第8章半导体存储器和可编程逻辑器件

2014/4/272014/4/27第8章半导体存储器和可编程逻辑器件3学时2014/4/27数字电子技术基础第八章1电子学教研室半导体存储器和可编程逻辑器件作业8-38-88-92014/4/27数字电子技术基础第八章2电子学教研室8.1概述随着集成电路设计和制造工艺的不断改进和完善，集成电路产品不仅在提高开关速度、降低功耗等方面有了很大的发展，电路的集成度也得到了迅速的提高，大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI已得到了广泛的应用。2014/4/27数字电子技术基础第八章3电子学教研室在分析和设计逻辑系统时，应把LSI和VLSI作为一个功能模块来进行使用。LSI分为通用型和专用型两大类。2014/4/27数字电子技术基础第八章4电子学教研室通用型LSI是指已被定型的标准化、系列化产品。各种型号的存储器、微处理器等均属此类。专用型LSI是指为某种特殊用途而专门设计制作的功能块，只能使用在一些专用场所或设备中。2014/4/27数字电子技术基础第八章5电子学教研室本章仅简要介绍存储器可编程逻辑器件2014/4/27数字电子技术基础第八章6电子学教研室8.2半导体存储器半导体存储器（简称存储器）是一种能存储大量二值信息或数据的半导体器件。可以存储用户程序以及实时数据等多种信息。2014/4/27数字电子技术基础第八章7电子学教研室存储器分类按读写功能分为：只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）。2014/4/27数字电子技术基础第八章8电子学教研室按在计算机系统中的作用分为：主存储器（内存）辅助存储器（外存）高速缓冲存储器2014/4/27数字电子技术基础第八章9电子学教研室按信息的可保存性分为易失性存储器非易失性存储器2014/4/27数字电子技术基础第八章10电子学教研室易失性存储器在系统关闭时会失去存储的信息，它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的RAM都属于此类。非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息，如ROM半导体存储器、磁介质或光介质存储器。2014/4/27数字电子技术基础第八章11电子学教研室半导体存储器ROM固定ROM（又称掩膜ROM）可编程ROM可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）电可擦除EPROM（E2PROM）快闪存储器FLASHRAM静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）半导体存储器按读写功能分类2014/4/27数字电子技术基础第八章12电子学教研室对存储器的操作对存储器的操作（也称为访问）通常分为两类：读操作从存储器中取出其存储信息的过程写操作把信息存入到存储器的过程2014/4/27数字电子技术基础第八章13电子学教研室存储器的主要技术指标存储器的技术指标包括存储容量、存取速度、可靠性、功耗、工作温度范围和体积等。其中存储容量和存取速度为其主要指标。2014/4/27数字电子技术基础第八章14电子学教研室存储容量存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量，单位为位或比特（bit）。存储器中的一个基本存储单元能存储1bit的信息，也就是可以存入一个0或一个1，所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。2014/4/27数字电子技术基础第八章15电子学教研室一个内有8192个基本存储单元的存储器，其存储容量为8Kbit（1K=210=1024）；这个存储器如果每次可以读（写）8位二值码，说明它可以存储1K个字节（Byte），每字节为8位，这时的存储容量也可以用1K×8位来表示。2014/4/27数字电子技术基础第八章16电子学教研室存取速度存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始，到取出或存入数据为止所需的时间，其上限值称为最大存取时间。存取时间的大小反映了存储速度的快慢。存取时间越短，则存取速度越快。2014/4/27数字电子技术基础第八章17电子学教研室随机存取存储器随机存取存储器RAM，又称为读写存储器。在工作过程中，既可从RAM的任意单元读出信息，又可以把外部信息写入任意单元。它具有读、写方便的优点，但由于具有易失性，所以不利于数据的长期保存。2014/4/27数字电子技术基础第八章18电子学教研室根据存储单元工作原理的不同，RAM可分为两大类：静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM2014/4/27数字电子技术基础第八章19电子学教研室SRAM的数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能保存，但其集成度受到限制。DRAM一般采用MOS管的栅极电容来存储信息，必须由刷新电路定期刷新，但集成度高。2014/4/27数字电子技术基础第八章20电子学教研室特点：SRAM速度非常快，但其价格较贵。DRAM的速度比SRAM慢，不过它比ROM快。2014/4/27数字电子技术基础第八章21电子学教研室RAM的结构RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路3部分组成。2014/4/27数字电子技术基础第八章22电子学教研室存储矩阵由若干个存储单元组成。在译码器和读/写控制电路的控制下，既可以对存储单元写入信息，又可以将存储单元的信息读出，完成读/写操作。2014/4/27数字电子技术基础第八章23电子学教研室地址译码器包括行地址译码器列地址译码器2014/4/27数字电子技术基础第八章24电子学教研室行地址译码器从存储矩阵中选中行存储单元；列地址译码器从存储矩阵中选中列存储单元，行与列均被选中线的交叉处的存储单元与输入/输出线接通。2014/4/27数字电子技术基础第八章25电子学教研室读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。当读/写控制信号为高电平时，执行读操作；当读/写控制信号为低电平时，执行写操作。2014/4/27数字电子技术基础第八章26电子学教研室2114RAM的结构框图2014/4/27数字电子技术基础第八章27电子学教研室2114RAM的工作模式1高阻002014/4/27数字电子技术基础第八章28电子学教研室读002114RAM的工作模式112014/4/27数字电子技术基础第八章29电子学教研室写102114RAM的工作模式002014/4/27数字电子技术基础第八章30电子学教研室静态存储单元（了解）RAM的存储单元分为静态存储单元和动态存储单元两种。静态存储单元是在静态触发器的基础上附加控制电路而构成的。2014/4/27数字电子技术基础第八章31电子学教研室由于使用的器件不同，静态存储单元又分为MOS型和双极型两类。由于CMOS集成电路最显著的特点是静态功耗小，因此其存储单元在RAM中得到了广泛应用。2014/4/27数字电子技术基础第八章32电子学教研室6管CMOS静态存储单元（了解）2014/4/27数字电子技术基础第八章33电子学教研室静态存储单元存在的问题（了解）1）是靠触发器来存储数据的，功耗较大。2）由于每个单元要用多个管子，芯片的面积较大。2014/4/27数字电子技术基础第八章34电子学教研室动态存储单元（了解）为提高集成度、减小芯片尺寸、降低功耗，常利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器，以构成动态MOS存储单元。2014/4/27数字电子技术基础第八章35电子学教研室管动态存储单元（1）电路组成（了解）2014/4/27数字电子技术基础第八章36电子学教研室只读存储器只读存储器ROM是存储固定信息的存储器件，在正常工作时ROM存储的数据固定不变，只能读出，不能随时写入，故称为只读存储器。ROM为非易失性器件，当器件断电时，所存储的数据不会丢失。2014/4/27数字电子技术基础第八章37电子学教研室只读存储器按数据的写入方式分为固定ROM可编程ROM（PROM）可擦除可编程ROM（EPROM）2014/4/27数字电子技术基础第八章38电子学教研室固定ROM所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩模板确定，用户无法进行更改，所以也称掩模编程ROM。可编程ROM在出厂时，存储内容全为1或全为0，用户根据自己的需要进行编程，但只能写入一次，一旦写入则不能再修改。2014/4/27数字电子技术基础第八章39电子学教研室EPROM具有较强的灵活性，它存储的内容既可按用户需要写入，也可以擦除后重新写入。包括用紫外线擦除的PROM、电信号擦除PROM和快闪存储器。2014/4/27数字电子技术基础第八章40电子学教研室ROM的结构ROM具有与RAM相似的电路结构，一般而言，它由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器3部分组成。ROM存储单元可以由二极管、双极型晶体管或者MOS管构成。2014/4/27数字电子技术基础第八章41电子学教研室二极管ROM的电路组成具有2位地址输入和4位字长数据输出的二极管ROM电路如图D0～D3：位线（数据线）A1、A0：地址线W0～W3：字线输出端采用三态缓冲器2014/4/27数字电子技术基础第八章42电子学教研室二极管ROM读操作存储数据表00W0=1D’0=1D’3=02014/4/27数字电子技术基础第八章43电子学教研室在存储矩阵中字线与位线的每一个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接有二极管相当于存储1，没有接二极管则相当于存储0，经输出缓冲器后状态被反相。在存储矩阵中，交叉点的数目也就是存储单元数，即为存储容量。图8-6中存储器的存储容量为22×4。2014/4/27数字电子技术基础第八章44电子学教研室可编程ROMPROM出厂时，制作的是一个完整的二极管或晶体管存储矩阵，图中所有的存储单元相当于全部存入1。2014/4/27数字电子技术基础第八章45电子学教研室在编程时，如果需要某存储单元存入0，可通过编程器熔化该存储单元的熔丝。PROM为一次性编程器件，一旦编程后不可再进行修改。2014/4/27数字电子技术基础第八章46电子学教研室EPROM当需要对ROM进行多次编程时，可采用的器件为可擦除可编程ROM，即EPROM。EPROM一般指用紫外线擦除的可编程ROM（UVEPROM）2014/4/27数字电子技术基础第八章47电子学教研室EPROM芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板。不装透明石英盖板EPROM，只能写入一次，也称一次性编程存储器OTPROM。UVEPROM其擦除操作复杂、需离线进行，并且擦除速度慢。2014/4/27数字电子技术基础第八章48电子学教研室E2PROME2PROM可以用电信号擦除，而可在线重新写入，并且也具有非易失性。E2PROM其擦除和写入的时间仍很长，芯片正常工作时仍只能用作ROM。2014/4/27数字电子技术基础第八章49电子学教研室快闪存储器闪存采用快闪叠栅MOS管作为存储单元。闪存是目前最常见的EPROM，它已广泛用于计算机主板、显卡及网卡等扩展卡的BIOS存储器上。各种存储卡、U盘内部用的都是闪存。2014/4/27数字电子技术基础第八章50电子学教研室ROM的应用举例ROM是一种组合逻辑电路，因此可以用它来实现各种组合逻辑函数，特别是多输入、多输出的逻辑函数。2014/4/27数字电子技术基础第八章51电子学教研室设计方法列出其真值表或将表达式转换成最小项的和的形式将ROM地址线作为输入，数据线作为输出，根据表达式接入存储器件。2014/4/27数字电子技术基础第八章52电子学教研室例8-1用ROM实现以下多输出函数，并画出其存储矩阵连接图。0123YACABCDYABCBCDABCDYABCABCDYCDABC=+=++=+=+2014/4/27数字电子技术基础第八章53电子学教研室选用合适的ROM多输出函数：4个输入变量和4个输出变量选用24×4位的ROM来实现该电路。0123YACABCDYABCBCDABCDYABCABCDYCDABC=+=++=+=+2014/4/27数字电子技术基础第八章54电子学教研室将函数表示成最小项的和的形式02367111234712211415337891115(,,,)()(,,,)()(,,,)()(,,,)()YABCDmmmmmYABCDmmm