第七章 半导体存储器
第七章 半导体存储器 半导体存储器的分类
第七章 半导体存储器数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。
存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。
半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。
目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。
存储器——用以存储一系列二进制数码的器件。
半导体存储器的分类根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM —Random Access Memory ）和只读存储器（ROM —Read-Only memory ）。
按照存储机理的不同，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。
存储器的容量存储器的容量=字长（n ）×字数（m ）7.1随机存取存储器（RAM ）随机存取存储器简称RAM ，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。
RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。
一． RAM 的基本结构由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。
存储矩阵读/写控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入图7.1—1 RAM 的结构示意框图1. 存储矩阵RAM 的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。
图7.1—5所示是1024×1位的存储矩阵和地址译码器。
属多字1位结构，1024个字排列成32×32的矩阵，中间的每一个小方块代表一个存储单元。
为了存取方便，给它们编上号，32行编号为X 0、X 1、…、X 31，32列编号为Y 0、Y 1、…、Y 31。
这样每一个存储单元都有了一个固定的编号（X i 行、Y j 列），称为地址。
11113131131********列 译 码 器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......X X X Y Y Y 0131131A A A A A A A A A A 地 址 输 入地址输入0123456789D D数据线....图7.1－5 1024×1位RAM 的存储矩阵2． 址译码器址译码器的作用，是将寄存器地址所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。
第7章半导体讲义存储器
存储器与CPU的接口
存储器与CPU连接时需考虑的问题： 1．CPU总线的带负载能力
CPU通过总线与ROM、RAM及输入/输出接口 相连接时的负载能力； 2．存储器组织、地址分配
存储器的类型
只读存储器 ROM
半 导 体 存 储 器
随机存储器 RAM
掩膜ROM
可编程ROM
电可擦PROM EEPROM
光可擦PROM EPROM
双极型 MOS型
静态 动态
存储器的性能指标
存储器的性能指标
包括存储容量，存取速度，可靠性及性能价格比。 l存储容量：指每个存储器芯片所能存储的二进制 数的位数，用存储单元数与存储单元字长（或数据 线位数）的乘积来描述。
l 掩膜ROM：通过掩膜技术制作或不制作晶体管栅 极实现的。
l PROM：为了弥补ROM成本高和不能改变其内容 的不足，出现了一种由用户编程且只能写入一次的 PROM。出厂时PROM为熔丝断裂型，未写入时每 个基本存储电路都是一个带熔丝的三极管或二极管。 编程后丝断为“1”，未断者为“0”。
只读存储器ROM
6116(2K*8)的技术指标：采用CMOS工艺制造，单 +5V电源，额定功率160mW，典型存取时间200ns， 24线双列直插式封装。
随机读写存储器RAM
l DRAM：基本存储电路为带驱动晶体管的电容，电容上 有无电荷被视为逻辑1和0，容量大，功耗低，结构简单， 集成度高，生产成本低。但由于电容漏电，仅能维持2ms左 右，故需要专门电路定期进行刷新，以维持其中所存的数 据。现在用得内存大多数是由DRAM构成的。
随机读写存储器RAM
l SRAM：用双稳态触发器作存储单元存放1和0， 存取速度快，电路简单，不需刷新。但集成度较低， 功耗较大，成本较高，容量有限，只适用于存储容 量不大的场合。
半导体存储器
第7章半导体存储器内容提要半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。
（2）各种存储器的存储单元。
（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。
（4）半导体存储器芯片的应用。
教学基本要求掌握：（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。
（2）存储器的技术指标。
（3）用ROM实现组合逻辑电路。
理解SAM、RAM和ROM的工作原理。
了解：（1）动态CMOS反相器。
（2）动态CMOS移存单元。
（3）MOS静态及动态存储单元。
重点与难点本章重点：（1）SAM、RAM和ROM的功能。
（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。
（3）用ROM 实现组合逻辑电路。
本章难点：动态CMOS 反相器、动态CMOS 移存单元及MOS 静态、动态存储单元的工作原理。
7.1■■■■■■■■■半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的 重要组成部分。
半导体存储器分类如下：I 融+n 右西方性翼静态（SRAM ）（六管MO 白静态存储单元） 随机存取存储器〔^^'｛动态侬^1口3网又单管、三管动态则□吕存储单元） 一固定艮cmil 二极管、M 口号管） 可编程RDM （PROM ）［三极管中熠丝上可擦除可编程ROM （EPROM ）［叠层栅管、雪崩j1-电可擦除可编程良口财（EEPROM^【叠层栅管、隧道）按制造工艺分，有双极型和MOS 型两类。
双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。
MOS 型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。
按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM ）、随机存取存储器（RAM ）和只读存储器（ROM ）三类。
（1）顺序存取存储器（简称SAM ）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。
（2）随机存取存储器（简称RAM ）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。
七章半导体存储器
13
地址总线 13
~ A0 A12
CS OE
~ D15 D 8
8
数据总线
~ D7 D 0
8
A0 8kB×8
. .2764 . . O0 . . ... ... A12
A0 8kB×8
. . 2764 . . O0 . . ... ... A12
CS
O7
13
OE U1
CS
O7
OE U2
（2）字数扩展（地址码扩展）
14
12
13
VDD A8 A9
WE
OE
A10 CS D7 D6 D5 D4
D3
7.2 只读存储器(ROM)
一． ROM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。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。
（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。
CS O7
OE
13
U2
...
~ 数据总线 D7
D0 8
...
A02764
8
.. O0
. ... ... A12
CS O7
OE U8
本章小节
1．半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件， 它可分为RAM和ROM两大类。
2．RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断 电 而 消 失 ， 因 此 是 一 种 易 失 性 的 读 写 存 储 器 。 它 包 含 有 SRAM 和 DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容 存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持， 而DRAM则必需定期刷新。
《半导体存储器》PPT课件
存储时间—存储器读出（或写入）数据的时间。一般用 读（或写）周期来表示。
.
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存储器的写操作：
地址寄存器
101
地 址 译 地址总线 码 器来自数据寄存器10010001
按字节组织的存储器阵列
0
11 000010
1
10 111010
2
01 100000
3
11 001101
4
11 110001
1. 固定ROM（掩模ROM ） 厂家把数据“固化”在存储器中，用户无法进 行任何修改。使用时，只能读出，不能写入。
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进行 编程，但只能编程一次。
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，
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2.二极管ROM 二极管固定ROM举例
0 （1）电路组成：
01
由二极管与门和或门构成。
（2）ROM电路的工作原理
二 极 管 的 结 构 图
ROM
与门阵列组成译码器，或 门阵列构成存储阵列。
01 10 01
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. 9
（2）输出信号表达式
与门阵列输出表达式：
28××××系列的芯片都是E2PROM 。
.
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三、快闪存储器（Flash Memory）
闪存是一种高密度的读/写型存储器（高密度表 示更大的存储容量），也是非易失性的存储器，这意 味着数据可以在没有电源供电的情况下保存。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。
第七章半导体存储器
（RAM） 动态RAM（Dynamic RAM）
双极性型 按制造工艺分
CMOS型
只读存储器ROM：用于存储固定信息的器件，在断电 后所保存的信息不会丢失。把数据写入到存储器以后， 正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能根据地址 读出，不能写入。只读存储器主要应用于数据需要长期 保留并不需要经常改变的场合，如各种函数表、需要固 化的程序等。
在扩展时应将各片存储器的地址线、片选信号线和读/ 写信号线对应地并接在一起，而各片的数据线作为扩展后 每个字的各位数据线。
7.4.2 字扩展方式
字扩展是指扩展成的存储器字数增加而数据位数不变。
例：用4片256 x 8位RAM→1024 x 8位 存储器
I O0 .......... .......... .. I O7
例7.5.1 用ROM产生组合逻辑函数： Y1=ABC+ABC Y2=ABCD+BCD+ABCD Y3=ABCD+ABCD Y4=ABCD+ABCD
解： 将原函数化成最小项之和形式：
Y1=m2+m3+m6+m7 Y2=m6+m7+m10+m14 Y3=m4+m14 Y4=m2+m15 列出数据表：
7.2.1 掩模只读存储器ROM
根据用户要求专门设计的掩模板，把数据 “固化”在ROM
例1 ：地存址储线容量为224位的中ROM。
A1A0：两位地址代码，能指定 四个不同地址
地址译码器（二极管与门电路）： 将四个地址译成W0W3四个高电 平输出信号
字线
位线
A1 A0 00 01 10
11
W0 W1
7.2 只读存储器ROM
第7章-半导体存储器
存储器的容量用存储单元的数目来表 示，写成“字数乘位数”的形式。 有2n个字，字长为m，2n×m位。
图7-5所示为具有两位地址输入和4位 数据输出的ROM结构图
4. ROM在组合逻辑设计中的应用
表7-1所示
D3 A1 A0 A1 A0 D2 A1 A0 A1 A0 A1 A0 D1 A1 A0 A1 A0 D0 A1 A0 A1 A0 A1 A0
地址译码器一般都分成行地址译码器 和列地址译码器两部分，行地址译码器将 输入地址代码的若干位A1～Ai译成某一条 字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单 元；列地址译码器将输入地址代码的其余 若干位Ai+1～An-1译成某一根输出线有效， 从字线选中的一行存储单使相 应的存储单元与读/写电路和I/O(输入/输 出端)接通，以便对这些单元进行读/写操
7.1.3 只读存储器(ROM)
ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输 出缓冲器3部分组成，其基本结构如图7 4 所示。
每一条译码输出线Wi称为“字线”， 每当给定一个输入地址时，只有一条输出 字线Wi有效，该字线可以在存储矩阵中找 到一个相应的“字”，并将字中的m位信息 Dm-1～D0送至输出缓冲器。存储矩阵中的 “字”个数称为“字数”，读出Dm-1～D0的 每条数据输出线Di也称为“位线”
随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)：可在任何时刻随机地对任 意一个单元直接存取信息。是一种易失性 存储器，如果断电，则存储数据丢失。 可分为静态存取存储器(SRAM)和动态 存取存储器(DRAM)。
半导体存储器的性能可由存储容量和 存取时间这两个技术指标来衡量。 存储容量就是该存储器基本存储单元 的总数。一个有1024个基本存储单元的存 储器，其存储容量为1K(1K=1024bit)。
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DRAM的总体结构框图 上页
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第一节 只读存储器
第三节 存储器容量的扩展及应用
位扩展方式
字扩展方式
用存储器实现组合逻辑函数
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第一节 只读存储器
一、位扩展方式
如果每一片ROM或RAM中的字数已够用， 而每个字的位数不够用时，应采用位扩展的连接方式。
I / O0
为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失， 必须定时给栅极电容补充电荷，通常将这种操作称为 刷新或再生。因此， DRAM 工作时必须辅以必要的刷 新控制电路，同时也使操作复杂化了。
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第一节 只读存储器
早期采用的动态存储单元为四管电路或三管电路。 这两种电路的优点是外围控制电路比较简单，读出信 号也比较大。 缺点是电路结构仍不够简单，不利于提高集成度。
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0
任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM中写入相 应的数据来实现。
I / O1
I / O7
I/O 1024 1 RAM A 0A1A9R/WCS
I/O I/O 1024 1 1024 1 RAM RAM A 0A1A9R/WCS A 0A1A9R/WCS
A9 R /W CS
A0 A1
RAM的位扩展接法
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第一节 只读存储器
二、掩模只读存储器
掩模ROM在出厂时内部存储的数据就已经“固化”。 ROM的电路结构：
地 址 译 码 器 输 出 缓 冲 器
地 址 输 入
三态 控制
存储矩阵
数 据 输 出
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第一节 只读存储器
各部分功能
存储矩阵：由许多存储单元排列而成。 每个单元能放1位二值代码（0或1）。
据
A1 A0 D3 D2 D1 D0
0 1 0 1
1 1 0 0
D1
D0
EN
二极管ROM的电路结构图
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7
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第一节 只读存储器
三、可编程只读存储器
总体结构与掩模ROM一样，
但出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作 了存储元件，
相当于在所有存储单元中都存入了 1。
写入数据时，
设法将需要存入0的那些存储单元上的熔丝烧断就可以。 PROM的内容只能写入一次。
D2 W0 W2 W3 A1 A0 D3 W1 W3 A0
d3
d2 d1
d0
ROM中的数据表
W0 W1 W2 W3
D3 D2
地 址 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
数 1 0 1 1
第一节 只读存储器
第一节 只读存储器
概述 掩模只读存储器
可编程只读存储器
推出 下页 总目录
1
第一节 只读存储器
一、概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息（或称 为二值的数据）的半导体器件。 分类： 1. 从存储功能上可分为： 只读存储器（Read Only Memory） 随机存储器（Random Access Memory） 2. 从制造工艺上可分为： 双极型 MOS型
RAM (2)
RAM (3) RAM (4)
00 00000000 ~ 00 11111111 (768) (1023)
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第一节 只读存储器
三、用存储器实现组合逻辑函数
一个ROM的数据表
A1 A0 D0 D1 D2 D3 A1 A0 D0 D1 D2 D3
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0
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第一节 只读存储器
掩模ROM：数据在制作时已经确定，无法更改。 ROM 可编程ROM（PROM）：
数据可由用户一次写入，但不能再修改。
可擦除的可编程ROM（EPROM）：
数据可多次擦写，灵活性更大。
静态存储器（SRAM）：存取速度快。 动态存储器（DRAM）：集成度高 。
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3
RAM
用以控制触发器的输出和位线之间的关系。 Xi = 1时T5、T6导通，触发器与位线接通。
Xi = 0时T5、T6截止，触发器与位线断开。
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Hale Waihona Puke 返回第一节 只读存储器
VDD Xi
T4 Bj T6 T3
T2 T5 T1 Bj
T8 A3 Yj
T7 A2
列地址译码器输出
T7、T8是每一列存储单元公用的门控管， 用于和读/写缓冲放大器之间的连接。
能在降低电源电压的状态下保存数据。
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第一节 只读存储器
二、动态随机存储器（DRAM）
1. DRAM的动态存储单元 RAM 的动态存储单元是利用 MOS 管栅极电容可以 存储电荷的原理制成的。 存储单元的结构能做得非常简单，普遍应用于大容 量、高集成度的RAM中。由于栅极电容的容量很小（通 常仅为几皮法），而漏电流又不可能绝对等于零，所 以电荷保存的时间有限。
EN
二极管ROM的电路结构图 6
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第一节 只读存储器
VCC
A1
A0 W0 A1 W2 A1 A0
A0 W1 A1 W3 A1 A0
A1
A0
A0
D0 W1 W0 A1 D1 W1 W3 A0
单管动态存储单元是所有存储单元中电路结构最简单 的一种。是目前所有大容量DRAM首选的存储单元。
字 线 位 线
X
T
CS
在进行写操作时，字线给出高电平，使T导 通，位线上的数据便通过T被存入CS中。 在进行读操作时，字线同样给出高电平， 使T导通， CS经T向位线上的电容CB提供电 荷，使位线获得读出的信号电平。
VDD
Xi
存储 单元
字线
Bj
T4
T2 T5 Bj
T6
T3 T1
位线
T8 A3 Yj T7 A2
六管NMOS静态存储单元
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第一节 只读存储器
VDD Xi
T4 Bj T6 T3
T2 T5 T1 Bj
位线
T8 A3 Yj
基本RS 触发器
T7
A2
T5和T6是门控管，作模拟开关（Xi决定开关状态），
当读/写控制信号为1时，执行读操作， 将存储单元里的数据送到输入/输出端上。 当读/写控制信号为0时，执行写操作， 加到输入/输出端上的数据被写到存储单元中。
片选输入端：
片选输入信号为0时，RAM为正常工作状态。 片选输入信号为1时，不能对RAM进行读/写操作。
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第一节 只读存储器
2. SRAM的静态存储单元 静态存储单元是在静态触发器的基础上 附加门控管而构成的
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第一节 只读存储器
二、字扩展方式
如果每一片ROM或RAM中的位数够用，
而字数不够用时，应采用字扩展的连接方式。
I/O7
I / O0
I/O0
I / O7
I/O7
I/O0
I/O7
I/O0
I/O7
I/O0
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第一节 只读存储器
3. 快闪存储器（Flash Memory） 电信号可擦除的可编程ROM 即吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，
又保留了E2PROM用隧道效应擦除的快捷特性，
因此具有以下优点：
集成度高、容量大、成本低、使用方便。
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第一节 只读存储器
第二节 随机存储器
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21
CB
B
单管动态MOS存储单元
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第一节 只读存储器
2. 灵敏度恢复/读出放大器
DRAM中的单管 动态存储单元也 是按行、列排成 矩阵式结构，
并且在每根位线 上接有灵敏度恢 复/读出放大器。
DRAM中的灵敏度恢复/读出放大器
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第一节 只读存储器
（b） （ a） 灵敏度恢复/读出放大器的读出过程
静态随机存储器 动态随机存储器
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第一节 只读存储器
一、静态随机存储器（SRAM）
1. SRAM的结构
A0 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 电 路
存储矩阵
Ai
…
I /O
列地址译码器 Ai+1 … An-1
CS R / W
片选输入端
读/写控制端 上页 下页 返回
二极管ROM VCC
A1
地址代码
地址译码器
A1
A0
A0
W0 W1 W2 W3
字线
存储矩阵