半导体存储器.pdf
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1、2013年5月Bai Tianrui 第第7章 半导体存储器与可编程逻辑器件章 半导体存储器与可编程逻辑器件 半导体存储器 只读存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM) CPLD与FPGA The Xilinx 9500-series CPLD Xilinx 4000-series FPGAs 2013年5月Bai Tianrui 掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址、等基 本概念 掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址、等基 本概念 了解了解ROM 、 RAM的工作原理的工作原理 掌握掌握ROM 、 RAM的典型应用的典型应用 了解了解CPLD、FPGA的结构及实现逻辑功能的编程 原理
2、的结构及实现逻辑功能的编程 原理 教学基本要求教学基本要求 2013年5月Bai Tianrui 7.1 半导体存储器半导体存储器 存储器基本知识 只读存储器(ROM) ROM的结构 ROM的应用 随机存取存储器(RAM) 静态、动态存储单元 RAM结构 读、写操作时序图 存储器扩展 返回返回 2013年5月Bai Tianrui 7.1.1 半导体存储器基本知识半导体存储器基本知识 存储器是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分,用来存放 数据、资料、程序等二值信息。 存储器由若干个存储单元组成。每个存储单元可以存储一 位二进制数(1bit),存储单元的总数就是存储容量。 一个存储器能够存储的
3、字节现在可以G计算。实际应用中常 以字节数和位数的乘积来表示存储器的容量。 存储容量和存取时间是衡量存储器的重要指标。 存储容量越大意味着存储的信息越多,系统的功能越强; 存取时间的长短则反映了数字系统的速度。 存储器分类: 按存储器的存储功能可分为随机存取存储器RAM和只读存 储器ROM。 按电路可分为双极型(TTL)和MOS型两种。目前所使用的 RAM多是MOS型的,因为它具有集成度高,功耗低等优点。 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器分类半导体存储器分类 Memory Arrays Random Access MemorySerial Access MemoryConte
4、nt Addressable Memory (CAM) Read/Write Memory (RAM) (Volatile) Read Only Memory (ROM) (Nonvolatile) Static RAM (SRAM) Dynamic RAM (DRAM) Shift RegistersQueues First In First Out (FIFO) Last In First Out (LIFO) Serial In Parallel Out (SIPO) Parallel In Serial Out (PISO) Mask ROMProgrammable ROM (PROM
5、) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash ROM Volatile:易失的 nonvolatile:非易失的 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器分类半导体存储器分类 只读存储器(ROMRead-Only Memory): 固定式只读存储器(ROM):所存储的信息有生产厂商通 过光刻掩模实现,一旦完成制造工序后就无法修改,适宜于 大规模生产,是一种不挥发性存储器,数据可长期保存。常 用于计算器、游戏机等 可编程只读存储器PROM(Program
6、mable ROM):可根据 用户需求写入信息,信息一旦写入(编程)即无法更改,所 以用户只能编程一次。也是一种不挥发存储器。 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器分类半导体存储器分类 非易失读写存储器NVRWM(Non-volatile read-write memory) : 这类存储器既能读出又能写入,且断电后内容能保持。 习惯称之为可擦除ROM。 可擦除型(EPROMErasable Programmable ROM):控 制栅和浮栅结构,可通过芯片上的窗口用紫外线照射擦除 原有所有信息,再写入新的内容,可反复擦除1000次以 上,擦除速度较慢。 电可擦除型(EEPROM
7、Electrical Erasable Programmable ROM):采用特殊的浮栅隧道结构,可实现选择性擦除 和改写,擦写速度较EPROM较快(秒级)。可反复改写 上百万次。 闪烁型电可擦除型(Flash EEPROM):存储单元为复栅 结构,单5V/3V电压工作,擦写速度很快(秒级),可擦 写百万次以上,信息可保存十年以上。 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器分类半导体存储器分类 随机存取存储器(RAMRandom Access Memory):这类存 储器可随机随时地对某一单元进行读取或写入操作,速度很 快(ns/s级)容量大,但一旦断电,所有信息将全部丢 失,是一
8、种易失性存储器。常用作计算机内存。 静态 RAM(SRAM Static random access memory):采用 双稳态触发器作为存储单元,在没有外界出发信号的作用 时,触发器状态不变。只要芯片不断电就可以长期保存写 入的信息。 动态 RAM (DRAMDynamic random access memory ): 利用电容对电荷的作用来存储信息。由于存储在电容上的 电荷会逐渐泄漏(严重将导致信息丢失),必须在电荷泄 漏过程中不断地恢复原由信息,是信息保持不变刷新。 DRAM存储单元元件少、单元面积小、功耗低,适合大规 模集成。但需要有复杂的刷新电路,对时序要求严格,工 作速度不如S
9、RAM快。DRAM是集成电路技术的表征。 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器分类半导体存储器分类 顺序存取存储器( SAMSequential access memory):这类存储器是非随机存取的存储器, 它的存取次序是受限的。 先进先出存储器(FIFOFirst-in first-out),如队列。 后进先出存储器(LIFOlast-in first-out),如堆栈。 移位寄存器(Shift register)。 按内容存取存储器( CAM Contents-addressable memory)。 2013年5月Bai Tianrui 存储容量(M):存储二值信息的总量
10、。 字长(位数):表示一个信息多位二进制码称为一个字,字的 位数称为字长。 存储容量(存储容量(M)字数位数字数位数 地址:每个字的编号。 字数:字的总量。字数=2n (n为存储器外部地址线的线数) 基本概念基本概念 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器结构半导体存储器结构 Word 0 Word 1 Word 2 Word n-1 Word n-2 Storage Cell m bits n words S0 S1 S2 S3 Sn-2 Sn-1 Input/Output n words n select signals Word 0 Word 1 Word 2 Word n-
11、1 Word n-2 Storage Cell m bits S0 S1 S2 S3 Sn-2 Sn-1 Input/Output A0 A1 Ak-1 Decoder 1D Memory Architecture Decoder reduces # of inputs k = log2 n 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器结构半导体存储器结构 2D Memory Architecture A0 Row Decoder A1 Aj-1 Sense Amplifiers bit line word line storage (RAM) cell Row Address Colu
12、mn Address Aj Aj+1 Ak-1 Read/Write Circuits Column Decoder 2k-j m2j Input/Output (m bits) amplifies bit line swing selects appropriate word from memory row 2013年5月Bai Tianrui 半导体存储器结构半导体存储器结构 3D Memory Architecture Row Addr Column Addr Block Addr Input/Output (m bits) Advantages: 1. Shorter word and
13、/or bit lines 2. Block addr activates only 1 block saving power 2013年5月Bai Tianrui 7.1.2 只读存储器(只读存储器(ROM) ROM的结构 用MOS管构成PROM示意图 叠栅MOS管 隧道MOS管 Flash Memory 所用的浮栅MOS管 ROM的应用 实现逻辑函数 用ROM显示十进制数 用ROM进行码制转换 返回返回 2013年5月Bai Tianrui ROM分类分类 按写入情况划分按写入情况划分 固定固定ROM 可编程可编程ROM PROM EPROM E2PROM 按存贮单元中 器件划分 按存贮单
14、元中 器件划分 二极管二极管ROM 三极管三极管ROM MOS管管ROM 2013年5月Bai Tianrui 4.5.2 Read-only memories(ROM) A d d r d o u t 32 x 8 32 x 8 ROM有32个存储单 元,字长8位 有5根地址线,8根数据输 出线 5 8 A d d r d o u t 64 x 2 6 2 A4:0 A5:0 Q7:0 Q1:0 64 x2 ROM有64个存储单 元,字长2位 有6根地址线,2根数据输 出线 2013年5月Bai Tianrui ROM结构 2013年5月Bai Tianrui ROM FG A AB AB
15、AB AB B Decoder Memory array minterms address data 地址内容地址内容 ABFG 0011 0110 1001 1110 2013年5月Bai Tianrui ROM 与 PLD F and G functions implemented with ROM is shown. F=AB+AB+AB G=AB+AB FG A AB AB AB AB B AND array Decoder Memory data: Addressdata ABFG 0011 0110 1001 1110 In a ROM, the AND array is fixe
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