（十六）【数电】（半导体存储电路）半导体存储器

A 半导体存储器概述

半导体存储器定义
半导体存储器是一种能存储大量二值信息（或称为二值 数据）或信号的半导体器件。（触发器则只能存储一位二值信息）

对存储器的操作通常分为两类：把信息存入存储器的过程；从存储器取出信息的过程。
半导体存储器的功能和重要指标
功能：对计算机及其他一些数字系统的大量数据或 信号进行存储，是这些数字系统不可缺少的组成 部分。

衡量存储器性能的重要指标 ：
存储容量：存储器能存放二值信息的多少。单位为位或比特(bit)。 $1K=2^{10}=1024;1M=2^10K=2^{20}$

存取速度：存储器读出或写入数据的速度

输入 /输出规定
因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而 器件的引脚数目有限，所以在电路结构上不能象寄 存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。
解决办法： 给每个存储单元编一个地址，只有被输入地 址代码指定的那些存储单元才能与公共的输入/ 输出引脚接通，进行数据的读出或写入。

半导体存储器分类

存储器的写操作：
地址寄存器中的地址通过地址总线到达地址译码器，通过译码得到5对应的字节，然后把数据寄存器中八个bit的数据通过数据总线放入存储器。

存储器的读操作：
首先把地址寄存器的地址通过地址总线到达地址译码器得到对对应的字节，通过数据总线送到数据寄存器。

B 只读存取存储器（ROM）

特点：

• 只能读出，不能写入；
• 存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性。

B.a ROM总体结构

ROM的通常结构
ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成：

其中：输出缓冲器的作用：
1、提高存储器的带负载能力；
2、实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。

定义：
存储单元——存储器中每存储1位二进制数的点；
存储容量——存储器中总的存储单元的数量。
存储容量= 字线数N ×位线数M（行x列）

具有2位地址输入码和4位数据输出 的ROM电路：

二极管与门组成地址译码器	二极管或门组成存储矩阵
子线输入，位线输出
输入输出关系可用下表表示：

可见，字线与位线的每一个交叉点都是一个存储单元，交叉点有二极管则相当 于存1，没有相当于存0，交叉点数也就是存储单元数。
存储量=字数×位数
上例中存储量=4 ×4=16位
1、二极管与门阵列组成了一个全译码电路，实现了输入变量的全部最小项 $m_i$
2、二极管或门阵列实现了最小项之和形式的各个函数 $\sum m_i$。 所以，可用ROM实现组合逻辑函数

B.b 典型ROM的电路结构及其特点

按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：
（1）掩模（固定）ROM。
（2）一次性可编程ROM（PROM）。
（3）光可擦除的可编程ROM（EPROM）。
（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。
（5）快闪存储器（Flash Memory）。

掩膜ROM
掩膜ROM中存放的信息是由生产厂家采用掩膜工 艺专门为用户制作的，这种ROM出厂时其内部存储的 信息就已经“固化”在里边了，所以也称固定ROM。它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存放固 定数据、固定程序和函数表等。

可编程ROM(PROM)(略)
厂家制造PROM时，使存储矩阵（“或”阵列）的所有存 储单元的内容全为“1”（或“0”），用户可根据自己的需要自 行确定存储单元的内容，但只可写入一次。

可擦除只读存储器——UVEPROM（略）
PROM只能一次编程，而UVEPROM则可多次擦去 并重新写入新内容。
擦除方法：在UVEPROM器件外壳上有透明的石英 窗口，用一定波长的紫外线（或X射线）照射，即可完成 擦除操作，一般约需20~30min。


可擦除只读存储器——EEPROM（略）
EEPROM是用电信号擦除的PROM，在其存储单元 中采用了一种称为浮栅隧道氧化层（Flotox——Floating Gate Tunnel Oxide ）的MOS管。

EEPROM存储单元三种工作状态：

EEPROM的特点：

• 改用电信号进行擦除
• 制作Flotox管时，对隧道区氧化层的厚度、面积和 耐压的要求都很严格。
• 为提高擦除和写入的可靠性，保护隧道超薄氧化 层，需附加选通管双管工作，因此限制了其集成度。
• 擦除和写入时需提供高压脉冲，且擦、写的时间 仍较长，因而仍只能工作在读出状态，做ROM使用。

可擦除只读存储器——Flash Memory
快闪存储器（Flash Memory）采用了一种类似 UVEPROM的单管叠栅结构的存储单元，制成了新一代 用电信号擦除的可编程ROM。

快闪存储器的特点：

• 快闪存储器既吸收了UVEPROM结构简单、编程 可靠的优点，同时又保留了EEPROM用隧道效应擦除 的快捷特性，但一般仍只作ROM 使用
• 快闪存储器的存储单元为单管结构，因而集成度 可以做得很高。
• 擦除和写入操作不需要编程器，且擦、写控制电 路集成于存储器芯片中，只需5V低压电源供电，使用 极其方便。

ROM的总体特点：

• ROM中的信息可以随时读出，但不可以随时
  写入；
• 数据不易丢失，断电亦保存；
• ROM工作时无需刷新；
• ROM电路结构简单，集成度可以很高，宜批
  量生产，价格便宜。
• OM主要用来存储大量二值数据，容量不够时，
  可扩展使用，并可用其实现简单的逻辑函数。

B.c ROM在组合逻辑设计中的应用

用存储器实现组合逻辑函数
用具有n位输入地址、m位数据输出的 ROM可以获得一组（最多m个）任何形式的n 变量组合逻辑函数，只要根据函数的形式向 ROM中写入相应的数据即可。这个原理也适 用于RAM。

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C 随机存取存储器（RAM）

也叫随机读/写存储器，可随时从任一指定存储单元读出数据，或将数据写入任一指定存储单元。
优点：读写方便，使用灵活。
缺点：停电后数据全部丢失。

C.a RAM的电路结构及其特点

RAM的分类
1 SRAM：静态存储器（Static RAM）
主要利用静态触发器的自保功能存储特性

• 双极型RAM存储单元：TTL、ECL、IIL

2 DRAM：动态存储器（Dynamic RAM）
主要利用MOS管栅极电容的存储电荷的原理

• 四管动态、三管动态（早期） 外围控制电路简单、读出信号大，但不利于集成；
• 单管动态存储单元
  
  SRAM的电路结构及工作原理
  SRAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写 控制电路（输入/输出）电路构成，其结构框图如下：
  

R/W‘=1时，执行读操作，R/W’=0时， 执行写操作,CS‘为片选输入端，CS’=0时，该片被选中，可以进行读写。

SRAM的静态存储单元：
由增强型 NMOS管T1和 T2、T3和T4 构成一 个基本 R-S触发器，它是存储信 息的基本单元。

C.b DRAM的电路结构及其特点（略）

DRAM的单管动态存储单元：
单管动态存储单元是利用MOS管栅极电容存储电荷的 原理制成，结构简单，虽然其外围控制电路比较复杂，但 在高集成度、大容量方面很有优势，其结构图如下：

RAM的总特点
在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读出
数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储
单元中去；
最大优点：读、写方便，使用灵活；
缺点：数据易失性，断电即丢失，需不断刷新（即
循环按行依次执行一次读操作来实现）。

C.c RAM存储容量的扩展（重点）

RAM存储器容量的扩展
扩展目的——当用一片RAM器件不能满足对存储容量的要求时， 就需要将若干片RAM组合起来，形成一个容量更大的存 储器。ROM亦同。
扩展方式——

• 字扩展方式， 输入端数（字数）不够用而输出端数（位数）够用：扩展字。

• 位扩展方式， 输入端数（字数）够用而输出端数（位数）不够用：扩展位。

• 字位同时扩展方式

位扩展方式

因为要求各RAM同步，所以R/W’和C’S’相同

字扩展方式

字位同时扩展方式
一般先进行位扩展，再进行字扩展。

2564/（642）=8片

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