ROMROM的应用（字应用、位应用）；的应用（字应用、位应用）；熟练掌握半导体存储器的扩展方法（字扩展、位扩熟练掌握半
25、导体存储器的扩展方法（字扩展、位扩展）；展）；掌握掌握ROMROM、RAMRAM的基本结构的基本结构(jigu)(jigu)和概念。和概念。作业(zuy)：8.3 8.5 8.7 8.8 本章完第33页/共36页第三十四页，共36页。10244 RAM列控制门行控制(kngzh)门在内部数据线行选择(xunz)2664列选择(xunz)241610244RAM存储矩阵行地址译码器列地址译码器第34页/共36页第三十五页，共36页。&G1G2G3DDR/WCSI/O10001D/D连接存储器内部的各个存储单元(cn ch dn yun)，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路输入输出控制电路 CS=0,R/W=0时,G1,G2开通，G3三态，I/O上的数据被同时送到D/D上，改变存储单元内部内容。CS=0、R/W=1时：G1,G2三态，G3开通D端数据输出到I/O线上 CS=1时，G1,G2,G3都是高阻，存储器与输入/输出线完全隔离存储体第35页/共36页第三十六页，共36页。