数字系统与逻辑设计4

MEMORY，DRAM）：集成度远高于SRAM。
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7.2 只读存储器（ROM）
7.2.1 掩模只读存储器 掩模ROM中存储的数据由制作过程中使用的掩 模板决定。掩模板是按照用户的要求而设计的， 因此掩模ROM在出厂时内部的数据就已经“固 化”在里边了。
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熔丝烧断后不可恢 复，因此，PROM 只能一次编程。 电子工程学院
7.2.2 可擦除的可编程只读存储器(EPROM)
一、EPROM（UVEPROM）
紫外线擦除的PROM（UltraViolet Erasable PROM)
浮栅雪崩注入MOS管 （Floating-gate AvalanceInjuction MOS，简称 FAMOS管)
FAMOS管是一个栅极“浮置”在SiO2层内的P沟道增强型 MOS管，当在它的D和S极之间加上比正常工作电压高得多 的负电压（一般在-45V左右）时，D极与衬低之间的PN结发 生雪崩击穿，耗尽区的电子在强电场的作用下以极高的速度 从D极的P+区射出，其中最快的电子穿过SiO2层到达浮栅， 被浮栅俘获而成为栅极存储的电荷，这个过程叫做雪崩注入。
二极管ＲＯＭ的电路结构
二极管译码器 (与阵列、地 址译码器) 地址线 字线
存储矩阵 (或阵列)
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位线 （数据线）
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与阵列
二极管ＲＯＭ的电路结构
W0 A1 A0 m0
地址 数 据
W1 A1 A0 m1
0 0 1 0 0 1
A1A0
0 0 1 1 0 1 0 1
的电压也会下降很多，因此是一种破坏性读出。
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二、灵敏恢复/读出放大器
灵敏恢复/读出放大器的作用：1、将读出信号放大。2、将 存储单元里原来存储的信号恢复。 灵敏恢复/读出放大器 每次读出数据的同时完 成对存储单元原来所存 数据的刷新。
存 储矩阵 中的单 元 个数即存储容量。
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一、SRAM的结构和工作原理
行地址译码器：将输入的地址代码的若干位译成某一条字 线上的输出高、低电平信号，使连接在这条字线上的一行 存储单元被选中。 列地址译码器：将输入的地址代 码的其余位译成某一条输出线上 的高、低电平信号，从字线选中 的一行存储单元中再选中1位 （或几位），使被选中的单元经 读/写控制电路与输入/输出端 （ I/O ）接通，以便对这些单元 进行读写操作。
三、快闪存储器(Flash Memory)
在快闪存储器中使用的是叠栅MOS管。 快闪存储器用雪崩注如入的方式使 浮栅充电而存储‘1’，用隧道效应 使浮栅放电而存储‘0’。 快闪存储器的特点： 1、片内所有的叠栅MOS管的源 极是连在一起的，所以全部存储 单元同时被擦除。
2、高速，高密度，允许近万次的电擦除和编程。
半导体存储器的分类
按存取功能分为：只读存储器（READ－ONLY MEMORY， ROM）和随机存取存储器（RANDOM－ACCESS MEMORY， RAM） 只读存储器在正常工作时，它存储的数据是固定不变的，只能 从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据。
只读存储器的优点：电路结构简单，断电以后数据不会丢失。
ROM的阵列框图
A0 An－1 与阵列 W0 W1 „
„
W2n 1
Dm－1 D0
或阵列
„
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ROM的阵列框图
m0
A1 1 A0 1 与 阵 列
m1
W0 W1
m2
W2 W 3
m3
W0 A1 A0 W1 A1 A0
W2 A1 A0
W3 A1 A0
地址 A1A0
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Flotox管
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2 E PROM
导通
浮置栅存储有电荷， T1截止读出‘1’，否 则读出‘0’。
浮置栅存储电 荷，存储‘1’。
浮置栅放电， 存储‘0’。
E2PROM擦除和写入是需要加高电压的，且所需时间较长，因此 在系统正常工作状态下，它只能工作在读出状态，作ROM用。
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六管CMOS静 态存储单元
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7.3.2 动态随机存储器（DRAM）
一、DRAM的动态存储单元 动态存储单元利用MOS管栅极电容 可以存储电荷的原理制成。电路结构 可以做得非常简单，因此被普遍应用 于大容量、高集成度的RAM中。 缺点：由于MOS管栅极电容的容量 很小（通常仅为几皮法），且存在漏 电流，所以存储在电容上的电荷保存 的时间有限，需要及时补充电荷，这 种操作称为刷新或再生。
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数 0 1 0 1 1 0 1 1
据 0 1 0 1 1 1 0 0
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D3 D2 D1 D0
0 1 0 1
掩模ROM的结构
存储矩阵由许多存 储单元排列而成。 存储单元：MOS管 或双极型三极管 每个存储单元存放一位二值代码（0或1）。 每一个或一组存储单元有一个对应的地址代码。
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单管动态存储单元
写操作时，字线给高电平，使T导通， 位线上的数据通过T被存入CS中。 读操作时，字线仍然给高电平，使T导 通。 CS通过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。 设CS上原来存有正电荷，电压vCS为高电平，而位线电位vB=0， 则执行读操作后位线电平vB上升为： 实际存储器的位线上总是同时接有很多存储单元，使 CS vB vCS CS C B CB>> CS，因此位线读出的电压信号很小。而且CS上
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一、EPROM（UVEPROM）
在栅极获得足够的电荷后，D极和S极之 间便形成导电沟道，使FAMOS管导通， 相当于在对应的存储单元存入‘1’。 由于栅极“浮置”在SiO2层内，与其它 部分完全绝缘，因此注入到栅极上的电 荷没有放电通路，能长久地保存下来。 用紫外线或X射线照射FAMOS管的栅极氧化层， 导通为‘1’， 则SiO2层中会产生电子空穴对，为浮置栅极上 截止为‘0’。 的电荷提供泄放通道，使之放电。电荷消失以 后，FAMOS管恢复截止状态，对应的存储单 擦除时间约为 20-30分钟。 元恢复为‘0’，这个过程称为擦除。
0 0 1 1 0 1 0 1
数 据 D3 D2 D1 D0
0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0
D3 或 阵 列 D2 D1 D0
圆点表示 存储器件
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MOS管构成的存储矩阵
地址代码经译码为 W0~W3中某一条线上的 高电平，使接在这根线 上的MOS管导通，并 使与这些MOS管相连 的位线为低电平，经缓 冲器后输出为高电平。
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7.3 随机存储器
随机存储器又叫读 / 写存储器，简称 RAM 。在 RAM 工作时 可既可以随时从任何一个指定地址取出（读出）数据，也可 以随时将数据存入（写入）任何指定地址的存储单元中去。 优点：读写方便，使用灵活。
缺点：存在数据易失性，一旦断电所存储的数据便会丢失， 不利于数据长期保存。
按存储单元的特性分为： SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器
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7.3.1 静态随机存储器（SRAM）
一、SRAM的结构和工作原理
输入/输出端口
行地址
片选信号 读写控制信号
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列地址
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一、SRAM的结构和工作原理
存储矩阵：由许多存储单元排列而成，每个存 储单元可以存储1位二值数据（0或 1），在译 码器和读/写控制电路的控制下既可以写入1或 0，也可以将所存储的数据读出。
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掩模ROM的结构
地址译码器：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 定的单元选出来， 并把其中的数据送 到输出缓冲器
输出缓冲器：提高存储器的 带负载能力，实现对输出状 态的三态控制，以便与系统 的总线连接。
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随机存储器（RAM）
随机存储器在正常工作状态下，可以随时向存储器里 写入数据或从中读取数据。 随机存储器根据所采用存储单元工作原理的不同分为：
静态存储器（STATIC RANDOM－ACCESS
MEMORY，SRAM）：存取速度比DRAM快。
动态存储器（DYNAMIC RANDOM－ACCESS
CS 1 所有I/O端均被禁止，将存储
器内部电路与外部连线隔离。
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从已选中的一行中 选出要进行读/写的 4个存储单元。
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二、SRAM的静态存储单元
六管 NMOS 静态存 储单元
静态存储单元在静态触发器的基础上附加门控 管而构成，它靠触发器的自保功能存储数据。
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E2PROM（电可擦除的ROM）
在E2PROM的存储单元中 使用的是浮栅隧道氧化层 MOS管（Floating Tunel Oxide，简称Flotox管）。 Flotox管是一种N沟道增强型MOS管，它 有两个栅极——控制栅Gc和浮置栅Gf， 在Gf和漏区之间有一个极薄的氧化层区 域，称为隧道区。当隧道区的电场强度 大到一定程度（>107V/cm）时，在Gf和 漏区之间出现导电隧道，电子可以双向 通过，形成电流，称为隧道效应。
只读存储器的缺点：只适用于存储固定数据的场合。
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只读存储器（ROM）的分类
掩模ROM：数据在制作时已经确定，无法更改。 可编程ROM（ PROGRAMBLE READ－ONLY MEMORY ，PROM）：数据可以由用户根据自己的 需要写入，但数据一旦写入以后就不能再修改了。 可擦除的可编程ROM （ ERASABLE PROGRAMBLE READ－ONLY MEMORY ， EPROM） ：数据不但可以由用户根据自己的需要写 入，而且可以擦除重写。
字线与位线的交叉点 处接有MOS管的相当 于存‘1’，没有MOS 管的相当于存‘0’。
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0 1 0
0
0 1 0 0
截 止
1 0 1 1
截 止
导 通
截 止
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7.2.2 可编程只读存储器(PROM)
熔丝用很细的低 熔点合金或多晶 硅导线制成。 编程时给需要存入‘0’的那些单元加上 比正常工作电流大得多的电流，这些单 元的熔丝就象保险丝一样被烧断，使对 应的晶体管的发射极与位线断开，则存 储的内容就由‘1’变成了‘0’，而熔丝 没有被烧断的那些单元仍然存储‘1’， 这样就实现了对PROM的编程。
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D3 A1 A0 A1 A0 W1 W3
D0 A1 A0 A1 A0 W0 W1 电子工程学院
二极管ＲＯＭ的电路结构
字线和位线的每个交叉点是一个存储 单元。交叉点处接有二极管的相当于 存‘1’，没有二极管的相当于存‘0’。 存储器的容量（存储单元的数目） =字数位数 地址 A1A0 0 0 1 1
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1024 4位RAM（2114）的结构框图
从64行存储单元 中选中一行。
CS 0 R / W 1
4096个 存储单元
由地址码指定的四个存储 单元中的数据被送到 I/O1～I/O4，实现读操作。
CS 0 R / W 0
加到I/O1～I/O4上的数据被 写入指定的四个存储单元。
W2 A1 A0 m2
W3 A1 A0 m3 Wi mi
1 01 ０ 0０ 1 0 0 1 ０
或阵列 1 0 Hale Waihona Puke Baidu 1 0 1 1 0
D3 D2 D1 D0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0
０ 电路中心 有二极管表示存储’1’
０ 0 1 １ 0 D2 A1 A0 A1 A0 A1 A0 1 ０ 0 W0 W2 W3 1 １ 1 D A A A A W W 0 1 1 0 1 0 1 3
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一、SRAM的结构和工作原理
读/写控制电路：对电路的工作状态进行控制
R / W 1 执行读操作，将存储单元里的内容送到输入/输出端上；
R / W 0 执行写操作，输入/输出线上的数据被写入存储器；
片选信号CS的作用： CS=0时RAM的输入/输出端与外部总 线接通，RAM处于正常工作状态； CS=1时RAM的输入/输出端呈高阻态， 不能与总线交换数据，此时不能对 RAM进行读写操作；