半导体存储器

第七章半导体存储器

7.1 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。

在电子计算机以及其他一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储器也就成了这些数字系统不可少的组成部分。

由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越来越快，这就要求存储器具有更大的容量和更快的存取速度。通常都把存储量和存取速度作为评价存储器性能的重要指标。目前动态存储器的容量已达到109位每片，一些高速随机存储器的存取时间为10ns左右。

因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件的引脚数目有限，所以在电路结构上就不可能像寄存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。为了解决这个问题，在存储器中给每个存储单元编了一个地址，只有被输入地址代码指定的那些存储单元才能与公共的输入/输出引脚接通，进行数据的读出或写入。

半导体存储器的种类很多，从功能上可以分为只读存储器和随机存储器两大类。

只读存储器在正常工作状态上只能从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据。ROM的优点是电路结构简单，而且在断电以后数据不会丢失，它的缺点是只适用于存储那些固定数据的场合。只读存储器中又有掩模ROM、可编程ROM和可擦除的可编程ROM几种不同类型。掩模ROM 中的数据在制作时已经确定，无法更改。PROM中的数据可以由用户根据自己的需要写入，但一经写入以后就不能再修改了。EPROM里的数据则不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有更大的使用灵活性。

随机存储器与只读存储器的根本区别在于，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。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和动态存储器。由于动态存储器存储单元的结构非常简单，所以它能达到的集成度远高于静态存储器。但是动态存储器的存取速度不如静态存储器快。

7.2 只读存储器(ROM)

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中

电路结构

ROM的电路结构框图

地址译码器：将输出的地址代码翻译成相应的控制信号，把指定单元选出，其数据送输出缓冲器

输出缓冲器

❖提高存储器带负载的能力

❖实现输出状态三态控制，

与系统总线连接

地

址

译

码

器

存储矩阵

输出缓冲器

W

W

1

W

2－1

n

A

A

1

A

n－1

三态控制信息单元(字)存储单元

……

…

…

…

存储矩阵是存放信息的主体，它由许多存储单元排列组成。每个存储单元存放一位二值代码(0 或1)，若干个存储单元组成一个“字”(也称一个信息单元)。地址译码器有n条地址输入线A0~An-1，2n条译码输出线W0~W2n-1，每一条译码输出线Wi称为“字线”，它与存储矩阵中的一个“字”相对应。因此，每当给定一组输入地址时，译码器只有一条输出字线Wi被选中，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。读出Dm-1~D0的每条数据输出线Di也称为“位线”，每个字中信息的位数称为“字长”。

ROM的存储单元可以用二极管构成，也可以用双极型三极管或MOS管构成。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。对于图9-1 的存储矩阵有2n个字，每个字的字长为m，因此整个存储器的存储容量为2n×m位。存储容量也习惯用K(1 K=1024)为单位来表示，例如1 K×4、2 K×８和64 K×1的存储器，其容量分别是1024×4 位、2048×8 位和65 536×1 位。

输出缓冲器是ROM的数据读出电路，通常用三态门构成，它不仅可以实现对输出数据的三态控制，以便与系统总线联接，还可以提高存储器的带负载能力。

例1 2位地址输入，4位地址输出，二极管存储器

A1A0：

两位地址代码，能指定四个不同地址

地址译码器：

将四个地址译成W0 W3四个高电平输出信号

存储矩阵：二极管编码器

输出缓冲器：提高带负载能力

数据表9-1为：

例2 MOS管ROM

数据表为

PROM

没使用前，全部数据为1

要存入0：

找到要输入0的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出高电平

在相应位线上加高电压脉冲，使DZ导通，大电流使熔断丝熔断

EPROM

7.3随机存储器RAM

随机存取存储器也称随机存储器或随机读/写存储器，简称RAM。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入)或读出(取出)信息。根据存储单元的工作原理不同，RAM分为静态RAM 和动态RAM。

1．静态随机存储器SRAM 电路结构

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，

存储矩阵由许多存储单元排列组成，每个存储单元能存放一位二值信息(0或1)，在译码器和读/写电路的控制下，进行读/写操作。

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A 0~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。称为读/写控制信号。R/W=1 时，执行读操作，将存储单元中的信息送到I/O 端上；当R/W=0时，执行写操作，加到I/O 端上的数据被写入存储单元中。 SRAM 的静态存储单元

静态RAM 的存储单元如图 所示，图 (a )是由六个NMOS 管(V1~V6)组成的存储单元。V1、V2构成的反相器与V3、V4构成的反相器交叉耦合组成一个RS 触发器，可存储一位二进制信息。Q 和Q 是RS 触发器的互补输出。V5、V6是行选通管，受行选线X(相当于字线)控制，行选线X 为高电平时Q 和Q 的存储信息分别送至位线D 和位线D 。V7、V8是列选通管，受列选线Y 控制，列选线Y 为高电平时，位线D 和D 上的信息被分别送至输入输出线I/O 和I/O ，从而使位线上的信息同

SRAM 存储单元

(a ) 六管NMOS 存储单元； (b )六管CMOS 存储单元

U D D

V 4V 2Q Q V 1V 3V 5V 6V 7V 8列选线Y 行选线X 存储

单元位

线D 位线D (a )

(b )

U D D V 4V 2V 6V 5V 1V 3

V 7

V 8I/O I/O 位线D

位线D X