1、第6章 存 储 器,第六章 存储器,6.1 随机存储器（RAM）,6.1.1 随机存储器概述1随机存储器的概念RAM是Random Access Memory的缩写，通常称为随机存储器，也称为随机读/写存储器。它的特点是在工作过程中，数据可以随时从任一指定的地址读出数据，也可随时将数据写入指定的存储单元，使用灵活方便，但所存数据在断电后消失。本章中凡涉及“随机存储器”就用RAM来代替。2随机存储器的分类RAM按工作原理可分为静态随机存储器SRAM（Static Random Access Memory）和动态随机存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）两种。,
2、第六章 存储器,（1）随机存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作。RAM信息易失：芯片必须供电才能保持存储的数据。 （2）只读存储器（ROM）：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出。ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失。,第六章 存储器,3存储器的主要性能指标 容量：存储单元总数（bit）： 1Kbit=1024bit=210bit，128Mbit=134217728bit=227bit。 字长：一个芯片可以同时存取的比特数： 1位、4位、8位、16位、32位等。 标称：字数位数 如4K8位=212 8=215 单元（bit）。 存取时间：表明存储器的工作速度。 读操作和写
3、操作时序图：存储器的工作时序关系。 其他：材料、功耗、封装形式等。,第六章 存储器,6.1.2 随机存储器的结构与基本原理 由于静态随机存储器、动态随机存储器的基本结构相同，所以在随机存储器的结构与基本原理中一起介绍。 RAM电路由地址译码器、存储矩阵和读/写控制电路组成，RAM的读、写操作由读/写控制电路管理。RAM的方框图如图6.1所示，RAM中的核心部件是基本存储单元，其结构有双极型和MOS型两种，不过双极型已经很少使用了。,第六章 存储器,1存储矩阵 RAM的存储矩阵由许多存储单元构成，每个存储单元存放一位二进制码，“0”或“1”。与ROM 存储单元不同的是，RAM存储单元的数据不是预
4、先固定的，而是由外部信息决定的。要存储这些信息，RAM存储单元必须由具有记忆功能的电路，如触发器等电路构成。 （1）静态随机存储器的存储矩阵（以六管静态存储单元为例） 静态存储单元在静态触发器的基础上附加门控管而成，它是靠触发器的自保持功能存储数据的。图6.2所示是由六只N沟道增强型MOS管组成的静态存储单元。,第六章 存储器,图6.1 RAM的结构框图,图6.2 六管静态存储单元,T1T6构成一个存储单元。T3、T4为负载，T1、T2为基本RS触发器； Xi =0，T5、T6截止，触发器与位线隔离； Xi =1，T5、T6导通，触发器与位线接通； Yj =1，T7、T8均导通，触发器的输出与
5、数据线接通，该单元数据可传送。,第六章 存储器,（2）动态随机存储器的存储矩阵（以三管和单管动态存储单元为例）动态存储单元是利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理制成的。由于存储单元的结构能做得非常简单，所以在大容量、高集成度的RAM中得到广泛应用。如图6.3所示是三管动态存储单元。, 写入数据,，G1导通，G2截止。 当Xi=Yj=1时，输入数据DI经G3反相，被存入电容C中。 此时，T1、T3、T4、T5均导通，可以对存储单元进行存取操作。 若DI=0，电容充电；若DI=1，电容放电。当Xi=Yj=0时，写入的数 据由C保存。, 写入数据,第六章 存储器, 读出数据,当Xi=Yj=1时，T
6、1、T3、T4、T5均导通，此时可以对存储单元进行存取操作。,若C上充有电荷，T2导通，读位线输出数据0；反之，T2截止，输出数据1。 读位线信号分两路，一路经T5 由DO输出；另一路经G2、G3、T1对存储单元刷新。,，G2导通，G1截止。,第六章 存储器,G1,&,G2,G3,R,C,VDD,T3,T2,T1,DO,DI,“读”位线,“写”位线,存储单元,Yj (列选择线),Xi (行选择线),写入刷新控制,T4,T5,&,图6.3 三管动态存储单元,第六章 存储器, 刷新数据,若读位线为低电平，经过G3反相后为高电平，对电容C充电；若读位线为高电平，经过G3反相后为低电平，电容C放电。当
7、 ，且Xi=1时，C上的数据经T2、T3到达“读”位线，然后经写入刷新控制电路对存储单元刷新。此时，Xi有效，整个一行存储单元被刷新。由于列选择线Yj无效，因此数据不被读出。,第六章 存储器,2地址译码器地址译码器一般分为行地址译码器和列地址译码器两部分。行地址译码器将输入地址代码的若干位A0Ai译成某一条字线的输出高、低电平信号，从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址代码的其余几位Ai+1An1译成某一根输出线上的高、低电平信号，从字线选中的一行存储单元中再选1位（或几位），使这些被选中的单元经读/写控制电路与输入/输出接通，以便对这些单元进行读、写操作。地址译码器可分为单译码
8、和双译码。所谓单译码是指n位地址构成2n条地址线。若n=10，则有1024条地址线。而双译码地址线是指将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码，其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。,第六章 存储器,3片选信号与读/写控制电路,一片RAM芯片所能存储的信息量是一定的，当所要存储的信息量大于RAM的存储容量时，往往把多片RAM组成一个容量更大的存储器，以满足实际工作的需要。访问存储器时，每次只与其中的一片或几片交换信息，这种信息的交换就是通过片选控制端 进行控制的。 表示片选信号低电平有效，当多片RAM组合在一起时，只有 =0 的那一片才能工作，其余各片因 =1
9、而不工作。于是，只有 =0的那一片RAM的输入/输出端与外部总线接通，交换数据，而其余各片的输入/输出端呈现高阻态，虽然挂接在总线上，也不能进行数据交换。,第六章 存储器,图6.4 八根地址线的行列（双）译码结构图,第六章 存储器,当一个地址码选中相应的存储单元时，是读还是写，可采用高电平或低电平作为读/写控制信号。当读/写控制信号 时，执行读操作，RAM将存储矩阵中的内容送到输入/输出端（I/O）；当 时，执行写操作，RAM将输入/输出端上的输入数据写入存储矩阵中。在同一时间内不可能把读/写指令同时送RAM芯片，读和写的功能只能一项一项地执行。因此可以将输入线和输出线放在一起，合用一条双向数
10、据线（I/O），利用读/写控制信号和读/写控制电路，通过I/O线读出或写入数据。如图6.5所示就是片选信号与读/写控制电路。,第六章 存储器,图6.5 片选信号与读/写控制电路,第六章 存储器,当 时，三态门均为高阻态，I/O口与RAM内部隔离。 当 时，选中该单元。 若 ，三态门1、2关，3开，数据通过门3传到I/O口，进行读操作； 若 ，门1、2开，门3关，数据将从I/O口通过门1、2，向T7、T8写入，进行写操作。 当Xi和Yi中有一消失，该单元与数据线联系被切断，由于互锁作用，信息将被保存。,第六章 存储器,6.2 只读存储器（ROM）,6.2.1 只读存储器（ROM）概述1随机存储器
11、的概念ROM是Read-Only Memory的缩写，通常称为只读存储器。它的特点是在工作过程中，可重复读取所存储的信息代码，而不能改写存储的信息代码，是一种非易失性的半导体存储器件。其中所存放的信息可长期保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固定的程序和数据。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。可擦除的ROM芯片，可采用特殊的方法将原来信息擦除，以便再次编程。本章中凡涉及“只读存储器”就用ROM来代替。,第六章 存储器,只读存储器的分类按存贮矩阵中器件类型可分为： 二极管ROM、三极管ROM、MOS管ROM等。 按写入方式，可
12、分为： 固定ROM：厂家装入数据，永不改变； PROM：用户装入，只可装一次，永不改变； EPROM：用户装入，紫外线擦除； E2PROM：用户装入，电可擦除； Flash Memary：高集成度，大容量，低成本，使用方便。,第六章 存储器,6.2.2 只读存储器的结构与基本原理 1掩模只读存储器 掩膜ROM中储存的信息是在芯片制造过程中就固化好了的，用户只能选用而无法修改原存信息，故又称为固定只读存储器ROM。通常，用户可将自己设计好的程序（信息）委托生产厂家在生产芯片时进行固化（掩膜），但要根据用户程序（信息）制作专用的掩膜模具，该模具成本较高，故掩膜ROM适用于批量生产的产品。,第六章
13、存储器,（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6.6所示。 存储矩阵 存储矩阵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。 地址译码器 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。,第六章 存储器,图6.6 掩模ROM的组成框图,第六章 存储器, 三态缓冲器 三态缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，并实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。 （2）二
14、极管ROM 图6.7所示是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。其地址译码器由4个二极管与门构成，存储矩阵由二极管或门构成，输出电路是由三态门组成的。,第六章 存储器,图6.7 二极管ROM电路图,第六章 存储器,存储矩阵是由4个二极管或门组成的编码器，当译码器输出的每根线分别给出高电平信号时，都会在D0D3 4根线上输出二进制代码，故D0D3称为位线（或数据线）。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
15、在数据输出端。需要注意的是：,通常将每个输出的代码叫一个“字”（WORD），译码器输出为字线，D0D3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：存储容量=字数位数如上述ROM的存储量为44=16位。,第六章 存储器,二极管ROM的电路结构简单，故集成度可以做的得很高，可批量生产，价格便宜。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。,（3）CMOS构成的ROM电路利用MOS工艺制成
16、的ROM，其译码器、存储矩阵和输出缓冲器全部采用MOS管。图6.8所示给出了由CMOS构成的ROM的原理图。,由图6.8可以看出，字线和位线的交叉点，接MOS管的相当于存1，没有的相当于存0。当某根字线为高电平时，接在其上的MOS导通，其位线为低电平，通过三态非门后，输出数据为1。,（4）掩模只读存储器的特点 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。,第六章 存储器,图6.8 CMOS构成的ROM的原理图,第六章 存储器,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
17、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，也有由地址译码器、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6.9所示。：,在图6.9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。可编程只读存储器的特点是PROM的内容一经写入以后，就不可能再修改了，所以它只能写入一次。,第六章 存储器,图6.9 可编程只读存储器存储示意图,第六章 存储器,3. EPROM（Ultra-Violet Erasa
18、ble Programmable Read-Only Memory，简称UVEPROM）可擦除的可编程只读存储器PROM的内容一旦写入则便无法更改，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，及快闪存储器（Flash Memory）。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-gate Injuction Metal-Oxide-Semiconductor，简称SIMOS）做为存储单元。图6.10所示为SIM
19、OS的结构原理图和符号。它是一个N沟道增强型MOS管，有两个重叠的栅极控制栅GC和浮置栅Gf。控制栅GC用于控制读写，浮置栅Gf用于长期保存注入的电荷。,第六章 存储器,图6.10 SIMOS管的结构原理图和符号,第六章 存储器,（1）信息存储原理若浮栅上无电子，则在GC上加正电压，衬底表面将感应出大量电子，形成导电沟道，可导通，状态0。,若浮栅上有电子，则在GC上加正电压，由于该电压与浮栅上的电子有抵消作用，故衬底表面将感应出少量电子，不能形成导电沟道，不可导通，状态1。 图6.11 信息存储原理图（2）写入信息在D、S间加高电压（如25V），使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，产生大量的
20、高能自由电子。同时在GC上加25V,50ms宽的正脉冲，吸引高速电子穿过SiO2到达Gf,形成注入电荷，堆积到浮栅上，相当于写入“1”。将高电压撤掉后，电子没有放电通道，只能待在浮栅上，70%以上的电荷能保存10年以上。,第六章 存储器,图6.11 信息存储原理图,第六章 存储器,图6.12 写入信息原理图,第六章 存储器,（3）擦除信息紫外线照射1030分钟，浮栅上的电子获得能量，返回PN结。EPROM的擦除为一次性全部擦除，其数据写入需专用的编程器。为方便照射，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板，平时应封上以免日光照射使信息丢失。,4. E2PROM（Electrically Erasabl
21、e Programmable ReadOnly Memory，简写为E2PROM）虽然紫外线擦除的EPROM具有重写功能，但擦除操作复杂，速度慢。为了祢补这些不足，则产生了用电信号擦除的PROM，就是E2PROM 。 E2PROM的存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管，简称Flotox管，其结构图和符号如图6.13所示。,第六章 存储器,图6.13 Flotox管的结构图和符号,第六章 存储器,Flotox的结构与SIMOS管相似，也是N沟道MOS管，也有两个栅极控制栅Gc和浮置栅Gf。不同的是Flotox管的浮置栅和漏区之间有个氧化层极薄的区域（ 210-8m）隧道区。当隧道区的电场达到一定程
22、度（107V/cm）时，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。在使用Flotox管做存储单元时，为了提高擦、写的可靠性，在E2PROM的存储单元中除了Flotox管子外，还有一个选通管，如图6.14所示。,第六章 存储器,图6.14 E2PROM的存储单元,第六章 存储器,（1）读出状态在读出时，控制栅Gc加3V电压，如图6.14所示，若Wi=1，此时选通管V2导通，若Flotox的浮置栅没充电荷，则V1导通，在位线Di上读出为0 ；若Flotox的浮置栅上充有电荷，则V1截止，在位线Di上读出为1。（2）擦除（写1）状态当擦除状态时，在控制栅和位线加高电压脉冲（20V
23、/10ms），使得浮置栅上存储电荷。当控制栅加正常电压时，Flotox管截止，一个字节被擦除，则这个字节的所有存储单元为1的状态。（3）写入（写0）状态在写入情况下，令控制栅为0V，同时在在字线和位线上加20V/10ms的脉冲电压，应使写入的那些单元的Flotox管的浮置栅放电，然后在控制栅Gc加正常的3V电压，使Flotox管导通，则所存储的内容为0。注：虽然E2PROM改用电信号擦除，但由于擦除和写入需要加高电压脉冲，且擦除和写入的时间仍然较长，所以正常工作只做ROM用。,第六章 存储器,5. 快闪存储器（Flash Memory）快闪存储器的其结构和EPROM中的SIMOS管相似，只是浮
24、置栅和衬底之间的氧化层的厚度不同，快闪存储器中的此厚度很薄，仅为1015nm，。以及另外一些特殊的制造技术。因此快闪存储器即既吸收了EPROM的结构简单、编程可靠的优点，也保留了E2PROM擦除的快捷特性，且集成度很高。为提高集成度，省去V2（选通管）改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）。叠栅MOS管和flash存储单元如图6.15所示。,第六章 存储器,图6.15 快闪存储器中的叠栅MOS管及其存储单元,第六章 存储器,（1）读出状态若字线为高电平，即Wi=1，存储单元的公共端Uss=0。若浮栅无充电，则叠栅MOS管导通，位线Di输出低电平；若浮栅上充有负电荷，则叠栅MOS管截止，位线Di输
25、出高电平。（2）写入状态首先在叠栅MOS管的漏极经位线加较高的电平（6V），Uss=0V，在控制栅加一个幅度较大（12V/10ms）的正脉冲，使得管子发生雪崩击穿，浮置栅出现充电电荷。此时由于叠栅MOS管的开启电压提高，使得字线上加正常的逻辑电平时管子不会导通，写入1。（3）擦除状态擦除是利用隧道效应。在控制栅处于低电平（0V），源极加高幅度正脉冲（12V/100ms）的情况下，浮置栅和源极之间产生隧道效应，浮置栅的电荷通过隧道区放电，此时管子的开启电压降低，当字线加正常高电平（5V）时，管子就会导通。由于存储单元的源极都是连在一起的，故全部的存储单元同时被擦除，这是与和E2PROM不同的一个
26、地方。,第六章 存储器,6.3 存储器容量的扩充当使用一片ROM或RAM器件不能满足对存储容量的需求时，则需要将若干片ROM或RAM组合起来，构成更大容量的存储器。存储容量的扩展方式有两种：位扩展方式和字扩展方式。,第六章 存储器,6.3.1 字长位数扩展字长位数扩展简称位扩展，是指存储芯片的字（单元）数满足要求而位数不够，需要对每个存储单元的位数进行扩展。位扩展的连接方式是将各存储芯片的地址线、片选线和读/写线相应地并联起来，而将各芯片的数据线单独列出。其位扩展的特点是存储器的单元数不变，位数增加。图6.16所示是用8片10241的RAM构成10248的RAM接线图。,第六章 存储器,图6.
27、16 RAM的位扩展接法,第六章 存储器,连接方法十分简单，只需将8片的所有地址线、 、,分别并联起来就行了。每一片的I/O端作为整个RAM输入/输出数据端的一位。总的存储容量为每一片存储容量的8倍。ROM芯片上没有读/写控制端 ，在进行位扩展时，其余引出端的连接方法和RAM的完全相同。,第六章 存储器,6.3.2 字存储容量扩展若每一片存储器（ROM或RAM）的数据位数够而字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到字数更多的存储器。图6.17所示是用字扩展方式将4片2568位的RAM接成一个10248位的RAM的例子。因为4片中共有1024个字，所以必须给它们编成1024
28、个不同的地址。然而每片集成电路上的地址输入端只有8位（A0A7），给出的地址范围全都是0255，无法区分4片中同样的地址单元。,因此，必须增加两位地址码A8、A9，使地址代码增加到10位，才能得到210=1024个地址。如果取第一片的A9A8=00，第二片A9A8=01，第三片的A9A8=10，第四片的A9A8=11，那么4片的地址分配将如表6.1中所示。,第六章 存储器,图6.17 RAM的字扩展接法,第六章 存储器,表6.1 图6.17的中各片RAM电路的地址分配,第六章 存储器,由表6.1可见，4片RAM的低8位地址是相同的，所以接线时将它们分别并联起来就行了。由于每片RAM上只有8个地址输入端，所以A8、A9的输入端只好借用 端。图中使用2线-4线译码器将A8、A9的4种编码00、01、10、11分别译成 、 、 、 4个低电平输出信号，然后用它们分别去控制4片RAM的 。,此外，由于每一片RAM的数据端I/O1I/O8 都设置了由 控制的三态输出缓冲器，而现在它们的 任何时候只有一个处于低电平，故可将它们的数据端并联起来，作为整个RAM的8位数据输入/输出端。,如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够用，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片器件组成一个大的存储器系统，以满足对存储容量的要求。,
