第14章 存储器与可编程逻辑器件.doc
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1、第14章 存储器与可编程逻辑器件本章将主要介绍各种半导体存储器的功能组成及其工作原理。内容有存储器的概念,随机和只读存储器的功能、结构与应用,可编程逻辑器件的结构、工作原理、功能与应用。14.1 半导体存储器概述半导体存储器是一种能存储大量信息的器件,它是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分,而且能存储一位(或一组)二进制信息,半导体存储器是目前应用最广泛的存储器件。 14.1.1 存储器的技术指标存储容量、存取时间是存储器的两个主要技术指标。 1. 存储容量存储容量表示存储器存放二进制单元的多少,一般来说,存储容量就是存储单元的总数,一组二进制信息称为一个字,而一个字
2、由若干位(Bit)组成,若一个存储器由N个字组成,每个字为M位,则存储器的容量为NM,单位是二进制的位。例如一个存储单元有1K字,每个字的字长是4位,则该存储器的容量是4096位二进制单元。存储容量越大越好,目前动态存储器的容量已经达到109位/片。 2. 存取周期 存储器的性能基本上取决于从存储器读出信息和把信息写入存储器的速率。 存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征,把连续两次读(写)操作间隔的最短时间称为存取周期。存取周期越短越好,目前高速随机存储器的存取周期仅10ns左右。14.1.2 半导体存储器的分类 半导体存储器的种类很多,从信息的存取情况来看,半导体存储器可分为随机存储器
3、和只读存储器两大类。 随机存储器在正常工作状态下可以随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据,其英文名称为:Random Access Memory,缩写为RAM。在断电后,RAM中的信息会丢失。 只读存储器在正常工作时,存储器中的数据只能读出,不能写入。只读存储器的英文名称为:Read Only Memory,缩写为ROM。在断电后,ROM中的信息不会丢失。从电路的器件构成情况来看,半导体存储器可分为双极型和MOS型两大类。MOS型随机存储器又可分为静态存储器和动态存储器两种。ROM根据制造工艺的不同也可分为多种。目前市面上的存储器:MROM,内容是工厂预先做好的,用户不能
4、改写的只读存储器。PROM,可以一次编程的只读存储器。EPROM,可用紫外线擦除的可改写的只读存储器,E2ROM,电擦除的可改写的只读存储器。SROM,静态存储器。DROM,动态存储器。非易失性RAM,由SRAM和E2ROM组成,正常工作时,用SRAM存取,当断电时数据转移到E2ROM中。高速数据不挥发SRAM,采用锂电池供电,数据可以保持10年以上。Flash Memory,闪速存储器,类似于E2ROM,但是具有容量大,使用方便的优点。只读存储器电路比较简单,集成度较高,成本较低,而且具有一个重要的优点,就是当断电以后,它的信息是不会丢失的,是一个永久性的存储器。所以,在计算机中,尽可能把一
5、些管理程序、监控程序等不需要修改的程序放在ROM中。14.2 只读存储器14.2.1 只读存储器的组成ROM存储器一般由存储矩阵、地址译码器、输出缓冲器三个部分组成,如图14-1所示。存储单元可以用二极管构成,也可以用双极型三极管或MOS管构成,每个存储单元也有一个唯一的地址编码。地址译码器的作用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。输出缓冲器的作用有两个,一是能提高存储器的带负载能力,二是实现对输出状态的三态控制,以便与系统的总线连接。存储矩阵是由存储单元组成,PROM、EPROM、E2ROM和FLASH存储器都具有
6、地址译码器、输出缓冲器和存储矩阵,它们之间的区别就是存储单元不同以及擦除、写入和读出方法不同。图14-1 ROM的电路结构框图14.2.2 只读存储器内部结构 1. ROM的结构图14-2是一个具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路,它的存储单元使用二极管构成。它的地址译码器由二极管与门组成,2位地址代码A1A0可以给出4个不同的地址。地址译码器将这4个地址代码分别译成W0W3这四根线上的高电平信号。存储矩阵是由二极管或门组成的,当在W0W3的某根线上给出高电平信号时,都会在D3D0这4根线上输出一个4位二值代码。通常将每个输出代码称为一个“字”,并把W0W3叫做字线,把D3D0叫做位线
7、(或数据线)。表14 -1 只读存储器存储的数据输入地址数 据0 01 1 0 10 10 0 1 11 00 1 0 01 11 1 1 0在读出数据时,只要输入指定的地址码,则指定地址内各存储单元所存的数据便会出现在输出数据线上。例如A1A0=00时,W0=1,而其它字线均为低电平,可在数据输出端得到D3D2D1D0=1101。全部4个地址存储的数据列于表14-1中。由此可知,字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元。交叉点处有二极管时相当于存1,没有二极管时相当于存0。交叉点的数目也就是存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储容量,写成字数位数的形式。例如上例中ROM的存储容量为
8、44(4个字4位)。ROM电路的与-或矩阵除用二极管外,还可用三极管和MOS管构成。为了简化ROM电路,可将图14-2所示电路简化成图14-3所示的 ROM电路图。图中将不再画出电源电阻二极管(或三极管MOS管),只在与-或矩阵交叉线处加黑点表示有存储元件(在真值表上表示1);不加黑点表示无存储元件(在真值表上表示0)。这种简化图又称为“ROM阵列逻辑图”,它与ROM电路真值表有一一对应的关系。 2. ROM应用举例在实际应用中,ROM可用于实现组合逻辑函数、在计算机中存放固定程序和各种函数表、以及在自动控制中实现微程序控制器等。由图14-2二极管ROM的结构图可以看出,译码器的输出包含了全部
9、输入变量的最小项,而每一位数据的输出又都是这些最小项之和。这表明ROM可实现组合逻辑网络的功能,在它的输出端可以得到n个输入变量的全部最小项之和。由于或门的输入信号是可编程的,所以在ROM的任一个输出端都可以实现n变量的逻辑函数,下面举例说明。图14-2 二极管ROM的电路结构图图14-3 44 ROM 结构图 例14-1 试用ROM 设计实现下列逻辑函数的功能。 解:由条件可知,输入地址是3位,输出数据是8位。因此可得到图14-4的ROM简化矩阵。图14-4 例14-1的ROM简化矩阵14.2.3 各种ROM存储单元 ROM存储单元除用二极管构成外,还可以用三极管和MOS管构成。1. 掩模只
10、读存储器(MROM)图14-5 熔丝型PROM存储单元掩模ROM中的内容是在制造过程中写入的,出厂后用户不能再对其进行修改。在制作掩模ROM的过程中,主要是根据用户的要求制作掩模,掩模ROM适合大批量定型产品的生产。2. 一次可编程只读存储器(PROM) PROM的总体结构与掩模ROM一样,同样由存储矩阵、地址译码器和输出电阻组成,不过在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储单元,就是在所有的存储单元都存储了1。图14-5是熔丝型PROM存储单元的原理图,它由一只三极管和串联在发射极的快速熔断丝组成。三极管的be结相当于接在字线和位线之间的二极管,熔丝多用低熔点合金制成。在写入数据时
11、利用大电压产生大电流在需要写入0的单元将熔丝烧断就可以了。 3. 可擦除可编程只读存储器(EPROM)EPROM为可擦除可编程只读存储器,它可反复使用多次,灵活、方便,深受用户欢迎。目前多用叠栅注入型MOS管(称为SIMOS管)构成EPROM的存储单元。SIMOS管与符号如图14-6所示。它是一个N沟道的增强型MOS管,有两个重叠的栅极控制栅极Gc和浮置栅极Gf,控制栅用于控制读出和写入,浮置栅极用于保存电荷。在浮置栅极上未注入电荷以前,在控制栅上加上正常的高电平能够使漏源之间产生导电沟道,SIMOS管导通,反之在浮置栅极上注入了负电荷以后,必须在控制栅上加上更高的电压才能抵消注入电荷的影响形
12、成导电沟道,所以在控制栅极加正常的电压将不能使SIMOS管导通。向浮置栅注入电荷:当漏源之间加上2025V的电压,将会发生雪崩击穿现象,若在此情况下在控制栅极加上25V电压,宽度为50ms的脉冲,则在栅极电压的作用下,一些速度高的电子就会穿越SIO2层到达浮置栅,被浮置栅捕获而称为注入电荷,浮置栅上有注入电荷相当于写入了1。使用SIMOS管的存储单元见图14-7。图14-6 SIMOS管的结构和符号 图14-7 使用SIMOS的存储单元EPROM芯片封装时表面都有一个石英玻璃透明窗口。用专门的设备(如紫外线擦除器)使芯片窗口受到紫外线照射时,所有电路中的浮动栅上的电荷获得能量会形成光电流泄漏走
13、,使管子恢复初始状态,从而把原先写入的“”信息擦去。经过照射后的EPROM,还可以用专门的设备(EPROM写入器)把所需要的信息再写入,然后用黑纸或黑胶布把小窗口贴上,以防紫外线把其中的内容擦掉。要注意,编程后的芯片在阳光的影响和室内日光灯的照射下,经过3年时间在浮栅的电荷可泄漏完。若在太阳光直射下,约一个星期电荷可泄漏完。所以,在正常使用和储藏时,应在芯片窗口上贴上黑色的保护纸。 4. 电可擦可编程只读存储器(EEPROM)EPROM芯片的擦除需要将芯片取下,用紫外线照射十几分钟,而且是整片擦除,相对来说改写操作速度慢、不方便。随着电子技术的发展,又出现了一种称为电可擦除可编程只读存储器,简
14、称EEPROM或E2PROM,其存储信息的原理类似EPROM,但擦除的原理不同。EEPROM是通过在存储信息的MOS管的源极和漏极之间加一个较高的电压,使浮栅上的电荷跑掉。它可以整片擦除,也可以擦除指定的单元。EEPROM具有EPROM只读存储器可重编程的特点,又具有擦除速度快、可按单元擦除的优点E2PROM的存储单元中采用了一种叫做浮栅隧道氧化层MOS管,简称Flotox管,结构和符号见图14-8。Flotox管与SIMOS管相似,也是N沟道增强型MOS管,有两个栅极控制栅极Gc和浮置栅极Gf,但是Flotox管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的(厚度小于210-8m)区域,这个区域称为隧
15、道区,当隧道区的电场强度大于107V/cm时,就会形成导电隧道,电子可以双向通过,形成电流,这种现象称为隧道效应。图14-9是用Flotox管组成的存储单元,其中T1管是Flotox管,而T2管是普通N沟道增强MOS管,该管的作用是选通。根据浮置栅上是否充有负电荷来区分单元的1或0状态。 图14-8 Flotox 管的结构和符号 图14-9 Flotox管组成的存储单元 图14-10 快闪存储器中的叠栅MOS管 图14-11 快闪存储器的存储单元5. 快闪存储器(Flash Memory)从以上可知,E2PROM的存储单元使用两只MOS管,所以限制了它的集成度的提高。而快闪存储器采用了一种类似
16、叠栅结构的存储单元,使集成度更高。快闪存储器采用叠栅MOS管的结构和符号如图14-10所示。快闪存储器的叠栅MOS管与SIMOS管极为相似,两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同,在EPROM中这个氧化层的厚度一般为3040nm,而在快闪存储器中仅为1015nm。而且浮栅与源区重叠部分的面积极小,因而浮置栅源区之间的电容比浮置栅控制栅间的电容小的多。当控制栅和源极之间加上电压时,大部分降落在浮置栅与源极之间的电容上。快闪存储器的存储单元如图14-11所示。写入过程:在写入状态下,叠栅MOS管的漏极经位线接到一个6V左右的高电压,VSS接0V,同时在控制栅上加一个12V、宽度为10s的正
17、脉冲,这时,漏极和源极之间出现雪崩击穿,部分速度高的电子就穿过氧化层到达浮置栅,形成浮置栅充电电荷,当浮置栅充电后,需要7V以上的控制栅电压才能使漏源极之间形成导电沟道,为正常的电压时不能使它导通。擦除过程:在擦除状态下,控制栅为0电平,同时在源极VSS加入幅度为12V、宽度为100ms的正脉冲。这时在浮置栅与源极之间将出现隧道效应,使浮置栅上的电荷经过隧道区释放。浮置栅电荷放掉之后,控制栅只要2V的电压就能在源极在漏极之间的形成导电沟道。由于片内所有叠栅的栅极是连在一起的,所以全部存储单元同时被擦除。自快闪存储器问世以来,便以高集成度、大容量、低成本等优点引起关注。在存储器领域,它很有可能取
18、代软磁盘、硬盘和光盘等产品。14.2.4 实际的ROM存储器1. EPROM芯片EPROM可作为微机系统的外部程序存储器,其典型产品是2716(2K8)、2732(4k8)、2764(8k8)、27128(16k8)、27256(32k8)、27512(64k8)。这些型号的EPROM都是NMOS型,与NMOS相对应的CMOS型EPROM分贝为27C16、27C32、27C64、27C126、27C256、27C512。NMOS与CMOS型的输入与输出均与TTL兼容,区别是CMOS型EPROM的读取时间更短、消耗功率更小。例如27C256的最大工作电流30mA,最大维持电流1mA,而27256
19、的最大工作电流为125mA,维持电流40mA,可见27C256比27256小的多。27系列的EPROM引脚图如图14-12所示。各个引脚功能如下:A0A15:地址输入线Q0Q7:三态数据总线,读或编程校验时为数据输出线,编程时为数据输入线,维持或编程禁止时呈高阻态。:片选信号输入线,低电平有效。PGM:编程脉冲输入端。: 读数据使能端,低电平有效。VCC:为主电源(+5V)。VPP:为编程电源线,数值因芯片型号和制造厂商不同而不同。GND:地线。其中:2716/2732的和PGM合用一个管脚,2732/27512的和VPP合用一个引脚。EPROM的主要工作方式:(1)读方式:系统一般就工作于这
20、种方式,工作于这种方式的条件是:片选端和输出使能端为低电平。(2)维持方式:芯片进入维持方式的条件是:片选端为高电平,这时数据端为高阻状态。(3)编程方式:进入编程方式的条件是:VPP端加编程电压,和端加合适电压(不同芯片要求的电平不同)。(6)禁止输出方式:虽然=0,芯片被选中,但是=1使三态门输出高阻态,禁止输出。图14-12 EPROM存储器芯片2. E2PROM芯片目前常用的E2PROM分为并行和串行两类,并行E2PROM在读写时通过8条数据线传输数据,传输速度快,使用简单,但是体积大,占用的数据线多;串行E2PROM的数据是一位一位的传输,传输速度慢,使用复杂,但是体积小,占用的数据
21、线少。并行E2PROM的型号很多,有2816(2k)、2817(2k)、2817A(2k)、2864A(8k)、28C64A(8k)、2864B(8k)、28C64B(8k)等,其中2816和2817是早期型号,对它们的擦除和写入须外接21V的VPP电源。其余为改进产品,把产生VPP的电源做在芯片里,无论擦除还是写入均用单一的5V电源,外围电路简单,这些E2PROM的写入次数一般是1万次,个别产品10万次。 14.3 随机存储器计算机的主存储器一般都采用MOS型随机存储器,MOS型随机存储器根据存储单元的工作原理,可分为静态RAM和动态RAM两种。静态RAM存放的内容,在不停电的情况下能长时间
22、保留不变;动态RAM的内容,即使在不停电的情况下,隔一定时间之后(即若干毫秒)也会自动消失,因此在消失之前要将原内容重新写入,称为刷新。静态存储器使用方便、简单,存取速度高,但动态存储器具有集成度高、价格便宜、体积小和耗电省等优点。在计算机中大容量存储器一般采用动态存储器,在容量小、速度要求高的场合才选用静态存储器。14.3.1 随机存储器的组成 存储器一般由存储体、地址译码驱动器、读/写放大器和控制电路组成,如图14-13所示。1. 存储体存储体是存储器的核心部件,是许多存储单元的集合。如果存储体有m个存储单元,每个存储单元可存储n位二进制数,则存储体由mn个存储单元电路组成。在较大容量的存
23、储器中,常常把各个存储单元的同一位组织在一块大规模集成电路芯片中(存储器芯片)。例如可把4096个存储单元的同一位组织在一块40961的芯片中,用16块这样的芯片就可组成容量为409616的存储器。在一块存储器芯片中,存储单元电路通常排成矩阵的形式,例如6464,表示排列成64行、每行64列的矩阵。图14-13 存储器的基本组成2. 地址译码驱动器 地址译码器对地址译码后产生相应的选择驱动信号,以便选中所需的存储单元进行操作。地址译码有单译码和双译码两种方式。单译码方式(又称一维地址译码方案或线选方案)只有一个地址译码器,由它对全部地址进行译码,译码器的输出线称为字选择线,每个地址都对应一根字
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