數(shù)字電子技術(shù)--第9章-半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第 9 章　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,數(shù)字電子技術(shù),范立南 田丹 李雪飛 張明 編著清華大學(xué)出版社,,本章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖,第9章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,? 9.1 只讀存儲(chǔ)器? 9.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器? 9.3 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展? 9.4 實(shí)例電路分析：存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),例如計(jì)算機(jī)中的自檢程序、初始化程序便是固化在 ROM 中的。計(jì)算機(jī)接通電源后，首先運(yùn)行它，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行自檢和初始化，自檢通過后，裝入操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)才能正常工作。

2、,9.1.1 ROM的定義與基本結(jié)構(gòu),只讀存儲(chǔ)器(ROM，即Read-Only Memory),ROM 在工作時(shí)只能讀出信息而不能寫入信息。它用于存放固定不變的信息，斷電后其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。常用于存放程序、常數(shù)、表格等。,9.1　只讀存儲(chǔ)器,按數(shù)據(jù)寫入方式不同分,ROM 的類型及其特點(diǎn),寫入的數(shù)據(jù)可電擦除，用戶可以多次改寫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。使用方便。,其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在制造時(shí)確定，用戶不能改變。用于批量大的產(chǎn)品。,其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)由用戶寫入。但只能寫一次

3、。,寫入的數(shù)據(jù)可用紫外線擦除，用戶可以多次改寫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。,9.1.2 掩膜ROM 掩膜ROM制成后，用戶不能修改，圖9.1為一個(gè)簡單的4×4位MOS管ROM，采用單譯碼結(jié)構(gòu)。兩位地址線A1、A0譯碼后可譯出四種狀態(tài)，輸出4條選擇線，分別選中4個(gè)單元，每個(gè)單元有4位輸出。,圖9.1 掩膜ROM電路原理圖,在圖中所示的矩陣中，行和列的交點(diǎn)，有的連有管子，有的沒有，這是工廠根據(jù)用戶提供的程序?qū)π酒瑘D形(掩膜)進(jìn)行

4、二次光刻所決定的，所以稱為掩膜ROM。若地址線A1A0=00，則選中0號(hào)單元，即字線0為高電平，若有管子與其相連(如位線2和0)，其相應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，位線輸出為0，而位線1和3沒有管子與字線相連，則輸出為1。故存儲(chǔ)器的內(nèi)容取決于制造工藝，。,9.1.3 可編程ROM在某些應(yīng)用中，程序需要經(jīng)常修改，因此能夠重復(fù)擦寫的EPROM被廣泛應(yīng)用。這種存儲(chǔ)器利用編程器寫入后，信息可長久保持，因此可作為只讀存儲(chǔ)器。當(dāng)其內(nèi)容需要變更時(shí)，可利用擦除

5、器(由紫外線燈照射)將其擦除，各單位內(nèi)容復(fù)原為FFH，再根據(jù)需要利用EPROM編程器編程，因此這種芯片可反復(fù)使用。,1. EPROM(1)存儲(chǔ)單元電路和工作原理 通常EPROM存儲(chǔ)電路是利用浮柵MOS管構(gòu)成的，又稱FAMOS管(Floating gate Avalanche Injection Metal-Oxide-Semiconductor，即浮柵雪崩注入MOS管)，其構(gòu)造如圖9.2(a)所示。,圖9.2 浮柵

6、MOS EPROM存儲(chǔ)電路,該電路和普通P溝道增強(qiáng)型MOS管相似，只是浮柵管的柵極沒有引出端，而被SiO2絕緣層所包圍，稱為“浮柵”。在原始狀態(tài)，該管柵極上沒有電荷，沒有導(dǎo)通溝道，D和S是不導(dǎo)通的。如果將源極和襯底接地，在襯底和漏極形成的PN結(jié)上加一個(gè)約24 V的反向電壓，可導(dǎo)致雪崩擊穿，產(chǎn)生許多高能量的電子，這些電子比較容易越過絕緣薄層進(jìn)入浮柵。注入浮柵的電子數(shù)量由所加電壓脈沖的幅度和寬度來控制，如果注入的電子足夠多，這些負(fù)電子在硅表

7、面上感應(yīng)出一個(gè)連接源—漏極的反型層，使源—漏極呈低阻態(tài)。當(dāng)外加電壓取消后，積累在浮柵上的電子沒有放電回路，因而在室溫和無光照的條件下可長期地保存在浮柵中。,將一個(gè)浮柵管和MOS管串起來組成如圖9.2(b)所示的存儲(chǔ)單元電路。于是浮柵中注入了電子的MOS管源—漏極導(dǎo)通，當(dāng)行選線選中該存儲(chǔ)單元時(shí)，相應(yīng)的位線為低電平，即讀取值為“0”，而未注入電子的浮柵管的源—漏極是不導(dǎo)通的，故讀取值為“1”。在原始狀態(tài)(即廠家出廠)，沒有經(jīng)過編程，浮柵中沒

8、注入電子，位線上總是“l(fā)”。,（2）編程和擦除過程消除浮柵電荷的辦法是利用紫外線光照射，由于紫外線光子能量較高，從而可使浮柵中的電子獲得能量，形成光電流從浮柵流入基片，使浮柵恢復(fù)初態(tài)。EPROM芯片上方有一個(gè)石英玻璃窗口，只要將此芯片放入一個(gè)靠近紫外線燈管的小盒中，一般照射10分鐘左右，讀出各單元的內(nèi)容均為FFH，則說明該EPROM已擦除。,圖9.3 2764A功能框圖,但把A9引腳接至11.5～12.5 V的高電平，則2764A處

9、于讀Intel標(biāo)識(shí)符模式。要讀出2764A的編碼必須順序讀出兩個(gè)字節(jié)，先讓A1～A8全為低電平，而使A0從低變高，分兩次讀取2764A的內(nèi)容。當(dāng)A0=0時(shí)，讀出的內(nèi)容為制造商編碼(陶瓷封裝為89H，塑封為88H)，當(dāng)A0=1時(shí)，則可讀出器件的編碼(2764A為08H，27C64為07H)。,9.1.4電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM) EPROM的優(yōu)點(diǎn)是一塊芯片可多次使用，缺點(diǎn)是整個(gè)芯片雖只寫錯(cuò)一位，也必須從電路板上

10、取下擦掉重寫，因而很不方便的。在實(shí)際應(yīng)用中，往往只要改寫幾個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，因此多數(shù)情況下需要以字節(jié)為單位進(jìn)行擦寫，而EEPROM在這方面具有很大的優(yōu)越性。,9.1.5 ROM的讀操作與時(shí)序圖,1．最小模式下的總線讀操作,,2．最大模式下的讀/寫總線周期,,9.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,9.2.1 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,1．SRAM的基本存儲(chǔ)電路,2．SRAM的讀寫過程,3．典型SRAM芯片,常用的SRAM芯片有2114(1K×4)

11、、2142(1K×4)、6116(2K×8)、6232(4K×8)、6264(8K×8)、和62256(32K×8)等。,9.2.2 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM),1．基本存儲(chǔ)電路,9.3 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展,采用多片ROM/RAM經(jīng)擴(kuò)展后組成容量更大的ROM/RAM存儲(chǔ)以滿足系統(tǒng)的需要。芯片數(shù)量的選擇由系統(tǒng)要求的容量(M ×N)和單片容量(m ×n)來決定，其計(jì)

12、算方法如下。已知系統(tǒng)要求的內(nèi)存容量為M× N(字長或位數(shù))，現(xiàn)有單片ROM/RAM的容量為m(字?jǐn)?shù)) n(字長或位數(shù))。所需單片ROM/RAM的數(shù)量計(jì)算原則如下。計(jì)算原則：M ≥m，N ≥n根據(jù)字?jǐn)?shù)計(jì)算所需單片數(shù)：M/m (取整數(shù))根據(jù)字長或位數(shù)計(jì)算所需單片數(shù)：N/n (取整數(shù))總片數(shù),9.3.1 位擴(kuò)展方式,若單片ROM/RAM的字?jǐn)?shù)滿足系統(tǒng)內(nèi)存總的字?jǐn)?shù)要求，而每個(gè)字的字長或位數(shù)不夠用時(shí)，則采用位擴(kuò)展方式。位擴(kuò)展

13、后的存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)沒改變而位數(shù)增加，存儲(chǔ)器容量相應(yīng)增加。,9.3.2 字?jǐn)U展方式,若每一片ROM/RAM的數(shù)據(jù)位數(shù)夠，而字?jǐn)?shù)不能滿足系統(tǒng)內(nèi)存總的字?jǐn)?shù)要求，則采用字?jǐn)U展方式。字?jǐn)U展后的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)位數(shù)或字長沒有變，而字?jǐn)?shù)增加，存儲(chǔ)器容量相應(yīng)增加。,9.3.3 字、位同時(shí)擴(kuò)展,當(dāng)單片ROM/RAM的字?jǐn)?shù)和位數(shù)都不夠時(shí)，就要采用字位擴(kuò)展方式?！纠?-4】用1K 4位RAM擴(kuò)展成一個(gè)4K 8位的存儲(chǔ)器。解：① 確定芯片數(shù)：② 確定地址線數(shù)D

14、：2D =4096 D=12③ 用8片1K 4位RAM芯片，位擴(kuò)展不需要增加地址線數(shù)，而字?jǐn)U展則需要增加地址線數(shù)。RAM原有10條地址線，現(xiàn)增加兩條地址線A11、A10，利用2線4-線譯碼器將A11、A10的四組不同代碼輸入譯成4路低電平信號(hào) ，分別接到RAM的 端。與字?jǐn)U展相同，并接的2片RAM的8條數(shù)據(jù)線可分別做為字位擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的8條數(shù)據(jù)輸入/輸出線。,9.4 實(shí)例電路分

15、析：存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),某8位微機(jī)有地址總線16根，雙向數(shù)據(jù)總線8根，控制總線中與主存相關(guān)的有“允許訪存”信號(hào) (低電平有效)和讀/寫控制信號(hào) (高電平讀、低電平寫)。試用SRAM芯片2114為該機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)8KB的存儲(chǔ)器并畫出連接框圖。,,,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù) 。根據(jù)存取功能的不同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存

16、儲(chǔ)器(RAM)，兩者的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不同。ROM 屬于大規(guī)模組合邏輯電路，RAM 屬于大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。,本 章 小 結(jié),ROM 用于存放固定不變的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)內(nèi)容不能隨意改寫。工作時(shí)，只能根據(jù)地址碼讀出數(shù)據(jù)。斷電后其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。ROM有固定 ROM(又稱掩膜 ROM) 和可編程 ROM之分。固定 ROM 由制造商在制造芯片時(shí)，用掩膜技術(shù)向芯片寫入數(shù)據(jù)，而可編程 ROM 則由用戶向芯片寫入數(shù)據(jù)?？删幊?ROM 又分為一次可編程的 PRO

17、M 和可重復(fù)改寫、重復(fù)編程的 EPROM 和 E2PROM。EPROM 為電寫入紫外擦除型，E2PROM 為電寫入電擦除型，后者比前者快捷方便?？删幊?ROM 都要用專用的編程器對(duì)芯片進(jìn)行編程。,,RAM 由存儲(chǔ)矩陣、譯碼器和讀/寫控制電路組成。它可以讀出數(shù)據(jù)或改寫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，其讀、寫數(shù)據(jù)的速度很快。因此，RAM 多用于需要經(jīng)常更換數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，最典型的應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存。但是， RAM 斷電后數(shù)據(jù)將丟失。,,RAM 可位擴(kuò)展或字?jǐn)U展