第7章半导体存储器.ppt

第第7章章 半导体存储器半导体存储器半导体存储器是一种由半导体器件构成的半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。主要用于计算机的内存储器。辑部件。主要用于计算机的内存储器。本章对其特点、分类、技术指标予以简单本章对其特点、分类、技术指标予以简单介绍，并介绍基本存储单元的组成原理，介绍，并介绍基本存储单元的组成原理，集成半导体存储器的工作原理及功能。集成半导体存储器的工作原理及功能。本章重点要求掌握各类存储器的特点、存本章重点要求掌握各类存储器的特点、存储器容量扩展和用存储器实现组合电路。储器容量扩展和用存储器实现组合电路。7.1 概概 述述 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类按制造工艺的不同可把存储器分成按制造工艺的不同可把存储器分成TTL型和型和MOS型存储器两大类。型存储器两大类。TTL型速度快，常用作计算机的高速缓冲存型速度快，常用作计算机的高速缓冲存储器。储器。MOS型具有工艺简单、集成度高、功耗低、型具有工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点，常用作计算机的大容量内存成本低等特点，常用作计算机的大容量内存储器。储器。7.1 概概 述述 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类按存储二值信号的原理不同存储器分为静态存按存储二值信号的原理不同存储器分为静态存储器和动态存储器两种。储器和动态存储器两种。静态存储器是以触发器为基本单元来存储静态存储器是以触发器为基本单元来存储0和和1的，的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；在不失电的情况下，触发器状态不会改变；动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电。电容进行充电或放电。按工作特点不同半导体存储器分成只读存储器、按工作特点不同半导体存储器分成只读存储器、随机存取存储器和顺序存取存储器。随机存取存储器和顺序存取存储器。7.1 概概 述述半导体存储器的技术指标半导体存储器的技术指标存取容量：表示存储器存放二进制信息的多少。存取容量：表示存储器存放二进制信息的多少。二值信息以字的形式出现。一个字包含若干位。二值信息以字的形式出现。一个字包含若干位。一个字的位数称做字长。一个字的位数称做字长。通常，用存储器的存储单元个数表示存储器的存储通常，用存储器的存储单元个数表示存储器的存储容量，即存储容量表示存储器存放二进制信息的多容量，即存储容量表示存储器存放二进制信息的多少。存储容量应表示为字数乘以位数。少。存储容量应表示为字数乘以位数。选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址码来决定。地址码的位数即由地址码来决定。地址码的位数n与字数之间存在与字数之间存在2n=字数的关系。如果某存储器有字数的关系。如果某存储器有10个地址输入端，个地址输入端，那它就能存那它就能存210=1024个字。个字。7.1 概概 述述半导体存储器的技术指标半导体存储器的技术指标存取周期：存储器的性能取决于存储器的存取存取周期：存储器的性能取决于存储器的存取速率。存储器的存取速度用存取周期或读写周速率。存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征。把连续两次读（写）操作间隔的最期来表征。把连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。短时间称为存取周期。7.2 只读存储器只读存储器半导体只读存储器半导体只读存储器(Read-only Memory，ROM)是是只能读不能写的存储器。只能读不能写的存储器。只读存储器是一种组合电路，当信息被加工时或只读存储器是一种组合电路，当信息被加工时或被编程时，认为信息是存储在被编程时，认为信息是存储在ROM中。中。其特点是电路结构简单，电路形式和规格比较统其特点是电路结构简单，电路形式和规格比较统一，在操作过程中只能读出信息不能写入。一，在操作过程中只能读出信息不能写入。通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符等。的引导程序、监控程序、函数表、字符等。只读存储器为非易失性存储器只读存储器为非易失性存储器(nonvolatile memory)，去掉电源，所存信息不会丢失。，去掉电源，所存信息不会丢失。7.2 只读存储器只读存储器ROM可分为可分为:掩膜只读存储器（掩膜只读存储器（Mask Read Only Memory，简称，简称MROM）可编程只读存储器可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称简称PROM)紫外线可擦除可编程只读存储器紫外线可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，简称，简称EPROM)电擦除可编程只读存储器（电擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，简称，简称EEPROM）Flash存储器存储器(也称快闪存储器也称快闪存储器)7.2 只读存储器只读存储器半导体只读存储器是具有半导体只读存储器是具有n个输入个输入b个输出个输出的组合逻辑电路。的组合逻辑电路。地址输入地址输入Address input数据输出数据输出Data outputCS片选控制线片选控制线7.2 只读存储器只读存储器只读存储器存储了一个只读存储器存储了一个n输入输入b输出的组合输出的组合逻辑功能的真值表。逻辑功能的真值表。2输入输入4输出组合逻辑功能表输出组合逻辑功能表 地地 址址 内内 容容A1 A0D3D2D1D00 00 11 01 10101101101011100可以将其存储在可以将其存储在224的只读存储器中的只读存储器中7.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器是采用掩模工艺制作的，掩模只读存储器是采用掩模工艺制作的，其中的存储内容是已经由制造商按照用户其中的存储内容是已经由制造商按照用户的要求进行了专门设计。因此，掩模的要求进行了专门设计。因此，掩模ROM在出厂时内部存储的数据就已经固化好了。在出厂时内部存储的数据就已经固化好了。掩模掩模ROM的存储数据可永久保存，在批量的存储数据可永久保存，在批量生产时成本最低。适用于存放固定不变的生产时成本最低。适用于存放固定不变的程序或数据。程序或数据。7.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器掩模掩模ROM由地址译码器、存储矩阵、输出由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图和控制电路组成，如图7-1所示。所示。地地 址址 译译 码码 器器地地 址址 输输 入入W0WN-1存储矩阵存储矩阵 NM输出及控制电路输出及控制电路D0DM-1数据输出数据输出图图7-1 ROM结构图结构图7.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器掩模掩模ROM图图7-2 NMOS固定固定ROMD2存存储储矩矩阵阵输出输出电路电路字线字线位线位线A0A1W0W1W2W3+VDDD3D1D0D3D2D1D0地址译码地址译码D3D2D1D0W3W2W1W07.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器图图7-3是是ROM的点阵图。的点阵图。D3D2D1D0W3W2W1W0表表6-1 ROM中的信息表中的信息表 地地 址址 内内 容容A1 A0D3D2D1D00 00 11 01 10101101101011100存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩存储矩阵的输出和输入是或的关系，这种存储矩阵是或矩阵。阵是或矩阵。地址译码器的输出和输入是与的关系，因此地址译码器的输出和输入是与的关系，因此ROM是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）是一个多输入变量（地址）和多输出变量（数据）的与或逻辑阵列。的与或逻辑阵列。位线与字线之间逻辑关系为：位线与字线之间逻辑关系为：D0=W0+W1 D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W37.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)PROM的存储内容可以由使用者编制写入，的存储内容可以由使用者编制写入，但只能写入一次，一经写入就不能再更改。但只能写入一次，一经写入就不能再更改。PROM和和ROM的区别在于的区别在于ROM由厂家编由厂家编程，而程，而PROM由用户编程。出厂时由用户编程。出厂时PROM的内容全是的内容全是1或全是或全是0，使用时，用户可以，使用时，用户可以根据需要编好代码，写入根据需要编好代码，写入PROM中。中。7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)图图7-4为一种为一种PROM的结构图，存储矩的结构图，存储矩阵的存储单元由双极型三极管和熔断阵的存储单元由双极型三极管和熔断丝组成。丝组成。7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)这种电路存储这种电路存储内容全部为内容全部为0。如果想使某单如果想使某单元改写为元改写为1，需要使熔断丝需要使熔断丝通过大电流，通过大电流，使它烧断。一使它烧断。一经烧断，再不经烧断，再不能恢复。能恢复。7.2.3 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器PROM只能写一次的原因是熔丝断了，只能写一次的原因是熔丝断了，不能再接通。不能再接通。EPROM的存储内容可以改变，但的存储内容可以改变，但EPROM所存内容的擦除或改写，需要所存内容的擦除或改写，需要专门的擦抹器和编程器实现。在工作专门的擦抹器和编程器实现。在工作时，也只能读出。时，也只能读出。7.2.3 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器可擦除可编程存储器又可以分为：可擦除可编程存储器又可以分为：光可擦除可编程存储器光可擦除可编程存储器UVEPROM(Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory)7.2.3 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器可擦除可编程存储器又可以分为：可擦除可编程存储器又可以分为：电可擦除可编程存储器电可擦除可编程存储器E2PROM(Electrical Erasable Programmable Read-Only Memory)快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)等。等。快闪存储器以其高集成度、大容量、低成本和快闪存储器以其高集成度、大容量、低成本和使用方便等优点得到广泛应用。例如在一些较使用方便等优点得到广泛应用。例如在一些较新的计算机主板上采用新的计算机主板上采用Flash ROM BIOS，会使，会使得得BIOS 升级变得非常方便。升级变得非常方便。7.3 随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器RAM(Random Access Memory)可随时从任一指定地址存入可随时从任一指定地址存入(写入写入)或取出或取出(读出读出)信息。信息。在计算机中，在计算机中，RAM用作内存储器和高速缓用作内存储器和高速缓冲存储器。冲存储器。RAM分为静态分为静态SRAM和动态和动态DRAM；静态；静态RAM又分为双极型和又分为双极型和MOS型。型。7.3 随机存取存储器随机存取存储器静态静态RAM(Static RAM，SRAM)一旦将一旦将1个个字写入某个存储位置中，只要不断电，其字写入某个存储位置中，只要不断电，其存储内容保持不变，除非该存储位置被重存储内容保持不变，除非该存储位置被重新写入信息。新写入信息。动态动态RAM(Dynamic RAM，DRAM)，必须，必须对存储的数据进行读出和重写操作来周期对存储的数据进行读出和重写操作来周期地刷新，否则存储器中的数据将会消失。地刷新，否则存储器中的数据将会消失。7.3 随机存取存储器随机存取存储器大多数大多数RAM在断电后，所存储的数据会消在断电后，所存储的数据会消失，是易失性存储器失，是易失性存储器(volatile memory)。一些一些RAM在断电后仍能保持存储的数据不在断电后仍能保持存储的数据不变，如老式