合肥工业大学：《数字电子技术基础》课程教学资源（课件讲稿）第七章 半导体存储器

本章内容 电子科学与应用物理学院 ② 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 个机江登大季 电子科学与应用物理学院 ② 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，也介绍了存储器扩展容量的连接方法以及用存 储器设计组合逻辑电路，重点放在这里。 2 个机五营大举 1

1 1 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 1 1 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 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 2 2 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，也介绍了存储器扩展容量的连接方法以及用存 储器设计组合逻辑电路，重点放在这里

奔4处理器中的SRAM 电子科学与应用物理学院 ② Intel Pentium 4 with 0.09 nm technology The Intel Pentium4 Processor Takes A Leap Forward,Delivering... 400H intel 3 电子科学与应用物理学院 ② McKinley微处理器中的SRAM Ioteger Uni -32 Engine 四 n Load GKB LID Cache Data 56K8 L2 Cache Bus Logic 3MBL3 Cache and Lantro McKinley microprocessor 4 2

2 3 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 3 3 奔4处理器中的SRAM 4 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 4 4 McKinley微处理器中的SRAM

电子科学与应用物理学院 ② Power6@2007.5 5 电子科学与应用物理学院 ② Power 6@ 2007.5 ·POWER6包含7.9亿个 晶体管。上图中的金色 小突起就是两个。使用 了IBM发明的纳米级电 子扫描显微镜。 ·POWER6是64位双 核，频率4.7GHz。二 级缓存是8MB。片外三 级缓存32MB。 3

3 5 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 5 5 Power 6 @ 2007.5 6 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 6 6 Power 6 @ 2007.5 • POWER 6包含7.9亿个 晶体管。上图中的金色 小突起就是两个。使用 了IBM发明的纳米级电 子扫描显微镜。 • POWER 6是64位双 核，频率4.7GHz。二 级缓存是8MB。片外三 级缓存32MB

电子科学与应用物理学院 ② IBM Power 7@2010.2 POWER7 BUILT ON Mem C TM Power 7.1概述 电子科学与应用物理学院 ② L.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7.11所示。 址输入 地址译码器 存储矩阵 输入\出电路 I/O 输入/出控制 图7.1.1 8 4

4 7 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 7 7 IBM Power 7 @ 2010.2 8 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 8 8 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7.1.1

7.1概述 电子科学与应用物理学院 2.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10位/片，一些高速存储 器的存取时间仅10ns左右。 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-Only Memory,.简称ROM)和随机存储器(Random Access Memory,.简称RAM)。 9 合他以登表号 7.1概述 电子科学与应用物理学院 a.ROM: 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。 ROM可分为掩模ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory,简称PROM)和可擦除的可编 程ROM（Erasable Programmable Read-Only Memory,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。 10 个机五营大坚 5

5 9 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 9 9 2.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－Only Memory，简称ROM）和随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）。 10 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 10 10 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 ： ROM可分为掩模ROM、可编程ROM（Programmable Read－Only Memory，简称PROM）和可擦除的可编 程ROM（Erasable Programmable Read－Only Memory，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

7.1概述 电子科学与应用物理学院 ② *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）。 **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. 11 7.1概述 电子科学与应用物理学院 b.随机存储器RAM(读写存储器) 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(Static Random Access Memory, 简称SRAM)和动态存储器（Dynamic Random Access Memory,简称DRAM) 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。 12 个施五营火坚 6

6 11 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 11 11 ***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)。 12 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 12 12 b.随机存储器RAM（读写存储器） 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（Static Random Access Memory， 简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，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

7.1概述 电子科学与应用物理学院 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。 (2)从制造工艺上分类 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。 13 ○个机2营大季 7

7 13 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 13 13 （2）从制造工艺上分类 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。 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。 7.1 概述

本章内容 电子科学与应用物理学院 ② 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 7.2只读存储器(ROM) 电子科学与应用物理学院 ② 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。 L.ROM的组成： ROM电 路结构包含存 储矩阵、地址 存储矩阵 译码器和输出 址输入 地址译码器 输出缓冲器 数据输出 缓冲器三个部 分，其框图如 三态 图7.2.1所示 控制 图7.2.1 12 不他 1

1 1 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 1 1 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 2 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 2 2 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7.2.1

7.2.1掩模只读存储器 电子科学与应用物理学院 ② a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。 址 地址译码器 存储矩阵 输出缓冲器 数据输出 三态 控制 图7.2.1 合他玉登我尽 7.2.1掩模只读存储器 电子科学与应用物理学院 ② 址输入 地址译码器 存储矩阵 输出缓冲器 数输出 三态 控制 b.地址译码器 图7.2.1 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 c输出缓冲器 输出缓冲器的作用提高存储器的负载能力，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 4 2

2 3 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 3 3 a.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7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器 4 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 4 4 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7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器

7.2.1掩模只读存储器 电子科学与应用物理学院 ② 2.二极管ROM电路 图7.2.2 地址译码器 山一然出山 输出缓冲器 D D 存储矩达 d EN 5 7.2.1掩模只读存储器 电子科学与应用物理学院 ② 其中： 图7.2.2 地址译码器是由4个二极 管与门组成，A1、A称 为地址线，译码器将4个 地址码译成W。~W34根 地址译码器 e1 线上的高电平信号。 W。~W叫做字线。 存储矩阵是由4个二极管 输出缓冲器 或门组成的编码器，当 d D W。~W,每根线分别给出 存储矩阵 D 高电平信号时，都会在 W D D,~D34根线上输出二进 D 制代码，D,~D3称为位 EN 线（或数据线） 3

3 5 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 5 5 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 6 电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics 6 6 其中： 地址译码器是由 4个二极 管与门组成， A 1 、 A 0 称 为地址线，译码器将 4 个 地址码译成 W 0 ～ W3 4 根 线上的高电平信号。 W0～W3叫做字线。 图7.2.2 7.2.1 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， D 0 ～ D 3称为位 线（或数据线）