数字电路--半导体存储器原理

第七章半导体存储器内容提要本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。在只读存储器中，介绍了掩模ROM、PROM和快闪存储器等不同类型的ROM的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍了静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种类型。此外，介绍了存储器扩展容量的连接方法，重点放在这里。本章内容7.1概述7.2只读存储器（ROM）7.3随机存储器（RAM）7.4存储器容量的扩展7.5用存储器实现组合逻辑函数7.1概述1.半导体存储器的定义半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作二值数据）的半导体器件。它是属于大规模集成电路，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据，因此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其组成框图如图7.1.1所示。输入/出电路I/O输入/出控制图7.1.12.存储器的性能指标由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。目前动态存储器的容量已达109位/片，一些高速存储器的存取时间仅10ns左右。7.1概述3.半导体存储器的分类（1）从存取功能上分类从存取功能上可分为只读存储器（Read－OnlyMemory，简称ROM）和随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）。ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。7.1概述a.ROM（非易失性存储器）ROM可分为掩模ROM、可编程ROM（ProgrammableRead－OnlyMemory，简称PROM）和可擦除的可编程ROM（ErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简称EPROM）。*掩模ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固定不变，无法更改。EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次全部擦除。电擦除的PROM有E2PROM和快闪ROM。7.1概述PROM在出厂时存储内容全为1（或者全为0),用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为0(或为1)。b.随机存储器RAM（读写存储器）（静态易失性存储器）随机存储器为在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。根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又可分为静态存储器（StaticRandomAccessMemory，简称SRAM）和动态存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称DRAM）7.1概述SRAM的特点是数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能永久保存。但SRAM存储单元所用的管子数量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点，则产生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多，缺点是速度不如SRAM。RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。例如：PC机系统上的内存，DDR=DoubleDataRate双倍速率同步动态随机存储器。严格的说DDR应该叫DDRSDRAM，人们习惯称为DDR，其中，SDRAM是SynchronousDynamicRandomAccessMemory的缩写，即同步动态随机存取存储器。而DDRSDRAM是DoubleDataRateSDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系。7.1概述从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型（CMOS型），由于MOS电路（特别是CMOS电路），具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存储器都是采用MOS工艺制作的。（2）从制造工艺上分类硬盘:（港台称之为硬碟，英文名：HardDiscDrive简称HDD全名温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。ATA:全称AdvancedTechnologyAttachment，是用传统的40-pin并口数据线连接主板与硬盘的，外部接口速度最大为133MB/s.IDE:英文全称为“IntegratedDriveElectronics”，即“电子集成驱动器”，俗称PATA并口。SATA:（SerialATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势.SATAII:是芯片巨头Intel英特尔与硬盘巨头Seagate希捷在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从SATA的150MB/s进一步提高到了300MB/s.SCSI:英文全称为“SmallComputerSystemInterface”（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。不同的厂商，不同的组织，各自制定了自己的FLASH存储卡标准，所以就有了现在五花八门的闪存卡。目前比较流行的闪存卡种类有CF卡、SD卡、MMC卡、MS记忆棒、xD卡等，为了追求更快的读写速度和更小的体积，在这些卡的基础上，又衍生出了mini-SD、RS-MMC、UltraCF、MSProDuo、T-Flash等等更快速更小的卡种，使得原本复杂的存储卡卡种变得更加纷乱了。FLASH存储器：又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。目前Flash主要有两种NORFlash和NADNFlash。NORFlash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NORFLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NANDFlash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NANDFlash上的代码，因此好多使用NANDFlash的开发板除了使用NANDFlah以外，还作上了一块小的NORFlash来运行启动代码。一般小容量的用NORFlash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NANDFLASH，最常见的NANDFLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（DiskOnChip）和我们通常用的闪盘，可以在线擦除。7.2只读存储器（ROM）7.2.1掩模只读存储器在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按照用户的要求专门设计的，因此出厂时数据已经“固化”在里面了。1.ROM的组成：ROM电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分，其框图如图7.2.1所示。图7.2.1a.存储矩阵存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能存放1位二值代码（0或1)，而每一个或一组存储单元有一个相应的地址代码。图7.2.17.2.1掩模只读存储器b.地址译码器c.输出缓冲器输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，另外是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。地址译码器是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，并把其中的数据送到输出缓冲器图7.2.17.2.1掩模只读存储器2.二极管ROM电路7.2.1掩模只读存储器图7.2.2是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。其地址译码器是由4个二极管与门构成，存储矩阵是由二极管或门构成，输出是由三态门组成的。图7.2.2其中：地址译码器是由4个二极管与门组成，A1、A0称为地址线，译码器将4个地址码译成W0～W34根线上的高电平信号。W0～W3叫做字线。图7.2.27.2.1掩模只读存储器存储矩阵是由4个二极管或门组成的编码器，当W0～W3每根线分别给出高电平信号时，都会在D0～D34根线上输出二进制代码，D0～D3称为位线（或数据线）。7.2.1掩模只读存储器A0~An-1W0W(2n-1)字线位线输出端的缓冲器用来提高带负载能力，并将输出的高低电平变换成标准的逻辑电平。同时通过给定EN信号实现对输出的三态控制，以便与总线相联。在读出数据时，只要输入指定的地址代码，同时令EN＝0,则指定的地址内各存储单元所存数据便出现在数据输出端。7.2.1掩模只读存储器图7.2.2的存储的内容见表7.2.1地址A1A0数据D3D2D1D0000110110101101101011100表7.2.1译码输出W0W1W2W31000010000100001图7.2.27.2.1掩模只读存储器7.2.1掩模只读存储器图7.2.3也可以用简化画法。凡是有二极管的位置，均用交叉点“.”表示，并且省略电阻、输出缓冲器和电源等符号，如图7.2.4所示。A1A1A0A0W0W1W2W3D3D2D1D0图7.2.4二极管掩模ROM的简化画法图7.2.2注：a.通常将每个输出的代码叫一个“字”（WORD），W0~W1为字线，D0~D3为位线，其相交叉的点就是一个存储单元，其中有二极管的相当于存1,没有二极管相当于存0.因此交叉点的数目即为存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量）即b.二极管ROM的电路结构简单，故集成度可以做的很高，可批量生产，价格便宜。c.可以把ROM看成一个组合逻辑电路，每一条字线就是对应输入变量的最小项，而位线是最小项的或，故ROM可实现逻辑函数的与－或标准式。7.2.1掩模只读存储器存储容量＝字数×位数如上述ROM的存储量为4×4＝16位。A1A1A0A0W0W1W2W3D3D2D1D0图7.2.4二极管掩模ROM的简化画法掩模ROM的特点：出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产简单，便宜，非易失性7.2.1掩模只读存储器7.2.2可编程只读存储器（PROM）在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量生产产品时，由于需要的ROM数量有限，设计人员经常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的ROM。这就出现了PROM－－可编程只读存储器。PROM的整体结构和掩模ROM一样，也有地址译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了1.如图7.2.6所示在图7.2.6中，三极管的be结接在字线和位线之间，相当于字线和位线之间的二极管。快速熔断丝接在发射极，当想写入0时，只要把相应的存储单元的熔断丝烧断即可。但只可编写一次图7.2.6图7.2.7为16×8位的PROM结构原理图。写入时，要使用编程器7.2.1可编程只读存储器（PROM）图7.2.7由此可见PROM的内容一旦写入则无法更改，只可以写一次，为了能够经常修改存储的内容，满足设计的要求，需要能多次修改的ROM，这就是可擦除重写的ROM。这种擦除分为紫外线擦除（EPROM）和电擦除E2PROM。7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）一、EPROM（Ultra－VioletErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简称UVEPROM）EPROM和前面的PROM在总体结构上没有大的区别，只是存储单元不同，采用叠栅注入MOS管（Stacked－gateInjuctionMetal－Oxide－Semiconductor，简称SIMOS）做为存储单元。7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）1.采用叠栅技术的MOS管