数字电路7

消除浮栅上电荷可用紫外线或X射线照射，使浮栅上电子形成光电流而泄流（照射15~30分钟）
数据写入和檫除均需专用设备
源极 控制栅极 漏极
iD
漏
N+ 浮栅 P型衬底 N+
浮栅无电子
浮栅有电子
控制栅
浮栅
源
0 VT1 VT2 vGS
结构及符号
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开启电压变高
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E2PROM隧道MOS管结构
可编程触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚 以上步骤都是由软件自动完成，不需要人为干预
对于复杂电路，一个宏单元不能实现时需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单 元相连，宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列，再做为另一个宏单元的输入
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A3
A2
A1
A0
漏电流 必须定期给电容补充电荷以避免数据的丢失—— 再生或刷新
常见形式：
三管动态存储单元 单管动态存储单元
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RAM存储器容量的字长（位数）扩展
通过芯片的并联方式实现 将RAM的地址线，读/写控制线和片选信号对应的 并联起来，而各个芯片的数据I/O端作为字的各个位 线
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RAM存储器的特点比较
SRAM 使用灵活方便，易控制 速度快 数据的易失性，断电后 不能保存 使用较多的晶体管 /MOS管，电路复杂， 集成度相对低 功耗大
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DRAM 控制复杂，需刷新控制 速度慢 数据的易失性，断电后 不能保存 使用较少的晶体管 /MOS管，电路简单， 集成度相对高 功耗小
Y2
位线 AW AR
Y3
读/写 放大器
D3
D2
D1
D0
D3
D2
D1
D0
译码器输出高电平有效
熔断丝结构（或反熔丝PLICE结构）出厂时全部为“1”(0)，若使某些 单元为“0” (1)，只需用专用编程器，加大电流将其烧断(接通)即可 熔丝烧断后不能恢复，PROM只能写一次
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* * * * ** ** ** ** ** ** ** ** * * * * ** ** ** ** ** ** ** ** * * * * * * * * * ** ** ** ** * * * * * * ** ** ** ** *
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O3
O2
O1
O0
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典型的可编程器件的框图
EPROM存储器——叠栅管
浮栅：一个无引线的栅极。当浮栅上无电荷时，为普通的N沟道MOS管（相当于存储数据“0”）
若漏-栅间加高压(25V)，产生的高能电子穿过绝缘层在浮栅上堆积负电荷
漏-栅间高压移去后，浮栅上电荷没有放电回路，负电荷被保留在浮栅上，使MOS管的开启电压 升高 控制栅极的正常+5V电压不能产生正常的沟道，不能使MOS管导通。相当于该单元被写入“1”
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7.3可编程逻辑器件简介
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PLD原理- 乘积项
组合逻辑由乘积项阵列和乘积项选择矩阵产生组合逻辑
F=(A+B)*C*(/D)=A*C*/D + B*C*/D
D触发器直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现
时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道，直接连接到可编程 触发器的时钟端
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SRAM的几个分类
ASRAM，Asynchronous SRAM，异步静态存 储器，控制信号、数据、地址等信号之间没有时 序关系 SSRAM，Synchronous SRAM，同步静态存储 器，控制信号、数据、地址等信号之间有时序关 系，需要提供CLK信号 FIFO，First In First Out，先进先出存储器，不 需要地址，每个时钟完成一次数据操作，内部自 动完成地址增减 DSRAM，Dual Port SRAM，双端口静态存储器， 可以有两个独立的端口同时操作存储器
EPLD(Erasable Programmable Logic Dvice) CPLD(Complex Programmable Logic Dvice) FPGA(Field Programmable Gate Array) 一个二维的逻辑块阵列
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SLC vs MLC
基本结构类似，SLC一个单元存入一个bit，MLC可以控制电荷的注 入的多少从而实现一个单元多个bit的存储。 SLC 芯片面积大，价格高 读写速度快 寿命长（10万次） MLC 芯片面积小，价格低 读写速度慢 寿命短（1万次）
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非易失性半导体存储器的特点
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RAM的电路结构与工作原理
——SRAM存储单元
T1~T4：NMOS非门构成基本RS触发器 T5, T6：本单元控制门，由行选择线Xi Xi 控制 （行选择线）
Xi =1； T5, T6导通，触发器与位线连通 Xi =0； T5, T6截止，触发器与位线隔离
T4 VDD V G
T2
VCC D C B A A3 A2 A1 A0 ROM CS OE D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 a b c d e f g e d c f g a b
1001地址单元的 内容对应7段数码9 R O M
0 0 0 1 1 1
CS OE
1 1 1
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易失性存储器
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A0 A1 Y0 A1 Y1
Y0
Y1
Y2
Y3 D3
VCC
A0
D2
Y2 2线-4线 译码器 Y3
D1
D0
D3
D2
D1
D0
二极管ROM结构
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N沟道MOS管存储矩阵
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字、字长、地址、行、列
二维地址译码
目的：减少地址译码 电路的复杂性
Y0 Y1
I0-I3 4-16 译码 器
存储单元
I0-I7
也是使用浮栅技术的可编程存储器 “隧道效应”：若控制栅-漏间加高压，形成强电场，电子穿过绝缘层 在浮栅上堆积负电荷 相反，若控制栅接地，漏极加一正电压，可产生相反的过程，即浮栅 放电，即所谓的电擦除，电擦除过程就是改写过程 电擦除时间为毫秒数量级（按字擦除），大大快于EPROM 单电源供电（内部有电压提升电路）
特点： 数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能永久保存 管子多，功耗大
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8K X 8bits的SRAM结构IS61C64B
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SRAM读时间参数
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SRAM写操作时间参数
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单管动态存储单元（Dynamic RAM）
为了提高集成度，目前大容量DRAM的存 储单元普遍采用单管结构
存储单元电容CS 门控管T 杂散电容CW
读出时： CS上的电荷向CW上转移。因此， 位线上电压VW为： 1
VW VS ZW VS Z S ZW jwCW 1 1 jwC S jwCW VS CS CS CW
源极 控制栅极 漏极
Wi（字线）
D
N+ 隧道 浮栅 P型衬底 N+
Gc Gf S
Gc
D S 位线 Bj
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EEPROM的新成员Flash ROM
Flash的特点，采用不同工艺设计，擦写不 需要高电压 读取速度比EEPROM快 相对EEPROM成本更低，密度更大 擦写寿命更长，一般在1-10万次左右 缺点：擦写必须按块（sector）操作，而 EEPROM可以按字节删除
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Flash ROM的两种主要类型
NOR型Flash
NAND型Flash
2和AMD为主要发展者 拥有独立的地址线和数据线，可以以字节 为单位读取或者写入，但是擦除必须以块 为单位进行 寿命一般在1万次左右 缺点：擦除时间长（典型时间800ms）、 密度较低成本较高
8-256 译码 器
I0-I255
存 储 器
Y15 I0 I15
4-16译码器
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结构 复杂
I4-I7
输出
输出
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PROM结构
熔丝连通代表1 A0 A 1 Y0 A1 A0 Y1 A1 A0 Y1 A0 A 1 Y0
VCC 字 线
熔丝断开代表0
Y2 2线-4线 译码器 Y3 2线-4线 译码器
+ VS_ ZW VW _ 戴维宁等效电路
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单管动态存储单元 ZS +
由于CS数值远小于CW，则VW很小，需输出放 大器 由于CS电荷读出后减少，数据被破坏，需及 时补充
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RAM的电路结构与工作原理
——DRAM存储单元
基于MOS管栅极电容的电荷存储效应 数据不能长久保存
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用4K×4位RAM芯片构成 4K×16位存储器系统 32
RAM存储器容量的字数扩展
字数扩展通过外加译码 器，控制芯片的片选输 入端来实现 例：用8K×8位RAM芯 片构成32K×8位的存储 器系统
使用一片2线—4线译码 器74139来提供4个片选 信号 用最高位的相应地址(A14、 A13)参与片选信号的译码 译码器的输出分别接至4 片RAM的片选信号
T7, T8：一列存储单元的公用控制门， 由列选择线Yj控制
– Yj =1； T7, T8导通，外部数据线与位线 连通 – Yj =0； T7, T8截止，外部数据线与位线 隔离
位 线 B 数 据 线 D
T6 T3 T1
T5 位 线 B 数 据 D线
T8
T7 Yj（列选择线）
读写条件： Xi = Yi =1，T5, T6 , T7, T8 均导通
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7.1 ROM只读存储器
不可擦写存储器 ROM
一次可编程存储器（One Time Programmable）
可擦写存储器（PROM，EPROM， E2PROM，Flash闪存）
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固定ROM（掩膜ROM）
掩膜技术制造，出厂后无法修改 二极管型、双极性三极管型、MOS管型
优点：速度快，功耗低，重量轻 缺点：可靠性不高，易损坏 解决办法：采用均衡写入的办法，避免同一个区域反复写 入
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ROM的应用
0000地址单元的内容对应7段数码0 D C B A A3 A2 A1 A0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 这些单元不用 R O M D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 a b c d e f g
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NAND型
以Samsung和TOSHIBA 为代表 擦除的时间较快，典型时间2ms 成本低，密度较高 寿命在10万次左右 缺点：以块为单位进行读写和擦除，不能 进行字节的读写 读取速度较慢
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NOR和NAND的不同用途
NOR可按字节读取，可以实现程序与数据 的存取，做到程序的片上执行(XIP, eXecute In Place)，NOR读取速度高，写 入速度低，多用于系统的BIOS等不需要经 常更新的地方 NAND容量大，价格低，写入速度快，但读 取速度较低，常用于数据的存储，如U盘， Flash卡等
第7章 存储器
存储器的作用和目的？
用来存储大量的二值数据，提供数据处理 和计算时的数据缓存空间
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存储器的分类
• 按照存储介质分：
磁介质存储器，如软盘，硬盘，磁带等 光介质，如光盘等 半导体介质，本章的主要内容，半导体存储器
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存储器分类
• 按照存储器特性分
易失性(volatile)存储器，当外加激励条件变化 时，存储的内容会丢失。比如掉电 非易失(nonvolatile)性存储器，当外加激励条 件变化时，存储的内容不会因此而丢失。
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存储器分类
• 按照操作特性分类
只读存储器（Read Only Memory）
可读写，随机访问存储器（Random Access Memory）