第七章半导体存储器
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第七章 半导体存储器
三、知识点
1、重点掌握的知识点 （1）各种ROM的电路结构和工作原理； （2）SRAM的的电路结构和工作原理；
（3）存储器容量的扩展方法；
（4）用存储器实现组合逻辑函数的方法。 2、一般掌握的知识点
（1）各种ROM存储单元的特点； （2）SRAM的静态存储单元。
7.1 概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。 一、半导体存储器的一般结构形式 存储单元数目庞大，输入/输出引脚数目有限。
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元中再 选一位(或n位)，使这些被选中的单元与读/写电路和 I/O(输入/输出端)接通，以便对这些单元进行读/写操作。
读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控 制。CS′称为片选信号，当CS′=0时，RAM工作， CS′=1时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM 进行读/写操作。
11A7 ~ A0 768 ~ 1023
256 ~ 511
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
ROM广泛应用于计算机、电子仪器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子测量设备和数
控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用
ROM在数字逻辑电路中的应用。 分析ROM的工作原理可知，ROM中的地址译码器可产
生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即
A0~An-1
D0
W0
W2n-1
Dm
地
A1
址
A0 D3
数
D2
据
D1 D0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1
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。
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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3
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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8
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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11
. 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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14
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。
第七章讲义半导体存储器
2、单管动态存储单元
T CS
Xi 位线
CW
信息存于CS中，T为门控管。
Xi ＝1：T导通，将信息从存
储单元送至位线上或者将位 线上的信息写入到存储单元。
由 于 杂 散 电 容 CW>>CS ， 当读出时，需经读出放大 器对输出信号放大。
每次读出后，必须 及时对读出单元刷新。
二．静态RAM
1．静态RAM的内部结构
8条数据线，每 字长度为8位
NC
1
28
VDD
A12
2
A7
3
A6
4
27
WR
26
CS2
25
A8
A5
5
24
A9
A4 A3
6 7
HM
23 22
A11 OE
A2
8 6264 21
A10
A1
9
20
CS1
A0
10
19
I/O7
I/O0
11
I/O1
12
18
I/O6
17
I/O5
I/O2
13
16
I/O4
GND
14
15
I/O3
UPP 、 CE /PGM 、 OE
CE/PGM OE
读
0
0
读禁止
×
1
维持（备用） 1
×
编程（写入） 50ms脉冲 1
编程校验
0
0
编程禁止
0
1
A7
1
A6
2
A5
3
A4
4
A3
5
A2
6
A1
第7章半导体存储器PPT资料30页
Digital Electronics Technolo15g.0y5.2020
7.2 只读存储器ROM
浮栅上电荷可长期保存－ －在125℃环境温度下，70% 的电荷能保存10年以上。
擦除：用紫外线或X射线擦 除。需20~30分钟。
缺 点 ： 需 要 两 个 MOS 管 ； 编程电压偏高；P沟道管的开 关速度低。
7.2 只读存储器ROM
三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）
（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM） 最早出现的EPROM。通常说的EPROM就是指这种。 1. 使用FAMOS管（Floating-gate Avalanche-Injuction
MOS，浮栅雪崩注入MOS管）
写入：管子原来不导 通。在漏源之间加上较 高电压后（如-20V）， 漏极PN结雪崩击穿，部 分高速电子积累在浮栅 上，使MOS管导通。
7.2 只读存储器ROM
16字×8位的PROM
十六条字线
读出时，读出放 大器AR工作，写入放 大器AW不工作。
写入时，在位线
输入编程脉冲使写入 放大器工作，且输出
八 条
低电平，同时相应的 位
字 线 和 VCC 提 高 到 编 线 程电平，将对应的熔
丝烧断。
缺点：不能重复擦除。
Digital Electronics Technolo15g.0y5.2020
输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以 便和系统的总线相连。
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7.2 只读存储器ROM
1. 工作原理 以2位地址输入和4
为数据输出的ROM为 例，其存储矩阵是四 组二极管或门：
7.2 只读存储器ROM
浮栅上电荷可长期保存－ －在125℃环境温度下，70% 的电荷能保存10年以上。
擦除：用紫外线或X射线擦 除。需20~30分钟。
缺 点 ： 需 要 两 个 MOS 管 ； 编程电压偏高；P沟道管的开 关速度低。
7.2 只读存储器ROM
三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）
（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM） 最早出现的EPROM。通常说的EPROM就是指这种。 1. 使用FAMOS管（Floating-gate Avalanche-Injuction
MOS，浮栅雪崩注入MOS管）
写入：管子原来不导 通。在漏源之间加上较 高电压后（如-20V）， 漏极PN结雪崩击穿，部 分高速电子积累在浮栅 上，使MOS管导通。
7.2 只读存储器ROM
16字×8位的PROM
十六条字线
读出时，读出放 大器AR工作，写入放 大器AW不工作。
写入时，在位线
输入编程脉冲使写入 放大器工作，且输出
八 条
低电平，同时相应的 位
字 线 和 VCC 提 高 到 编 线 程电平，将对应的熔
丝烧断。
缺点：不能重复擦除。
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输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以 便和系统的总线相连。
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7.2 只读存储器ROM
1. 工作原理 以2位地址输入和4
为数据输出的ROM为 例，其存储矩阵是四 组二极管或门：
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
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=4K× 8bits
字节长B
（一个字节8bits）
7.2 顺序存取存储器（SAM）
Sequential Access Memory
一、动态CMOS反相器 二、动态CMOS移存单元 三、动态移存器和顺序存取存储器
一、动态CMOS反相器
１．电路结构 由传输门和CMOS反
+
CP TG1 T1 C CP VDD T2
数据 线 D D 入 A4 A0 A1 A2 A3 行 译 码 器
X0 0 1 1 1 31
. .
X31
位 线
.位 . .线
0
位 线
.位 . .线
1
位 线
.位 . .线
31
31
31 31
. .
Y0 列 A5
. . .
Y1 译
. .
. . .
码 器 A9
Y31
A8 A6 A7 地 址 输 入
. .
X31
1
0
1
1
1 31
位 线
.位 . .线
0
位 线
.位 . .线
1
位 线
.位 . .线
31
31
31 31
.
数据 线 D D
. . .
Y1 列 A5 译
. .
. . .
码 器 A9 Y31
采用双译码结构: 共有10条地址线。
.
Y0
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。
微型计算机中按物理介质不同存储器的分类如图所示：
第七章 半导体存储器
7.1 概述
7.2顺序存取存储器（SAM）
7.3随机存取存储器（RAM） 7.4只读存储器（ROM）
7.1 存储器概述
1. 存储器一般概念 半导体存储器能存储大量二值信息，是数字系统不 可缺少的部分.
• 按材料分类 1) 磁介质类——软磁盘、硬盘、磁带、… 2) 光介质类——CD、DVD、MO、… 3) 半导体介质类——SDRAM、EEPROM、FLASH ROM、… • 按功能分类 主要分RAM和ROM两类，不过界限逐渐模糊 RAM: SDRAM, 磁盘， ROM: CD, DVD, FLASH ROM, EEPROM
标称：字数×位数(字长),如4K×8位= 212×8 =215单元（bit） 字长：一个芯片可以同时存取的比特数 1位、4位、8位、16位、32位等等 存取时间：表明存储器工作的存储速度 读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系 其它：材料、功耗、封装形式等等
存储容量：
存储单元总数（bit）
存
字数 （通常以字节个数 为单位）
输入/输出控制电路：对选 中的存储单元进行读出或写 入数据的操作
数据输入/输出
7.3.1 RAM的结构
A0 ….. Ai
行 地 址 译 码 器
存储矩阵
读 写 控 制 电 路
I/O 数据输入/输出
列地址译码器 Ai+1 …… An-1
CS R/W
地址输入
控制输入
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 大容量RAM数据输入／输出合为双向端口
•Yj =1，T7 、T8均导 通，触发器的输出才 与数据线接通，该单 元才能通过数据线传 送数据
位 线 B
数 据 线
· · ·
SL / SR 1
移存器执行左移操 作，存于各移存器最左 端的数据最先由I/O端 读出。
•••
Qm-1 CP
m位双向移存器 SL/SR
图7-2-5 m×4位FILO型SAM
7.3
RAM
7.3.1 RAM的基本结构
一、 RAM的结构框图 二、 RAM的存储单元（SRAM、DRAM）
7.3.2 RAM芯片介绍 7.3.3 RAM容量扩展
信息；CP=0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CP，数据向右移动一位。
三、动态移存器和顺序存取存储器
１．动态移存器 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(SAM)。
1位动态移存单元 串入
CP CP
0
1
2
· · ·
1023
串出
微型计算机系统中的存储器部件分两类：
一类存储器用于保存正在处理的指令和数据，CPU 可以直接对它进行访问。通常称为主存储器或 内存储器。 一类存储器由能记录信息的装置组成，CPU需要使用 其所存放的信息时，须将信息送到前一类存储器。通常称 为外存储器或海量(mass storage)存储器。 微型计算机中按物理介质不同存储器的分类： 磁表面存储器见用于组成外存储器，半导体存储器件用来 组成内存储器。内存储器总是由只读存储器件（ROM)和 随机存储器件(RAM)两类器件组成。
储 器
…… 字长(位数)
存储单元总数=字数×位数(字长)
（通常以字节为单位）
不同的存储器芯片，其存储容量是不同的。例如某 一半导体存储器芯片，共有4K个存储单元，每个单元 存储8位二进制信息，则该芯片的存储容量是4K×8bits 或4K字节，简称4KB。
字节数
（4K个字节数） 存
储
器
……
存储单元总数=字数×位数(字长)
X0
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。 1条行选择线用来选1个字或 者1个字节，而1条列选择线 用来选1个数位。应此，行选 择线也叫字线，列选择线也 叫位线。
A0 地 址 输 入 A4 A1 A2 A3
行 译 码 器 X1
0
0
0
1
0
31
地址译码
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为地址译码 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 地 址 译 码 器
CS0
CS1
0 1 存 储 器 阵 列
A0 A1 A2 A3
行 地 址 译 码 器
CSX0 CSX1 …… CSX15
CSY0
0
1
16
+
R
相器组成。电路中T1 、T2
栅极的寄生电容C是存储信 息的主要“元件”。
vI
–
vO –
•
图7-2-1 动态CMOS反相器
２．MOS管栅电容C的暂存作用
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C补充一次电荷，使信号得到“再生”，可长期
保持C上的1信号，这一操作过程通常称为“刷新”。
一、 字长（位数）的扩展 二、字数的扩展
7.3.1 RAM的结构
一、RAM的结构框图
地 址 输 入
地 址 译 码 器
存储矩阵
存储矩阵：存储器中各个存 储单元的有序排列
控制信号输入 ( CS 、R/W)
输入/输出控制电路
地址译码器：对外部输入的 地址码进行译码，唯一地选 择存储矩阵中的一个存储单 元
图7-2-3 1024位动态移存器示意图
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，所以存取时间较长，位数越多，最大存取时间越长。
三、动态移存器和顺序存取存储器
２．先入先出(FIFO)型SAM
逻辑图
(1) 循环刷新
片选端为0。只要不断电，信息可在动态中长期保存。 (2) 边写边读
17
240
241
CS255
单译码:n位地址构成 2 n条地 址线。若n=10，则有1024条 地址线
……
15
31
255
CSY1
CSY15
255
列地址译码器 A4 A5 A6 A7
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。
7.3.1 RAM的结构
存储器存储矩阵结构
32根行地 址选择线
Y0 A4 A3 A2 A1 A0 行 地 址 译 码 器 X0 X1
· · ·
A5
A6
A7
8根列地 址选择线
Y7
列 地 址 译 码 器
Y1
··· ··· ···
存储单元
···
X31
1024个存储单元，排 成32×32的矩阵 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×4位＝1024bit
3. 片选及输入/输出控制电路
当选片信号CS＝1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。
D G1 I/O G2 G4 & G3 G5 & CS R/W D
当CS＝0时，芯片被选通：当R/W＝1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；
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
7.3.1 RAM的结构
二、RAM存储单元
• 1、静态MOS RAM（SRAM） 本单元控制门
Xi (行选择线) VDD T3 位 线
B
存储 单元 T4 T6 T2 位 线 B
T5 T1
基本RS触发器
数 据 线 T7 T8
A8 A6 A7 地 址 输 入
例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行选线