第七章半导体存储器

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第七章 半导体存储器

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

A1

A0 D3

D2

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 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。

数字电子第7章

数字电子第7章
静态功耗极小。在断电时,可以用小型锂电池 供电,长期保存所存储的信息。
动态存储单元——用MOS管的栅极电容实 现暂存信息,需要刷新。
动态存储单元的电路结构比静态存 静态RAM慢。
2114静态RAM
它的容量是4K(1024字4位);有10条输入地址线 A0A9(210=1024),4条数据线I/O3I/O0,数据线都是 经三态门输出的。一个片选端CS,一个读写控制端R/W ,电源为+5V。
W0= A1A0
W1= A1A0
W2= A1A0
W3= A1A0
地址译码器
2-4线 译码器
A1,A0的四 个最小项
字线 位线
+VCC
A1
A0
W0
W0 =A1A0
地址译码器是 与逻辑阵列
只读存储器ROM
存储矩阵,共有16个 交叉点,每个交叉点是 一个存储单元,交叉点 接二极管,表示该单元 存“1”,不接,存“0”
A0
行 地



Ai
码 器
存储矩阵


I/O




列地址译码器
… Ai+1
An–1
CS R/W
合用一条双向数据线
*1、存储矩阵:由若干存储单元排列成矩阵形式。每个 存储单元存放1位二进制数据。
存储器以字为单位组织内部结构, 常以字数和字长的乘积表示存储器的容量
例: 一个容量为256 × 4(256个字,每字4位)的存储器, 有1024个存储单元,这些单元可以排成32行× 32列的矩 阵,每行有32个存储单元,每4列存储单元连接在相同的列 地址译码线上,组成一个字列,即,每行可存储8个字,所 以图中有32根行地址选择线和8根列地址选择线。

数字电子技术—08第七章半导体存储器

数字电子技术—08第七章半导体存储器

7.4.2 字扩展方式 例:用256字×8位RAM芯片组成1024字×8位存储器。
需要片数N=4
目标存储器容量 N=
已有存储芯片容量
各片地址分配情况:
000H 100H 200H 300H
0FFH 1FFH 2FFH 3FFH
当要求字和位同时扩展时,先字扩展或先为扩展都可 以,最终结果都是一样的。
存储单元相对于EEPROM,只需要一个MOS管,结构简单,集 成度高,成本低。因为MOS管的源极是连在一起的,所以擦除时 按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits) 整体擦除,所以叫 Flash Memory,用来形容擦除速度快。
和E2PROM相比,需要电压明显减小,这源于更薄的SiO2绝缘层。 Flash ROM具有在系统可编程(ISP, In-System Programmability) 的能力。在许多场合,Flash ROM也被直接称为E2PROM.
第七章 半导体存储器
7.1 概述 半导体存储器是固态存储器SSD (Solid State Drives) ,具有存储 密度高,体积小,容量大,读写速度快,功耗低等优点!
光盘
硬磁盘
固盘
分类:
非挥发存储器(Non-Volatile Memory--NVM)
掩模ROM
可编程ROM (PROM--Programmable ROM)
NAND Flash 存储矩阵
X
8192M+256M Bit
列 (2k+64) Byte/Page×128 Page/Block×4096 Blocks

址 译
码 器
寄存器
Y 控制逻辑
I/O0
I/O1
I/O2

第7章半导体讲义存储器

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。

第7章 半导体存储器 48页PPT

第7章 半导体存储器 48页PPT

图7.2.12给出了E2PROM存储单元在三种不同工作状 态下各个电极所加电压的情况。
(a)读出状态 (b)擦除(写1)状态 (c)写入(写0)状态
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
三、快闪存储器(Flash Memory)
采用与EPROM中的叠栅MOS管相似的结构,同 时保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性。理 论上属于ROM型存储器;功能上相当于RAM。
若浮置栅上不带有电荷,则FAMOS管截止, 源极-漏极间可视为开路,所存信息是1。
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
不带电 -截止 -存1
(a)浮置栅MOS管的结构 (b)EPROM存储单元
2019年
图7.2.6 浮置栅EPROM
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
随机存储器和只读存储器的根本区别在于,正常 工作状态下可以随时向存储器里写入数据或从中读出 数据。
根据所采用的存储单元工作原理的不同,又将随 机存储器分为静态存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)和动态存储器(Dynamic Random Access Memory,简称DRAM)。
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
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图7.3.2 1024 4位RAM(2114) 的结构框图
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
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图7.3.3 六管NMOS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。因此,它是靠触发器的自保功能存储数据的。
图7.6.8 改进的两相无比型动态MOS 移位寄存单元

半导体存储器

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。

第七章讲义半导体存储器

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

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

模电课件第七章 半导体存储器和可编程逻辑器件

模电课件第七章 半导体存储器和可编程逻辑器件

(2)可编程逻辑器件
(Programmable Logic Device,PLD)
可编程逻辑器件是20世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊 的大规模集成电路,它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的器件。 特点:结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高
(3)微处理器
微处理器主要指通用的微处理机芯片,它的功能由汇编语言 编写的程序来确定,具有一定的灵活性。但该器件很难与其 他类型的器件直接配合,应用时需要用户设计专门的接口电 路。 微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外,多 用于实时处理系统。
2. PLD器件的连接表示方法 (1)PLD 器件的连接表示法
固定连接
可编程连接
不连接
(2)门电路表示法
1
A
A
A
1
A
A
A
反向缓冲器
A
&
B
F
C
ABC
&
F
与门
A
≥1
B
F
C
ABC
≥1
F
或门
缓(冲d)器
ABC
(3) 阵列图
1
1
1
& D=BC
& E=AABBCC=0 & F=AABBCC=0
& G=1
1)浮栅注入 MOS 管(FAMOS 管) 存储单元采用两只 MOS管 缺点:集成度低、击穿电压高、速度较慢
2)叠层栅注入 MOS 管(SIMOS 管)
层叠栅存储单元
叠层栅MOS管剖面示意图
控制栅 与字线 相连,控制信息的 读出和写入
浮栅 埋在二氧化硅绝缘层, 处于电“悬浮”状态, 不与外部导通,注入电 荷后可长期保存

第七章半导体存储器

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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地址
数据
A1 A0 D3 D2 D1 D0 000101
011011
100100
111110
接MOS管的相当于存1, 没有的相当于存0.
第七章半导体存储器
7.2.2 可编程只读存储器(PROM)
在开发数字电路新产品的工作过程中,设计人员经常希望按 照自己的设想迅速写入所需要内容的ROM, 这就出现了PROM --可编程只读存储器。
存储容量=字数×位数
如上述ROM的存储量为4×4=16位 。
b. 二极管ROM的电路结构简单,故集成度可以做 的很高,可批量生产,价格便宜。
c. 可以把ROM看成一个组合逻辑电路,每一条字线就 是对应输入变量的最小项,而位线是最小项的或,故 ROM可实现逻辑函数的与-或标准式。
第七章半导体存储器
3. 由CMOS构成 冲器利全用部M采O用SM工O艺S制管成的ROM掩固简,模定单其R,,译O不便码M能宜的器更,特、改非点存,易:储适失出矩合性厂阵大时和量已输生经出产缓
ROM可分为 掩模ROM 可编程ROM(Programmable Read-Only Memory, 简称PROM) 可擦除的可编程ROM(Erasable Programmable Read -Only Memory,简称EPROM)。
第七章半导体存储器
b. RAM(读写存储器)
随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存 储器里写入数据或从中读出数据。
第七章半导体存储器
7.2 只读存储器(ROM)
7.2.1 掩模只读存储器
在采用掩模工艺制作ROM时,其中存储的数据是由制 作过程中使用的掩模板决定的,此模板是厂家按照用户的 要求专门设计的,因此出厂时数据已经“固化”在里面了。
1. ROM的组成: ROM电路
结构包含存储矩 阵、地址译码器 和输出缓冲器三 个部分,其框图 如图所示。
3. 半导体存储器的分类
(1)从存取功能上分类
从存取功能上可分为只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)和随机存储器(Random Access Memory,简称RAM)。
第七章半导体存储器
a. ROM : ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取 数据,不能快速随时修改或重新写入数据。其电路 结构简单,而且断电后数据也不会丢失。缺点是只 能用于存储一些固定数据的场合。
图7.2.4 二极管掩模 ROM的简化画法
第七章半导体存储器
注: a. 通常将每个输出的代码叫一个“字”(WORD), W0~W1为字线,D0~D3为位线,其相交叉的点就是一个存 储单元,其中有二极管的相当于存1, 没有二极管相当于存 0. 因此交叉点的数目即为存储单元数。习惯上用存储单元 的数目表示存储器的存储量(或称为容量)即
输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力,另外是实现 对输出状态的三态控制,以便与系统的总线相联。
第七章半导体存储器
2. 二极管ROM电路 具有2位地址输入码和4位数 据输出的ROM电路。其地 址译码器是由4个二极管与 门构成,存储矩阵是由二极 管或门构成,输出是由三态 门组成的。
第七章半导体存储器
第七章 半导体存储器
第七章半导体存储器
本章内容
7.1 概述 7.2 只读存储器(ROM) 7.3 随机存储器(RAM) 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数
第七章半导体存储器
7.1 概述
1. 半导体存储器的定义
半导体存储器就是能存储大量二值信息(或称作二值数据) 的半导体器件。它是属于大规模集成电路,由于计算机以及一 些数字系统中要存储大量的数据,因此存储器是数字系统中不 可缺少的组成部分,其组成框图如图7.1.1所示。
第七章半导体存储器
RAM使用灵活方便,可以随时从其中任一指定地 址读出(取出)或写入(存入)数据,缺点是具有数 据的易失性,即一旦失电,所存储的数据立即丢失。 (2)从制造工艺上分类
从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型(CMOS 型),由于MOS电路(特别是CMOS电路),具有功耗低、 集成度高的优点,所以目前大容量的存储器都是采用MOS 工艺制作的。
根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又 可分为静态存储器(Static Random Access Memory, 简称SRAM)和动态存储器(Dynamic Random Access Memory,简称DRAM)
SRAM的特点是数据由触发器记忆,只要不断电, 数据就能永久保存 。但SRAM存储单元所用的管子数 量多,功耗大,集成度受到限制,为了克服这些缺点, 则产生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多,缺 点是速度不如SRAM。
PROM的整体结构和掩模ROM一样,也有地址译码器、 存储矩阵和输出电路组成。但在出时存储矩阵的交叉点上 全部制作了存储单元,相当于存入了1.(熔断型)或者0(击 穿型)
字线
位线
第七章半导体存储器
熔丝由易熔合金制成 出厂时,每个结点上有 都 编程时将不用的熔断! !
是一次性编程,不能写 改
/
输 入

I/O


输入/出控制
第七章半导体存储器
图7.1.1
2. 存储器的性能指标
由于计算机处理的数据量很大,运算速度越来越快, 故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将存储量和 存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。目前动态存储 器的容量已达109位/片,一些高速存储器的存取时间仅 10ns左右。
第七章半导体存储器
存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元可以是二 极管、双极型三极管或MOS管,每个单元能存放1位二值代码 (0或1),而每一个或一组存储单元有一个相应的地址代码。
地址译码器是将输入的地址代码译成相应的控制信号,利用 这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出,并把其中的数据 送到输出缓冲器
A0~An-1
D0 W0
Dm W(2n-1)
字线
位线
地址
数据
A1 A0 D3 D2 D1 D0 000101
011011
100100
111110
第七章半导体存储器
简化画法: 凡是有二极管的位置, 均用交叉点“.”表示,并 且省略电阻、输出缓冲 器和电源等符号
A1 A¢1 A0 A¢0
W0 W1 W2 W3 D3 D2 D1 D0
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