北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件07 MOS存储器

1第七章MOS存储器7.1MOS存储器结构GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware存储器是数字系统中重要的组成部分，直接影响着系统的面积，速度和功耗GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(SRAM)存储器层次ControlDatapathSecondaryMemory(Disk)On-ChipComponentsRegFileMainMemory(DRAM)DataCacheInstrCacheITLBDTLBeDRAMSpeed(ns):.1’s1’s10’s100’s1,000’sSize(bytes):100’sK’s10K’sM’sT’sCost:highestlowest速度（带宽）与成本的折中GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware存储器结构存储器分类MOS存储器结构外围电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware存储器发展摩尔定律：单个芯片上所能容纳的器件数量，每12-18个月翻一番。摩尔定律得以保持的途径：缩小特征尺寸增大芯片面积单元结构的改进GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware存储器的分类MOS存储器主要分为两大类随机存取存储器（RandomAccessMemory,RAM）：挥发性存储，断电后存储内容消失。只读存储器（ReadOnlyMemory,ROM）：不挥发性存储，存储内容可以长期保持，至少保持10年以上。不挥发性随机存取存储器(FeRAM,MRAM)GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware分类动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory,DRAM）:存储原理：依靠电容存储，保持时间短，必须定期刷新。特点：单元电路简单，面积小，有利于提高集成密度用途：集成度高、功耗低，适合于计算机的内存。静态随机存取存储器（StaticRandomAccessMemory，SRAM）：存储原理：双稳态电路存储，只要不断电存储信息不会丢失。特点：电路复杂，占用面积大，集成度不如DRAM高。用途：工作速度快，常用来作高速缓冲存储器（cache）。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware掩模编程的只读存储器（MaskRom）：真正意义的只读存储器，存储信息由制作时的某一块掩模版确定，产品生产出来存储内容就不能再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等固定内容。2.基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器（programmableROM,PROM）：存储内容由用户编程确定，一般只能编程一次，相当于固定内容的只读存储器，但是比MaskROM在应用上有一定灵活性。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware可擦除的可编程只读存储器（erasableandprogrammableROM,EPROM）:可以随机改写，擦除和写入时间较长，耗能较大，不如RAM的写入方便，因此归入只读存储器类。只读存储器ROM的分类(续)（1）紫外光擦除UVEPROM（ulravioletEPROM）只能在断电情况下全片统一擦除。（2）电擦除EEPROM（electricalEPROM）：按位擦除和改写FlashMemory——一种可全片或按扇区快速擦除的EEPROMGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareFeRAM（ferroelectricRAM）,MRAM（magneticRAM）,RRAM(ResistiveRAM)优点：具有DRAM高密度和RAM随机读/写的特点，不挥发性，保持时间长，耐久性好，功耗小、工作电压低、读写速度快、以及抗辐射、抗干扰等。缺点：制作成本高，和常规集成电路工艺的不兼容性。前景：取代硬盘实现大容量存储器。不挥发性随机存取存储器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware存储器结构存储器分类MOS存储器结构外围电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwarenselectsignalsWord0Word1Word2Wordn-1Wordn-2StorageCellmbitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/OutputA0A1Ak-1Decoderreduces#ofinputsk=log2nGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(RAM)cellAjAj+1Ak-1Read/WriteCircuitsColumnDecoder2k-jm2jInput/Output(mbits)amplifiesbitlineswingselectsappropriatewordfrommemoryrowGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware存储器的集成度就是指存储单元的数量，也就是存储器的容量。存储单元一般都排成方阵。例：一个4kb的存储器有4096个存储单元，这些单元可以排成64行×64列（=4096）的方阵。一字多位：如一个1k×4b的存储器可以存储1024个字，每个字有4位。因此总的存储容量仍是4096。16存储单元阵列GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware[0]A1A2ColumnDecodersenseamplifierswritecircuitry!BLWL[1]WL[2]WL[3]bitlineprecharge2bitwordsclockingandcontrolenablereadprechargeBL[i]BL[i+1]GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware．存储单元阵列2．译码器3．输入/输出缓冲器4．时钟和控制电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware存储器结构存储器分类MOS存储器结构外围电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware[0]A1A2ColumnDecodersenseamplifierswritecircuitry!BLWL[1]WL[2]WL[3]bitlineprecharge2bitwordsclockingandcontrolenablereadprechargeBL[i]BL[i+1]GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware外围电路：译码器214Kb存储器为例：每字1位：行地址6位（26=64），列地址6位每字4位：行地址6位，列地址4位（同时选中4列）GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(N)ANDDecoderNORDecoderGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware行译码器：多级译码23第一级：5个两输入与非门,把10个行地址分成5组译码第二级：组合送入1024个五输入与非门译码GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware行译码器：多级译码••••••A2A2A2A3WL0A2A3A2A3A2A3A3A3A0A0A0A1A0A1A0A1A0A1A1A1WL1Multi-stageimplementationimprovesperformanceNANDdecoderusing2-inputpre-decodersGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware