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1、7.1 存储器概述存储器概述存储器：专用于存放大量二进制数码的器件存储器：专用于存放大量二进制数码的器件按材料分类按材料分类 1)1)磁介质类磁介质类软磁盘、硬盘、磁带、软磁盘、硬盘、磁带、2)2)光介质类光介质类CDCD、DVDDVD、MOMO、3)3)半导体介质类半导体介质类SDRAMSDRAM、EEPROMEEPROM、FLASH ROMFLASH ROM、按功能分类按功能分类 主要分主要分RAMRAM和和ROMROM两类，不过界限逐渐模糊两类，不过界限逐渐模糊 RAM:SDRAM,RAM:SDRAM,磁盘，磁盘，ROM:CD,DVD,FLASH ROM,EEPROMROM:CD,DVD
2、,FLASH ROM,EEPROM1.1.存储器一般概念存储器一般概念讨论学习半导体介质类存储器件的结构功能和使用特点讨论学习半导体介质类存储器件的结构功能和使用特点第1页/共71页2.存储器分类：存储器分类：RAM(Random Access Memory)随机存取存储器随机存取存储器ROM(Read Only Memory)只读存储器只读存储器随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作RAM信息易失：信息易失：芯片必须供电才能保持存储的数据芯片必须供电才能保持存储的数据SRAMDRAM只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出
3、只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失ROM(工厂掩膜工厂掩膜)PROM(一次编程一次编程)7.1 存储器概述存储器概述PROM(多次编程多次编程)双极型双极型MOS型型第2页/共71页3.存储器的主要性能指标：存储器的主要性能指标：容量：存储单元总数（容量：存储单元总数（bit）存取时间：表明存储器工作速度存取时间：表明存储器工作速度其它：材料、功耗、封装形式等等其它：材料、功耗、封装形式等等7.1 存储器概述存储器概述1Kbit=1024bit=21Kbit=1024bit=2101
4、0bitbit128Mbit=134217728bit=2128Mbit=134217728bit=22727bitbit字长：一个芯片可以同时存取的比特数字长：一个芯片可以同时存取的比特数1 1位、位、4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位等等位等等标称：字数标称：字数位数位数 如如4K84K8位位=2=212128=28=21515单元（单元（bit）读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系第3页/共71页字数字数（通常以字节个数为单位）（通常以字节个数为单位）字长字长（通常以字节为单位）（通常以字节为单位）存储器第4页/共71页
5、 不不同同的的存存储储器器芯芯片片，其其存存储储容容量量是是不不同同的的。例例如如某某一一半半导导体体存存储储器器芯芯片片，共共有有4K4K个个存存储储单单元元，每每个个单单元元存存储储8 8位位二二进进制制信信息息，则则该该芯芯片片的的存存储储容容量量是是4K4K 8bits8bits或或4K4K字节，简称字节，简称4KB4KB。字节数字节数（4K4K个字节数）个字节数）字节长字节长B B（一个字节（一个字节8bits8bits）存存储储器器第5页/共71页7.2顺序存取存储器（顺序存取存储器（SAM）动态动态CMOS反相器反相器动态动态CMOS移存单元移存单元动态移存器和顺序存取存储器动态
6、移存器和顺序存取存储器Sequential Access Memory第6页/共71页 动态动态CMOS反相器反相器由由传传输输门门和和CMOS反反相相器器组组成成。电电路路中中T1、T2栅栅极极的的寄寄生生电电容容C是是存储信息的主要存储信息的主要“元件元件”。MOS管栅电容管栅电容C的暂存作用的暂存作用栅电容栅电容C充电迅速，放电缓慢，因此可以暂存输入信息。若每隔一定时间对充电迅速，放电缓慢，因此可以暂存输入信息。若每隔一定时间对C补充补充一次电荷，使信号得到一次电荷，使信号得到“再生再生”，可长期保持，可长期保持C上的上的1信号，这一操作过程通常称为信号，这一操作过程通常称为“刷新刷新”
7、。CP的周期不能太长，一般应小于的周期不能太长，一般应小于msms。电路结构电路结构图7-2-1 动态CMOS反相器vI+TG1CPCRVDDT2T1vOCP+第7页/共71页 动态动态CMOS移存单元移存单元动态动态CMOS移存单元由两个动态移存单元由两个动态CMOS反相器串接而成。反相器串接而成。当当CP=1=1时，主动态反相器接收信息，从动态反相器保持原存信息；时，主动态反相器接收信息，从动态反相器保持原存信息；CP=0=0时，主动时，主动态反相器保持原存信息，从动态反相器随主动态反相器变化。每经过一个态反相器保持原存信息，从动态反相器随主动态反相器变化。每经过一个CP，数据向右，数据向
8、右移动一位。移动一位。主主从从1 1位位ITG1CPC1VDDT2T1OCPTG2CPC2VDDT4T3CP图7-2-2 动态CMOS移存单元第8页/共71页 动态移存器和顺序存取存储器动态移存器和顺序存取存储器动态移存器动态移存器动态移存器可用动态动态移存器可用动态CMOS移存单元串接而成，主要用来组成顺序存取存储器移存单元串接而成，主要用来组成顺序存取存储器(SAM)。由于需要读出的数据必须在由于需要读出的数据必须在CP的推动下，逐位移动到输出端才可读出，所以存取的推动下，逐位移动到输出端才可读出，所以存取时间较长，位数越多，最大存取时间越长。时间较长，位数越多，最大存取时间越长。0121
9、023串入串入串出串出CPCP1位动态移存单元位动态移存单元图7-2-3 1024位动态移存器示意图第9页/共71页(1)(1)循环刷新循环刷新片选端为片选端为0。只要不断电，信息可在动态中长期保存。只要不断电，信息可在动态中长期保存。(2)(2)边写边读边写边读片选端为片选端为1，写，写/循环为循环为1，且读控制端也为，且读控制端也为1。(3)(3)只读不写，数据刷新只读不写，数据刷新片选端为片选端为1，写，写/循环为循环为0，读控制端为，读控制端为1。先入先出先入先出(FIFO)型型SAM特点：特点：每次对外读每次对外读(或写或写)一个并行的位数据，即一个一个并行的位数据，即一个字字。SA
10、M中的数据字只能按中的数据字只能按“先入先出先入先出”的原则顺序读出。的原则顺序读出。逻辑图逻辑图动画示意第10页/共71页&1&G20G301024位动态移存器位动态移存器CPCP&O0G40I0&1&G21G311024位动态移存器位动态移存器CPCP&O1G41I1&1&G27G371024位动态移存器位动态移存器CPCP&O7G47I7&写写/循环循环片选片选读读图7-2-4 10248位FIFO型SAM返回返回G1第11页/共71页图7-2-5 m4位FILO型SAMI/O控制电路控制电路1ENQ0Qm-1 m位位双向双向移存器移存器SL/SRCPG2G1I/O0R/WCPENENI
11、/O3EN111Q0Qm-1 m位位双向双向移存器移存器SL/SRCP先入后出先入后出(FILO)型型SAM写操作：写操作：移移存存器器执执行行右右移移操操作作，由由I/O端端最最先先送送入入的的数数据据存存于于各各移移存器的最右端。存器的最右端。读操作：读操作：移移存存器器执执行行左左移移操操作作，存存于于各各移移存存器器最最左左端端的的数数据据最最先先由由I/O端读出。端读出。第12页/共71页7.3 RAM RAM的基本结构的基本结构RAM芯片介绍芯片介绍 RAM容量扩展容量扩展二、二、RAM的存储单元（的存储单元（SRAM、DRAM）一、一、RAM的结构框图的结构框图一、一、字长（位数
12、）的扩展字长（位数）的扩展二、二、字数的扩展字数的扩展第13页/共71页存储矩阵存储矩阵输入输入/输出控制电路输出控制电路 地地址址译译码码器器数据输入数据输入/输出输出地址输输入入控制信号输入控制信号输入(CS、R/W)地址译码器：对外部输入的地址译码器：对外部输入的地址码进行译码，唯一地选地址码进行译码，唯一地选择存储矩阵中的一个存储单择存储矩阵中的一个存储单元元输入输入/输出控制电路：对选输出控制电路：对选中的存储单元进行读出或写中的存储单元进行读出或写入数据的操作入数据的操作存储矩阵：存储器中各个存存储矩阵：存储器中各个存储单元的有序排列储单元的有序排列的结构的结构一、一、RAM的结构
13、框图的结构框图第14页/共71页的结构的结构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/输出三组输入信号：地址输入、控制输入和数据输入三组输入信号：地址输入、控制输入和数据输入一组输出信号：数据输出一组输出信号：数据输出大容量大容量RAM数据输入输出合为双向端口数据输入输出合为双向端口第15页/共71页存储单元数量多，将存储单元排列成矩阵形式（存储器阵列）存储单元数量多，将存储单元排列成矩阵形式（存储器阵列）阵列中各单元的选择称地址译码阵列中各单元的选择称地址译码A0A1A2A3A4A5A6A7CS0CS1CS255地址译码器
14、存储器阵列01255A0A1A2A3CSX0CSX1CSX15行地址译码器列地址译码器A4 A5 A6 A7CSY0CSY1CSY15011516173232241255单译码单译码:n位地址构成 条地址线。若n=10，则有1024条地址线行列（双）译码行列（双）译码:将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码,其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择 的地址单元。1地址译码第16页/共71页1地址译码器将寄存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线 X11、
15、列选线Y01，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。采用双译码结构。行地址译码器：5输入32输出，输入为A0、A1、A4，输出为X0、X1、X31；列地址译码器：5输入32输出，输入为A5、A6、A9，输出为Y0、Y1、Y31，这样共有10条地址线。第17页/共71页 2.存储矩阵图中，1024个字排 列 成 3232的矩阵。为了存取方便，给它们编上号。32行 编 号 为 X0、X1、X31，32列 编 号 为 Y0、Y1、Y31。这样每一个存储单元都有了一个固定的编号，称为地址。第18页/共71页8根列地址选择线32根行地址选择线1024个存储单元，排成3232的矩阵的结构的结构图中的每个地址
16、译码选通时有四个存储单元同时输入输出；存储器容量为图中的每个地址译码选通时有四个存储单元同时输入输出；存储器容量为256字字4位位1024bit存储器存储矩阵结构存储器存储矩阵结构第19页/共71页 3.片选及输入/输出控制电路 当选片信号CS1时，G5、G4输出为0，三态门G1、G2、G3均处于高阻状态，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作。当CS0时，芯片被选通：当R/W1时，G5输出高电平，G3被打开，被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；当R/W 0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加在I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存
17、储器执行写操作。第20页/共71页从从RAM的结构再看的结构再看RAM指标的意义：指标的意义：容量：指存储矩阵的大小，即阵列中所有存储单元的总数容量：指存储矩阵的大小，即阵列中所有存储单元的总数字数字数2n：指地址单元的总数为：指地址单元的总数为2n，n为为RAM外部地址线的外部地址线的 根数根数字长：指每个地址单元中的数据位数；也即是每次寻址后字长：指每个地址单元中的数据位数；也即是每次寻址后 从存储器中读出（或写入）的数据位数从存储器中读出（或写入）的数据位数的结构的结构存储容量字数（存储容量字数（2n）字长（数据位数）字长（数据位数）第21页/共71页 静态静态MOS RAM（SRAM）
18、基本基本RS触发器触发器本单元控制门本单元控制门列存储单元公用的控制门列存储单元公用的控制门的结构的结构二、二、RAMRAM存储单元存储单元第22页/共71页二二.RAM存储单元存储单元Xi=1，T5、T6导通，触发器与位线接通Xi=0，T5、T6截止，截止，触发器与位线隔离触发器与位线隔离Yj=1，T7、T8均导均导通，触发器的输出才通，触发器的输出才与数据线接通，该单与数据线接通，该单元才能通过数据线传元才能通过数据线传送数据送数据来自行地址译来自行地址译码器的输出码器的输出来自列地址译来自列地址译码器的输出码器的输出的结构的结构第23页/共71页 动态动态MOS RAM（DRAM）二、二
19、、RAM存储单元存储单元DRAMDRAM存储数据原理：存储数据原理：基于基于MOS管栅极电容的电荷存储效应管栅极电容的电荷存储效应DRAMDRAM三个工作过程三个工作过程：写入数据写入数据 读出数据读出数据 刷新数据刷新数据存储数据的电容存储数据的电容存储单元存储单元写入数据的写入数据的控制门控制门读出数据的读出数据的控制门控制门写入刷新控写入刷新控制电路制电路来自行地址译码来自行地址译码器的输出器的输出来自列地址译来自列地址译码器的输出码器的输出的结构的结构第24页/共71页 写入数据写入数据若若DI0，电容充电；，电容充电；若若DI1，电容放电。，电容放电。当当Xi Yj 0时，写入的数据
20、时，写入的数据由由C保存。保存。R/W=0,G1开通，开通，G2被封锁，输入数据被封锁，输入数据DI经经G3反反相，被存入电容相，被存入电容C中。中。&DRAM工作描述工作描述的结构的结构第25页/共71页 读位线信号分两路，读位线信号分两路，一路经一路经T5 由由DO 输出输出；另一路经另一路经G2、G3、T1对对存储单元刷新。存储单元刷新。R/W=1,G2开通，开通，G1被封锁，被封锁，读出数据读出数据若若C上充有上充有电荷且使电荷且使T2导通，则读导通，则读位线获得低电平，输出位线获得低电平，输出数据数据0；反之，；反之，T2截止，截止，输出数据输出数据1。&DRAM工作描述工作描述的结
21、构的结构第26页/共71页若读位线为低电平，经若读位线为低电平，经过过G3反相后为高电平，反相后为高电平，对电容对电容C充电；充电；刷新数据刷新数据&若读位线为高电平，经若读位线为高电平，经过过G3反相后为低电平，反相后为低电平，电容电容C放电；放电；当当R/W=1,且且Xi=1时，时，C上的数据经上的数据经T2、T3到到达达“读读”位线，然后经位线，然后经写入刷新控制电路对存写入刷新控制电路对存储单元刷新储单元刷新此时此时,Xi有效的整个一行存储单元被刷新。由于列有效的整个一行存储单元被刷新。由于列选择线选择线Yj无效，因此数据不被读出无效，因此数据不被读出DRAM工作描述工作描述的结构的结
22、构第27页/共71页利用触发器保存数据利用触发器保存数据写入时在写入时在D D和和/D/D上加上反相信号，引起触发器的翻转即可上加上反相信号，引起触发器的翻转即可数据读出非破坏性，一次写入，可以反复读出数据读出非破坏性，一次写入，可以反复读出存储单元占用管元多，每比特面积大、功耗高存储单元占用管元多，每比特面积大、功耗高动态存储单元动态存储单元利用栅级电容上的存储电荷保存数据利用栅级电容上的存储电荷保存数据写入过程是给电容充电或放电的过程写入过程是给电容充电或放电的过程破坏性读出破坏性读出存储单元管元少、面积小、功耗低、利于海量存储存储单元管元少、面积小、功耗低、利于海量存储需要刷新时序控制需
23、要刷新时序控制存储单元特点比较：存储单元特点比较：静态存储单元静态存储单元的结构的结构第28页/共71页1.SRAM芯片芯片M6264：地址线地址线13根（根（A12A0），数据线），数据线8根（根（DQ7DQ0）容量为：容量为：8192字字8位（常称为位（常称为8K 8）MCM6264功能框图功能框图RAM产品介绍产品介绍第29页/共71页M6264内部结构和外引脚内部结构和外引脚RAM产品介绍产品介绍第30页/共71页123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R/WRAM 21142.SRAM芯片：芯片：2
24、114地址线地址线10根，数据线根，数据线4根根容量为：容量为：1024字字4位（位（1K 4）RAM产品介绍产品介绍第31页/共71页 RAM的容量扩展的容量扩展1位扩展:位数扩展利用芯片的并联方式实现用8片1024（1K）1位RAM构成的10248位RAM系统。第32页/共71页2字扩展例：用8片1K8位RAM构成的8K8位RAM。第33页/共71页（2）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。7.4 只读存储器(ROM)一一 ROM的分类的分类按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：（1）固定ROM。厂家把数据
25、写入存储器中，用户无法进行任何修改。（3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。（5）快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/写入100万次以上。（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时
26、改写（可重复擦写1万次以上）。第34页/共71页二二ROM的结构及工作原理的结构及工作原理1.ROM的内部结构由地址译码器和存储矩阵组成。第35页/共71页2.ROM的基本工作原理：由地址译码器和或门存储矩阵组成。例：存储容量为44的ROMROM真值表地地 址址存存 储储 内内 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0第36页/共71页二极管固定ROM举例（1）电路组成：由二极管与门和或门构成。与门阵列组成译码器，或门阵列构成存储阵列。该存储矩阵由16个存储单元组成,每个十字交叉点代表一个存储单元,交叉处有二极管的
27、单元,代表存储数据1;无二极管的单元,代表存储数据0.其存储容量是44位。第37页/共71页（2）输出信号表达式与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：第38页/共71页（3）ROM存储内容的真值表与门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：地地 址址存存 储储 内内 容容A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 00 11 01 10 1 0 11 0 1 00 1 1 11 1 1 0第39页/共71页编程前的编程前的PROM存储存储矩阵矩阵字线字线位线位线（1）二极管）二极管PROM的结构示意图的结构示意图7.4 只读存储器（只读存储器（ROM）3.各类各类PROM的存储单元的存储单元第40页
28、/共71页编程后的编程后的PROM地地 址址A1 A0D3D2D1D0内内 容容0001011110001101101101017.4 只读存储器（只读存储器（ROM）第41页/共71页7.4只读存储器（只读存储器（ROM）浮栅是与四周绝缘的一块导体浮栅是与四周绝缘的一块导体控制栅上加正电压，控制栅上加正电压，P P 型衬底型衬底上部感生出电子，可产生上部感生出电子，可产生N N 型型反型层使反型层使NMOSNMOS管导通管导通如果浮栅带负电，则在衬底上如果浮栅带负电，则在衬底上部感生出正电荷，阻碍控制栅部感生出正电荷，阻碍控制栅开启开启MOS MOS 管。开启需要更高的管。开启需要更高的电压
29、。电压。加相同栅电压时，浮栅带电与加相同栅电压时，浮栅带电与否，表现为否，表现为MOSMOS管的通和断管的通和断叠栅（叠栅（SIMOS）管用浮栅是否累积有负电）管用浮栅是否累积有负电荷来存储二值数据。荷来存储二值数据。（2 2）叠栅叠栅MOS管结构管结构EPROM(EPROM(光擦除可编程光擦除可编程ROM)ROM)存储单元存储单元第42页/共71页7.4 只读存储器（只读存储器（ROM）写入：在栅漏极间加上高电压写入：在栅漏极间加上高电压漏极漏极PNPN结反相击穿，产生大量高能电子，结反相击穿，产生大量高能电子，在栅极高电压的吸引下，穿透栅极绝缘在栅极高电压的吸引下，穿透栅极绝缘层，部分堆积
30、在浮栅上使浮栅带负电层，部分堆积在浮栅上使浮栅带负电擦除：用紫外线照射使浮栅上擦除：用紫外线照射使浮栅上电子形成光电流释放电子形成光电流释放 擦除时间长，擦除时间长，10201020分钟分钟 整片擦除整片擦除 写入一般需要专门的工具写入一般需要专门的工具第43页/共71页7.4只读存储器（只读存储器（ROM）结构：浮栅与漏极结构：浮栅与漏极N N区延长区有一点交区延长区有一点交迭并且交迭处的绝缘层厚度很小迭并且交迭处的绝缘层厚度很小写入：控制栅上加高电压，漏极接地即写入：控制栅上加高电压，漏极接地即可对浮栅充电，电子穿透绝缘层积累在可对浮栅充电，电子穿透绝缘层积累在浮栅上浮栅上擦除：控制栅接地
31、，漏极接高电压即擦除：控制栅接地，漏极接高电压即可对浮栅放电，即为电擦除可对浮栅放电，即为电擦除 读出：读出：Gc=3V,Wi=5VGc=3V,Wi=5V 擦除：擦除：Gc=Wi=20VGc=Wi=20V 写入：写入：Gc=0,Wi=Bi=20VGc=0,Wi=Bi=20V 可擦除单个存储单元可擦除单个存储单元 芯片内部带有升压电路芯片内部带有升压电路工作机理与叠栅工作机理与叠栅MOSMOS管相同管相同（3）隧道）隧道MOS管的结构管的结构E E2 2PROMPROM的存储单元的存储单元第44页/共71页7.4 只读存储器（只读存储器（ROM）（4）快闪存储器）快闪存储器MOS管的结构管的结构
32、 FLASH ROMFLASH ROM存储单元存储单元写入：利用雪崩击穿产生的大量高能写入：利用雪崩击穿产生的大量高能电子在浮栅上积累电子在浮栅上积累 读出：读出：Wi=5V,Vss=0VWi=5V,Vss=0V 写入：写入：Wi=6V,Gc=12VWi=6V,Gc=12V脉冲，脉冲，Vss=0Vss=0 擦除：擦除：Gc=0V,Vss=12VGc=0V,Vss=12V 整片或分块擦除整片或分块擦除 电路形式简单、集成度高、可靠性好电路形式简单、集成度高、可靠性好工作机理与叠栅工作机理与叠栅MOSMOS管相同管相同结构：快闪存储器结构：快闪存储器MOS管的源极管的源极 N+区大于漏极区大于漏极
33、N+区区（非对称）且浮栅到（非对称）且浮栅到P 型衬底间的氧化绝缘层比型衬底间的氧化绝缘层比SIMOS管的更薄管的更薄擦除：控制栅接地、源级接高电压，利用隧道效应擦除：控制栅接地、源级接高电压，利用隧道效应放电放电第45页/共71页【解】（1）写出各函数的标准与或表达式：按A、B、C、D顺序排列变量，将Y1、Y2、Y4扩展成为四变量逻辑函数。实现任意组合逻辑函数【例】试用ROM实现下列函数：三三 ROM的应用：的应用：第46页/共71页（2）选用164位ROM，画存储矩阵连线图：第47页/共71页用ROM实现逻辑函数一般按以下步骤进行：根据逻辑函数的输入、输出变量数目，确定ROM的容量，选择合
34、适的ROM。写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROM的阵列图。根据阵列图对ROM进行编程。第48页/共71页存储器与PROM阵列对应关系输入地址信号为电路的输入逻辑变量。地址译码器产生2n个字线为固定与阵列产生2n个乘积项。存储矩阵为或阵列把乘积项组合成m个逻辑函数输出。用可编程只读存储器用可编程只读存储器PROMPROM实现逻辑函数实现逻辑函数第49页/共71页例：例：试用适当容量的试用适当容量的PROM实现两个两位二进制数比较的实现两个两位二进制数比较的比较器。比较器。（1）设两个两位二进制数分别为A1A0和B1B0，当A1A0大于B1B0时，F11 当A1A0等于B1B0时，F21 当A1
35、A0小于B1B0时，F31由此列出了两位二进制数比较结果的输入输出对照表。用可编程只读存储器用可编程只读存储器PROMPROM实现逻辑函数实现逻辑函数第50页/共71页根据表可写出输出逻辑函数的最小项表达式为：F1 m（4,8,9,12,13,14）F2 m（0,5,10,15）F3 m（1,2,3,6,7,11）第51页/共71页（2）把A1A0和B1B0作为PROM的输入信号，F1、F2和F3为或阵列的输出。4个地址进行全译码，产生16个乘积项。0.163个输出产生3个乘积项之和函数。（3）选用PROM的容量163位可满足要求。一般PROM输入地址线较多，容量也较大，又因为PROM的与阵列
36、固定，必须进行全译码，产生全部的最小项。实际上，大多数组合逻辑函数的最小项不超过40个，使得PROM芯片的面积利用率不高，功耗增加。第52页/共71页四.ROM的编程及分类 ROM的编程是指将信息存入ROM的过程。根据编程和擦除的方法不同，ROM可分为掩模ROM、可编程ROM(PROM)和可擦除的可编程ROM(EPROM)三种类型。1)掩模ROM 掩模ROM中存放的信息是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作的，这种ROM出厂时其内部存储的信息就已经“固化”在里边了，所以也称固定ROM。它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存放固定数据、固定程序和函数表等。第53页/共71页 2)可编程R
37、OM(PROM)PROM在出厂时，存储的内容为全 0(或全 1)，用户根据需要，可将某些单元改写为 1(或 0)。这种ROM采用熔丝或PN结击穿的方法编程，由于熔丝烧断或PN结击穿后不能再恢复，因此PROM只能改写一次。熔丝型PROM的存储矩阵中，每个存储单元都接有一个存储管，但每个存储管的一个电极都通过一根易熔的金属丝接到相应的位线上，如图 7-6 所示。用户对PROM编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写了。第54页/共71页图 7-6 熔丝型PROM的存储单元 第55页/共71页 采
38、用PN结击穿法PROM的存储单元原理图如图 7-7(a)所示，字线与位线相交处由两个肖特基二极管反向串联而成。正常工作时二极管不导通，字线和位线断开，相当于存储了“0”。若将该单元改写为“1”，可使用恒流源产生约 100150 mA电流使V2击穿短路，存储单元只剩下一个正向连接的二极管V1(见图(b)，相当于该单元存储了“1”；未击穿V2的单元仍存储“0”。第56页/共71页图 7-7 PN结击穿法PROM的存储单元 第57页/共71页 3)可擦除的可编程ROM(EPROM)这类ROM利用特殊结构的浮栅MOS管进行编程，ROM中存储的数据可以进行多次擦除和改写。最早出现的是用紫外线照射擦除的E
39、PROM(Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory,简称UVEPROM)。不久又出现了用电信号可擦除的可编程ROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,简称E2PROM)。后来又研制成功的快闪存储器(Flash Memory)也是一种用电信号擦除的可编程ROM。第58页/共71页 EPROM的存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Semiconductor,简称FAMOS管)或叠
40、 栅 注 入 MOS管(Stacked-gate Injuction Metal-Oxide-Semiconductor,简称SIMOS管)。图 7-8是SIMOS管的结构示意图和符号，它是一个N沟道增强型的MOS管，有Gf和Gc两个栅极。Gf栅没有引出线，而是被包围在二氧化硅(SiO2)中，称之为浮栅，Gc为控制栅，它有引出线。若在漏极D端加上约几十伏的脉冲电压，使得沟道中的电场足够强，则会造成雪崩，产生很多高能量的电子。此时若在Gc上加高压正脉冲，形成方向与沟道垂直的电场，便可以使沟道中的电子穿过氧化层面注入到Gf，于是Gf栅上积累了负电荷。由于Gf栅周围都是绝缘的二氧化硅，泄漏电流很小，
41、所以一旦电子注入到浮栅之后，就能保存相当长时间(通常浮栅上的电荷10年才损失30%)。第59页/共71页图 7-8 SIMOS管的结构和符号 第60页/共71页 如果浮栅Gf上积累了电子，则使该MOS管的开启电压变得很高。此时给控制栅(接在地址选择线上)加+5V电压时，该MOS管仍不能导通，相当于存储了“0”；反之，若浮栅Gf上没有积累电子，MOS管的开启电压较低，因而当该管的控制栅被地址选中后，该管导通，相当于存储了“1”。可见，SIMOS管是利用浮栅是否积累负电荷来表示信息的。这种EPROM出厂时为全“1”，即浮栅上无电子积累，用户可根据需要写“0”。擦除EPROM的方法是将器件放在紫外线
42、下照射约20分钟，浮栅中的电子获得足够能量，从而穿过氧化层回到衬底中，这样可以使浮栅上的电子消失，MOS管便回到了未编程时的状态，从而将编程信息全部擦去，相当于存储了全“1”。对EPROM的编程是在编程器上进行的，编程器通常与微机联用。第61页/共71页 E2PROM的存储单元如图 7-9 所示，图中V2是选通管，V1是另一种叠栅MOS管，称为浮栅隧道氧化层MOS管(Floating-gate Tunnel Oxide MOS，简称Flotox)，其结构如图 7-10 所示。Flotox管也是一个N沟道增强型的MOS管，与SIMOS管相似，它也有两个栅极控制栅Gc和浮栅Gf，不同的是Floto
43、x管的浮栅与漏极区(N+)之间有一小块面积极薄的二氧化硅绝缘层(厚度在210-8m以下)的区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度(107V/cm)时，漏区和浮栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。这种现象称为隧道效应。第62页/共71页图 7-9 E2PROM的存储单元 第63页/共71页图 7-10 Flotox管的结构和符号 第64页/共71页 在图 7-9电路中，若使Wi=1,Di接地，则V2导通，V1漏极(D1)接近地电位。此时若在V1控制栅Gc上加21 V正脉冲，通过隧道效应，电子由衬底注入到浮栅Gf，脉冲过后，控制栅加+3V电压，由于V1浮栅上积存了负电荷，因此
44、V1截止，在位线Di读出高电平“1”；若V1控制栅接地，Wi=1，Di上加21V正脉冲，使V1漏极获得约+20 V的高电压，则浮栅上的电子通过隧道返回衬底，脉冲过后，正常工作时V1导通，在位线上则读出“0”。可见，Flotox管是利用隧道效应使浮栅俘获电子的。E2PROM的编程和擦除都是通过在漏极和控制栅上加一定幅度和极性的电脉冲实现的，虽然已改用电压信号擦除了，但E2PROM仍然只能工作在它的读出状态，作ROM使用。第65页/共71页 快闪存储器(Flash Memory)是新一代电信号擦除的可编程ROM。它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除快捷的
45、特性，而且集成度可以做得很高。图7-11(a)是快闪存储器采用的叠栅MOS管示意图。其结构与EPROM中的SIMOS管相似，两者区别在于浮栅与衬底间氧化层的厚度不同。在EPROM中氧化层的厚度一般为3040 nm，在快闪存储器中仅为 1015 nm,而且浮栅和源区重叠的部分是源区的横向扩散形成的，面积极小,因而浮栅-源区之间的电容很小，当Gc和S之间加电压时，大部分电压将降在浮栅-源区之间的电容上。快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的，如图 7-11(b)所示。第66页/共71页图 7-11 快闪存储器(a)叠栅MOS管；(b)存储单元 第67页/共71页 快闪存储器的写入方法和EPR
46、OM相同，即利用雪崩注入的方法使浮栅充电。在读出状态下，字线加上+5V，若浮栅上没有电荷，则叠栅MOS管导通，位线输出低电平；如果浮栅上充有电荷，则叠栅管截止，位线输出高电平。擦除方法是利用隧道效应进行的，类似于E2PROM写0时的操作。在擦除状态下，控制栅处于0电平，同时在源极加入幅度为 12 V左右、宽度为 100 ms的正脉冲，在浮栅和源区间极小的重叠部分产生隧道效应，使浮栅上的电荷经隧道释放。但由于片内所有叠栅MOS管的源极连在一起，所以擦除时是将全部存储单元同时擦除，这是不同于E2PROM的一个特点。第68页/共71页五五 EPROM举 例 2764第69页/共71页本章小节本章小节
47、2 2RAMRAM是是一一种种时时序序逻逻辑辑电电路路，具具有有记记忆忆功功能能。其其存存储储的的数数据据随随电电源源断断电电而而消消失失，因因此此是是一一种种易易失失性性的的读读写写存存储储器器。它它包包含含有有SRAMSRAM和和DRAMDRAM两两种种类类型型，前前者者用用触触发发器器记记忆忆数数据据，后后者者靠靠MOSMOS管管栅栅极极电电容容存存储储数数据据。因因此此，在在不不停停电电的的情情况况下下，SRAMSRAM的的数数据据可可以以长长久久保保持持，而而DRAMDRAM则则必必需需定定期刷新。期刷新。1 1半半导导体体存存储储器器是是现现代代数数字字系系统统特特别别是是计计算算
48、机机系系统统中中的的重重要要组组成成部部件件，它可分为它可分为RAMRAM和和ROMROM两大类。两大类。3 3ROMROM是是一一种种非非易易失失性性的的存存储储器器，它它存存储储的的是是固固定定数数据据，一一般般只只能能被被读读出出。根根据据数数据据写写入入方方式式的的不不同同，ROMROM又又可可分分成成固固定定ROMROM和和可可编编程程ROMROM。后后者者又又可可细细分分为为PROMPROM、EPROMEPROM、E E2 2PROMPROM和和快快闪闪存存储储器器等等，特特别别是是E E2 2ROMROM和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了RA
49、MRAM的特性。的特性。4 4从从逻逻辑辑电电路路构构成成的的角角度度看看，ROMROM是是由由与与门门阵阵列列（地地址址译译码码器器）和和或或门门阵阵列列（存存储储矩矩阵阵）构构成成的的组组合合逻逻辑辑电电路路。ROMROM的的输输出出是是输输入入最最小小项项的的组组合合。因因此此采采用用ROMROM构构成成各各种种逻逻辑辑函函数数不不需需化化简简，这这给给逻逻辑辑设设计计带带来来很很大大方方便便。随随着着大大规规模模集集成成电电路路成成本本的的不不断断下下降降，利利用用ROMROM构构成成各各种种组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。第70页/共71页感谢您的观看！第71页/共71页