第八章 半导体存储器 教学目的 只读存储器ROM电路结构及特点.docx
《第八章 半导体存储器 教学目的 只读存储器ROM电路结构及特点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章 半导体存储器 教学目的 只读存储器ROM电路结构及特点.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第八章半导体存储器教学目的只读存储器ROM电路结构及特点
第八章半导体存储器
教学目的：
1.只读存储器（ROM）电路结构及特点。
2.随机存取存储器（RAM）的电路结构及特点。
1．了解存储器容量的扩展方法
2．掌握用存储器实现组合逻辑函数的方法
3.多片RAM的字和位同时扩展。
4.ROM和RAM集成芯片的功能。
教学重点：
1．存储器的种类和各自的特点
2.ROM电路的组成和工作原理
3.RAM电路的组成、工作原理和主要控制端的功能用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法
教学难点:
ROM存储单元读写方法稍显繁琐RAM电路的工作原理和主要控制端的功能有一些难度 用存储器实现组合逻辑函数
教学方法：
理论教学启发式教学
教学学时：
6学时
第一节概述
一、存储器的基本概念
存储器是能够存储大量二进制信息的半导体器件，如可以存放各种程序、数据和资料等。
存储器是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分，半导体存储器因具有容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等特点，在数字系统中应用很广泛。
二、存储器的分类
半导体存储器的种类很多，按照存取功能的不同，存储器分为只读存储器（Read-OnlyMemory，简称ROM）、随机存取存储器（ReadAccessMemory，简称RAM）和可编程逻辑阵列（PLD）三大类；按照制造工艺分类，存储器可以分为双极型和MOS型两种；按照应用类型分为通用型和专用型两种。
MOS型存储器以功耗低及集成度高等优势在大容量存储器中应用广泛。
第二节只读存储器
只读存储器ROM是一种存储固定信息的存储器。
其特点是在正常工作状态下只能读取数据，不能即时修改或重新写入数据。
只读存储器电路结构简单且存放的数据在断电后不会丢失，特别适用于存储永久性的、不变的程序码数据，如常数表、函数、表格和字符等，计算机中的自检程序就是固化在ROM中的。
只读存储器有掩膜ROM、可编程ROM、可改写ROM等几种不同类型。
一、固定ROM结构及基本原理
1．电路结构
图8.1为典型ROM的原理结构框图。
它主要由地址译码器、存储矩阵和输出电路等几部分组成。
图8.1ROM原理结构框图
地址译码器将输入的地址代码译成相应的单元地址控制信号，利用这个信号从存储矩阵中选出指定的存储单元，把此单元的数据送给输出电路。
存储矩阵由大量能固定存放一位二进制信息的存储单元组成，每个存储单元都有固定的地址。
输出电路一般用三态门作缓冲级，提高带负载能力，EN是输出电路的使能端，用于实现输出的三态控制，便于和系统总线连接。
掩膜只读存储器，又称固定ROM，这种ROM在制造时，生产厂家利用掩膜技术把信息写入存储器中，使用时用户无法更改。
掩膜只读存储器可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM三种类型。
下面主要以二极管掩膜ROM为例介绍ROM的结构和工作原理。
2．只读存储器的工作原理
ROM是一种编码器，有N个输入端（字线），M个输出端（位线），其输入地址码和输出数据间的关系是固定不变的，给一个地址码就输出一个相应的数据。
下图8.2（a）是4×4的二极管掩膜ROM的结构图，它由2线－4线地址译码器、4×4的二极管存储矩阵和输出电路三部分组成。
地址译码器采用单译码方式，其输出为4条字选择线W0～W3，当输入一组地址，相应的一条字线输出高电平。
存储矩阵由二极管或门组成，有16个存储单元，输出为D3～D0，称为位线，在D3～D0位线上输出的每组4位二进制代码称作一个字。
每个十字交叉点代表一个存储单元，交叉处有二极管的单元，表示存储数据为“1”，无二极管的单元表示存储数据为“0”。
输出电路由4个驱动器组成，四条位线经驱动器由D3～D0输出。
ROM的读数过程是据地址码读出指定单元中的数据。
例如，当输入地址码A1A0=01时，字线W1=1，其余字选择线为0，W1字线上的高电平通过接有二极管的位线使D1、D2为1，其他位线与W1字线相交处没有二极管，为低电平，是0。
所以输出D3D2D1D0=0110，根据图8.2的二极管存储矩阵，可列出全部地址所对应存储单元内容的真值表，如表8.1所示。
表8.1二极管存储器矩阵的真值表
地址
数据
A1
A0
D3
D2
D1
D0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
上述这种ROM的存储矩阵可采用如图8.2（b）所示的简化阵列图表示。
字线和位线交叉处有二极管的画实心点，表示存储数据“1”，无二极管的交叉点不画点，表示存储数据“0”。
交叉点的数目对应能够存储的单元数，表示每个存储器的存储容量，记为字线×位线＝容量，如8K×8=64KB。
图8.2中字线和位线均为4，故其容量为4×4＝16。
显然，ROM并不能记忆前一时刻的输入信息，因此只是用门电路来实现组合逻辑关系。
实际上，图8.2（a）的存储矩阵和电阻R组成了4个二极管或门，以D0为例，二极管或门电路如图8.2（c）所示，D0=W0+W2+W3。
二、可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称PROM）：
可编程只读存储器是可由用户直接向芯片写入信息的存储器，PROM是在固定ROM的基础上发展而来的。
但PROM的缺点是只能写入一次数据，且一经写入就不能再更改了。
可编程PROM封装出厂前，存储单元中的内容全为“1”，用户可根据需要进行一次性编程处理，将某些单元的内容改为“0”。
图8.3所示是PROM的一种存储单元,它由三极管和低熔点的快速熔丝组成，所有字线和位线的交叉点都接有一个这样的熔丝开关电路。
存储矩阵中的所有存储单元都具有这种结构。
出厂时，所有存储单元的熔丝都是连通的，相当于所有的存储内容全为“1”。
编程时若想使某单元的存储内容为“0”，只需选中该单元后，再在EC端加上电脉冲，使熔丝通过足够大的电流，把熔丝烧断即可。
但是，熔丝一旦烧断将不可恢复，也就是一旦写成“0”后就无法再重写成“1”了，即这种可编程存储器只能进行一次编程。
可改写的ROM（EPROM、E2PROM、FlashMemory）：
这类ROM由用户写入数据（程序），当需要变动时还可以修改，使用起来很方便。
可改写ROM有紫外线可擦除EPROM、电擦除E2PROM和快闪存储器三种类型。
三、只读存储器的应用
1．集成EPROM
集成电路中有多种类型的ROM。
图8.3一种PROM存储单元
2716（2K×8位）、2764（8K×8位）、2732（32K×8位）、……、27512（64K×8位）等EPROM集成芯片，除存储容量和编程电压等参数不同外，其它参数基本相同。
常用的EPROM芯片主要技术特性如表8.2所示。
表8.2常用的EPROM芯片主要技术特性
型号
2716
2732
2764
27128
27256
27512
容量（KB）
2
4
8
16
32
64
引脚数
24
24
28
28
28
28
读出时间（ns）
350～450
200＊
200＊
200＊
200＊
170＊
最大工作电流（mA）
100
75
100
100
125
最大维持电流（mA）
35
35
40
40
40
＊：
EPROM的读出时间视型号而定，一般在100～300ns，表中列出的为典型值。
CMOSEPROM的读出时间快、耗电少，例如，27C256的读出时间仅为120ns、最大工作电流30mA、最大维持电流为100μA。
表8.3是常用EPROM芯片的操作方式。
表8.3EPROM2716的操作方式
操作方式
控制输入
功能
读
0
0
5v
5v
数据输出
维持
1
×
5v
5v
高阻态
编程
1
1
25v
5v
数据输入
编程校验
0
0
25v
5v
数据输出
编程禁止
0
1
25v
5v
高阻态
下面简要介绍常用的可编程EPROM2764集成电路。
2764是一个28脚双列直插封装的紫外线可擦除可编程ROM集成电路。
2764共有213个字，存储容量为8K×8位。
其引脚图如图8.4所示。
各管脚功能如下：
A0～A12：
13根地址线；
D0～D7：
8根三态数据总线；
：
片选信号输入线，低电平有效；
：
读选通信号输入线，低电平有效；
：
编程脉冲输入线；
VPP：
编程电源输入线；
VCC：
主电源输入线，一般为+5V；
GND：
线路地。
图8.42764引脚图
2764有5种操作方式，如表8.4所示。
表8.4EPROM2764的操作方式
操作方式
控制输入
功能
编程写入
0
1
0
25v
5v
D0～D7上的内容存入对应的单元
读出数据
0
0
1
5v
5v
A0～A12对应单元的内容输出
低功能维持
1
×
×
5v
5v
D0～D7成高阻态
编程校验
0
0
1
25v
5v
数据读出
编程禁止
1
×
×
25v
5v
D0～D7成高阻态
2．EPROM的应用
存储器可以用来存放二进制信息，也可以实现代码的转换、函数运算、时序控制以及实现各种波形的信号发生器等。
下面我们做简单介绍。
ROM可以用来实现各种组合逻辑函数。
因为ROM的地址译码器是一个与阵列，存储矩阵是可编程或阵列，所以很方便用来实现与—或形式的逻辑函数。
具体实现方法是：
如图8.5所示，把ROM中的n位地址端作为逻辑函数的输入变量，则ROM的n位地址译码器的输出，是由输入变量组成的2n个最小项,即实现了逻辑变量的“与”运算；ROM中的存储矩阵是把有关的最小项相或后输出，实现了最小项的或运算，即形成了各个逻辑函数；与阵列中的垂直线代表与逻辑，交叉圆点代表与逻辑的输入变量；或阵列中的水平线代表或逻辑，交叉圆点代表字线输入。
例8.1用ROM实现下列逻辑函数
解：
利用
＝1将上述函数式化为标准与－或式：
由上述标准式可知：
函数Y1有四个存储单元应为“1”，函数Y2也有四个存储单元应为“1”，函数Y3有五个存储单元应为“1”，实现这三个函数的逻辑图可表示为图8.5。
例8.2用PROM组成一个码制变换器，把8421BCD码转换成格雷码，如表8.5所示。
解：
把表中的B3、B2、B1、B0定义为地址输入量，格雷码G3、G2、G1、G0定义为输出量，存储矩阵的内容由具体的格雷码决定，则该PROM的容量为4×4。
按表8.5给定的输出值对存储矩阵进行编程，烧断与“0”对应的单元中的熔丝。
例如B3B2B1B0=0010时，字线W2为高电平，输出为G3G2G1G0=0011，故应保留W2和G1G0交叉点上的熔丝“×”，烧断W2和G3G2交叉点上的熔丝。
据此方法可将表8.5用图8.6所示的PROM编程图来表示。
表8.58421BCD码转换成格雷码
8421BCD码输入
格雷码输出
存储器
B3
B2
B1
B0
G3
G2
G1
G0
W
0
0
0
0
0
0
0
0
W0
0
0
0
1
0
0
0
1
W1
0
0
1
0
0
0
1
1
W2
0
0
1
1
0
0
1
0
W3
0
1
0
0
0
1
1
0
W4
0
1
0
1
0
1
1
1
W5
0
1
1
0
0
1
0
1
W6
0
1
1
1
0
1
0
0
W7
1
0
0
0
1
1
0
0
W8
1
0
0
1
1
1
0
1
W9
图8.6ROM实现码制转换
从上述例子看出，用PROM能够实现任何与或标准式的组合逻辑函数。
实现方法非常简单，只要将该函数的真值表列出，使其有关的最小项相或，即可直接画出存储矩阵的编程图。
第三节随机存取存储器（RAM）
随机存取存储器也称随机读/写存储器，可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作，因此称为随机存取存储器。
它也是用于存放二进制信息，如数据、程序指令和运算的中间结果。
一、RAM的结构和工作原理
随机存取存储器的结构框图如图8.7所示，一般由存储矩阵、地址译码器、片选控制和读/写控制电路等组成。
它有四种输入信号：
地址输入、读写输入、数据输入输出。
图8.7RAM结构示意图
存储矩阵也是由一些存储单元排列而成，是一个n行×m列矩阵列，它是存储器的主体。
存储单元的数目称为存储器的容量。
例如，一个容量为256×4（256个字，每个字4位）的
图8.8RAM存储矩阵
存储器，共有1024个存储单元，这些单元可排成如图6.8所示的32行×32列的矩阵。
该存储矩阵共需要32根行选择线和8根列选择线。
二、地址译码器
每片RAM由若干个字组成，每个字由若干位组成，通常信息的读写是以字为单位进行的。
不同的字具有不同的地址，在进行读写操作时，可以按照地址选择欲访问的单元。
地址的选择是通过地址译码器来实现的。
在存储器中，通常将输入地址译码器分为行地址译码器和列地址译码器两部分，给定地址码后，行地址译码器输出线（即字线）中有一条有效，选中该行的存储单元，同时，列地址译码器输出线（即位线）中也有一条有效，选中一列或n列的存储单元，字线和位线的交叉点处的单元即被选中。
例如，上述的256×4RAM的存储矩阵中，256个字需要用8根地址线（A7～A0）来加以区分（28=256）。
其中地址码的低5位A4～A0作为行译码输入，产生25=32根行选择线，地址码的高3位A7～A5用于列译码，产生23=8根列选择线。
只有被行选择线和列选择线同时选中的单元，才能被访问。
例如，若输入地址A7～A0为11111111时，位于X0和Y0交叉处的单元被选中，然后才可以对该单元进行读或写的操作。
三、读/写与片选控制
读写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。
当读/写控制信号
1时，执行读操作，即将存储单元里的数据送到输入/输出端上；当
0时，执行写操作，加到输入/输出端上的数据被写入存储单元里。
在系统中，RAM一般由多片组成，系统每次读写时，只能选中其中的一片（或几片）进行读写，因此每片RAM均需有片选信号线
，当
＝0时，RAM为正常工作状态；当
＝1时，所有的输入/输出端都为高阻态，RAM不能进行读/写操作。
四、RAM的存储单元
RAM的核心元件是存储矩阵中的存储单元。
不同RAM的基本电路结构都类似。
按工作原理分类，RAM的存储单元可分为静态存储单元和动态存储单元。
1．静态存储单元
CMOS型存储单元因功耗低、集成度高多被采用。
图8.9是六管CMOS静态存储单元。
图中CMOS反相器V1，V2和V3，V4交叉耦合组成了基本RS触发器，用于存储一位二进制信息。
为输出端，
时，V1导通，V2截止，输出
为低电平，使V3截止，V4导通，这样也反过来保证了输出
，故此状态为一个稳定状态，“1”态，表示存储单元里存储了“1”；当Q变为0时，V1截止，V2导通，使输出
为高电平，又保证了V3导通，V4截止，得到另一个稳定状态，“0”态，也即将存储内容从“1”改写成“0”了。
V5，V6管是受行选择线Xi控制的门控管，控制触发器与位线的接通与断开。
Xi＝0时，V5，V6管均截止，存储的状态保持不变；Xi＝1时，V5，V6管均导通，存储的状态
就输出到位线
上了，即存储器的数据就被读出了。
上述6只MOS管构成了一个静态存储单元，故称为六管静态存储单元。
注意，列线Yj的列控制门Vj,Vj属列内各单元公用，不需要计入存储单元的器件数目。
2．动态存储单元DRAM
RAM动态存储单元由MOS管的栅极电容C和门控管组成，利用MOS管栅极电容的暂存作用来存储信息的，电容C上电压为“高”，表示存储了数据“1”，电容上电压为“低”时，表示存储了数据“0”。
虽然MOS管的栅极电阻很高，但栅极电容的容量很小（一般只有几皮法拉）且电容器上的电荷不可避免地因漏电等因素而损失，使电容上存储的信息保存时间有限，为保持原存储信息不变，就需要不间断地对栅极电容定时地进行补充电荷（这种操作也称刷新或再生）。
因此，DRAM工作时必须要有刷新控制电路，操作比较复杂。
由于要不间断地进行刷新，故称这种存储器为动态存储器。
动态存储单元电路有4管电路、3管电路和单管电路，4管电路和3管电路外围控制电路比较简单，读出信号比较大，但电路结构复杂，不利于提高集成度。
单管电路存储单元的结构最简单，只用一个MOS管和一个电容器组成，集成度高，常用于大容量的动态随机存取存储器中。
2116是单片16K×1位动态存储器，是典型的单管动态存储芯片。
采用双列直插16脚封装，+12V和±5V三组电源供电，输入输出逻辑电平与TTL电路兼容。
图8.10是单管动态存储单元的电路结构图。
它由一只N沟道增强型MOS管VT和一个电容CS组成。
电容CA是数据线上的分布电容。
在进行写操作时，先要选中该单元，即字线给出高电平，使T导通，将位线上的数据经过T被存入电容CS中。
图8.10单管动态存储单元结构图
写入数据为1还是为0和数据线的高低电平相对应。
在进行读操作时，字线同样给出高电平，使T导通。
这时CS经T向位线上的电容CA充电，使uCA上升到高电平，位线上获得高电平，读出数据“1”。
但这种读出是一种破坏性读出。
因为由于CS放电，使uCs下降，破坏了存储单元原来的数据。
另外，因为实际的存储电路中位线上总是同时接有很多存储单元，故CA的容量远远大于CS的容量，使输出到数据线上的电压uCA很小：
uCA一般只有约0.1V，CS上的电压也只剩下0.1V，因此需要在电路中设置一个灵敏的恢复/读出放大器，一方面将读出信号加以放大，另一方面将存储单元里原先存储的信号恢复。
动态存储单元比静态存储单元所用元件少、集成度高，适用于大容量存储器。
五、存储容量的扩展
1．集成RAM
常用静态RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。
下面简单介绍常用的2114A芯片和6116芯片。
（1）2114A芯片
2114A是一个1024×4位静态RAM（即有1K个字，每个字4位），它的4096个存储单元排列成64行×64列的矩阵。
芯片为双列直插18脚封装，采用单一+5V电源，全部电平和TTL电路兼容。
其结构框图如图8.11所示。
图8.112114A电路结构框图
10条地址线分为两组译码，A3～A8六位地址码送到行地址译码器中，通过输出信号X0～X63从64行存储单元中选出指定的一行，另外四位地址码A0、A1、A2和A9送到列地址译码器中，通过输出信号Y0～Y15再从已经选定的一行中选出要进行读/写的一列（4个存储单元）。
为片选控制信号。
当
＝0，同时R/
＝1时，读/写控制电路工作在读状态，即将上述选中的单元数据送出到I/01～I/04；当
＝0，R/
＝0时，读/写控制电路工作在写状态，在I/01～I/04端的数据将被写入指定的四个单元中。
当
＝＝1时，读/写控制电路处于禁止态，不能对芯片进行读/写操作。
（2）6116芯片
6116是一种典型的CMOS静态RAM,其引脚如图8.12所示。
图中A0～A10是11条地址输入线，D0～D7是数据输入/输出端。
显然，6116可存储的字数为211=2048（2K），字长为8位，其容量为2048字×8位/字=16384位；
为片选端，低电平有效；
为输出使能端，低电平有效；
为读/写控制端。
电路采用标准的24脚双列直插式封装，电源电压为+5V，输入、输出电平与TTL兼容。
6116有3种工作方式：
写入方式
当
=0，
=1，
=0时，数据线D0～D7上的内容存入A0～A10相应的单元。
读出方式
当
=0，
=0，
=1时，
A0～A10相应单元的内容输出到数据线D0～D7。
图8.126116引脚图
低功耗维持方式
当
=1时，芯片进入这种工作方式，此时器件电流仅20μA左右，故系统断电时可以用电池保持RAM内容。
6116、6264和62256的主要技术特性简单总结列于表8.6中。
操作控制列于表8.7中。
表8.6常用静态RAM主要技术特性
型号
6116
6264
62256
容量（KB）
24
8
32
引脚数
24
28
28
工作电压（V）
5
5
5
典型工作电流（mA）
35
40
8
典型维持电流（μA）
5
2
0.5
存取时间（ns）
＊
＊
＊
＊：
由产品型号而定。
表8.76116、6264和62256的操作控制
D0～D7
读
VIL
VIL
VIH
数据输出
写
VIL
VIH
VIL
数据输入
维持
VIH
任意
任意
高阻态
2．RAM的扩展
一片RAM的存储容量是一定的。
在数字系统或计算机中，单个芯片往往不能满足存储容量的需求，我们可以将若干个存储器芯片组合起来，扩展成大容量的存储器，从而满足使用要求。
RAM的扩展有位扩展和字扩展两种，也可以将位、字同时扩展以满足对容量的需求。
（1）RAM的位扩展
当所用的单片RAM的字数满足了要求而位数不够时，需要进行位扩展。
字数满足了要求，即地址线不用增加。
扩展位数，只需把几片位数相同的RAM芯片地址线共用，让它们共用地址码，读/写控制线R/
线共用，各位的片选信号线也共用，每个RAM的I/O端并行输出，就可以实现了位扩展。
下面用一个具体的例子说明位扩展的过程。
例8.4试将4片2114A扩展成16位的存储器。
解：
即将1024×4扩展为1024×16，需要1024×4RAM的片数为
只要把4片RAM的地址线并联在一起,
线并联在一起,片选
线也并联在一起,每片RAM的I/O端并行输出到1024×16存储器的I/O端作为数据线I/O0～I/O3，即实现了位扩展，其扩展连接图如图8.13所示。
（2）字扩展
当单片存储器的数据位数满足要求而它的字数达不到要求时，就要进行字扩展。
字扩展就是把几片相同RAM的数据线并接在一起作为共用输入输出端，读/写控制线
线也并接在一起共用，把地址线加以扩展，去控制各片的片选
。
扩展的位数为n时，可以将原来的字扩展成
倍。
字数若增加，地址线需要做相应的增加，下面举例说明实现方法。
将各芯片的I/O线、
线并联在一起使用，各片的地址线也都并联在一起。
若字数扩展N倍，则相应增加n（
）位高位地址线，可以通过外加译码器控制芯片的片选输入端
来实现。
增加的地址线与译码器的输入相连，译码器的低电平输出分别接到各片RAM的片选输入端
。
例8.5试用256×4存储器扩展成1024×4存储器。
解：
需用256×4RAM芯片的数量为：
当A9A8A7～A0为0000000000～0011111111时，芯片1的
=0被选中，可以对该片的
升级会员 