CH6 存储器和可编程逻辑器件解析

SRAM RAM
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DRAM
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6.1 半导体存储器
双极型
半导体存储器 数 字 MOS型 电 路 对存储器的操作通常分为两类： 与 写——即把信息存入存储器的过程。 逻 读——即从存储器中取出信息的过程。 辑 设 计 两个重要技术指标： 存储容量—存储器能存放二值信息的多少。单位是位或 10 10 20 比特（bit）。1K=2 =1024，1M=2 K=2 。 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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按制造工艺来分：
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6.1 半导体存储器
二、掩膜只读存储器（ROM）
数 特点： 字 ①只能读出，不能写入； 电 路 ②存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性。 与 逻 1. ROM的基本结构 辑 设 ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部 计 分组成，其基本结构如图所示。
数 字 电 路 与 逻 辑 设 计
第六章 存储器和可编程逻辑器件
6.1 半导体存储器 6.2 可编程逻辑器件基础 6.3 低密度可编程逻辑器件 6.4 高密度可编程逻辑器件
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Lab of CVPR of West AnHui University
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6.1 半导体存储器
二、可编程的只读存储器
数 ROM的编程是指将信息存入ROM的过程。 字 1. 固定ROM（掩模ROM ）。厂家把数据“固化”在存储器中，用户无 电 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）， 路 用户可根据自己的需要进行编程，但只能编程一次。 与 逻 辑 UCC 设 用户对PROM编程是逐字逐位 字线 进行的。首先通过字线和位线选择 计 需要编程的存储单元，然后通过规 Wi
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6.1 半导体存储器
四、存储器容量的扩展
数 1. 位扩展方式－－增加I/O端个数 字 位扩展可以用多片芯片并联的方式来实现。 电 ①各地址线、读/写线、片选信号对应并联， 路 ②各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位。 与 逻 用1024×1 位的RAM扩展为1024×8 位RAM －－八片 辑 I/O1 I/O2 I/O7 … 设 I/O I/O I/O 计 1 02 4×1 1 02 4×1 1 02 4×1
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6.1 半导体存储器
2.动态随机存储器(DRAM) 数 字 电 路 与 逻 辑 设 计
动态MOS存储单元有四管电路、 V5 三管电路和单管电路等。 动态MOS存储单元利用MOS管 的栅极电容来存储信息，但由于 栅极电容的容量很小，而漏电流 又不可能绝对等于0，所以电荷保 存的时间有限。为了避免存储信 息的丢失，必须定时地给电容补 充漏掉的电荷。通常把这种操作 称为“刷新”或“再生”。 刷新之间的时间间隔一般不 大于 20ms。
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。
熔丝
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位线 Di
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熔丝型PROM的存储单元
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6.1 半导体存储器
数 3. 紫外线擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术，可通过紫 字 外线照射而被擦除，可重复擦除上万次。 电 路 4. 电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术，用电擦 与 除，可重复擦写100次，并且擦除的速度要快的多。E2PROM的电 逻 擦除过程就是改写过程，它具有 ROM 的非易失性，又具备类似 辑 RAM的功能，可以随时改写。 设 5. 快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型MOS管，存储器 计 中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与 EPROM 相
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„
W2 n－ 1
输出缓冲器 „ Dm － 1 D0
位 线
5
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6.1 半导体存储器
2.二极管ROM
“1”
存储矩阵
数 地 W0 字 址 W1 电 A1 译 W2 路 A0 码W 与 3 逻 器 辑 设 制作芯片时，若在某 个字中的某一位存入“1”， 计
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6.1 半导体存储器
3.MOS管ROM 数 字 电 路 与 逻 辑 ROM的点阵图 设 计 W
0
W0 A1
A0
地 址 译 码 器
W1 W2 W3
“0”
存储矩阵
A1
A0
地 址 译 码 器
W1 W2 W3 D3 D2 D1 D0
EN
D3 D2 D1 D0
“1”
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6.1 半导体存储器
一、概述
半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息的大规 数 字 模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成 电 部分。 路 固定ROM（又称掩膜ROM） 与 按存取方式来分： 逻 PROM ROM 辑 EPROM 设 计 可编程ROM E2PROM 半导体存储器 快闪存储器
0
CO1 V7 D CO2 V8 D
1
1 0
Y
0 1
四管动态MOS存储单元
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6.1 半导体存储器
单管动态MOS存储单元
数 字选线 字 电 存储电容 VT CS 路 与 C O 输出电容 逻 位线 D 辑 (数据线) 设 计 ①写入信息时，字线为高电平，VT导通，位线上的数据经过VT存入CS。
同，一般一只芯片可以擦除/写入100万次以上。
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6.1 半导体存储器
三、随机存取存储器（RAM）
数 特点： 字 ①可随时读出，也可随时写入数据； 电 路 ②断电后存储的数据随之消失，具有易失性。 与 逻 根据存储单元的工作原理不同，RAM分为静态RAM和动态 辑 RAM。 设 计 静态RAM: 优点:数据由触发器记忆,只要不断电,数据就能永久保存。
A0 A1 A0 A1 A9 R/W 2018/10/16 CS RAM … A9 R/W CS … A0 A1 RAM … A9 R/W CS … … A0 A1
总存储容量 N 一片存储容量
RAM … A9 R/W CS …
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…
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2018/10/16Fra bibliotek4 Lab of CVPR of West AnHui University 孔敏
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数 A 字 A0 1 电 路 与 逻 辑A n－ 1 设 计 字 线
地 址 译 码 器
ROM的基本结构
W0 W1 信息单元 ( 字) 存储矩阵 „ „ 存储单元
缺点:存储单元所用的管子数目多,功耗大,集成度受到限制。 动态RAM: 优点:存储单元所用的管子数目少,功耗小,集成度高。 缺点 :为避免存储数据的丢失,必须定期刷新。 2018/10/16
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6.1 半导体存储器
1.静态随机存储器(SRAM) 数 1）SRAM的基本结构 字 SRAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成. 电 A0 存储容量＝字数×位数 行 路 A1 n 地 与 ＝ 2 ×m位 址 存储矩阵 逻 译 CS称为片选信号。 辑 码 器 CS=0时，RAM工作； 设 计 Ai CS=1 时，所有 I/O 端均为
6.1 半导体存储器
UCC
数 字 电 路 与 逻 辑 设 计
V5 预充脉冲 Q V3 位 线 D V1 C1
写入数据：
V6
X
Q V4 V2 C2 位 线 D 存储 单元
X=Y=“1” D=1时，C2充电，写入Q=1； D=0时，C1充电，写入Q=0。
1 0
UC1
0 1
UC2
读出数据：
CO1、CO2预充电 X=Y=“1” Q=0时，读出D=0； Q=1时，读出D=1；
则在该字的字线与位线之间 接入二极管，反之，就不接 二极管。
字 线
位 线
R
R
R
R
' D3' D2 D1' D0'
EN D3 D2 D1 D0
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输出缓冲器
二极管ROM结构图
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②读出信息时，字线为高电平，VT管导通，这时CS经VT向CO充电，使 位线获得读出的信息。这是一种破坏性读出。因此每次读出后，要对 该单元补充电荷进行刷新，同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信 号加以放大。