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责任编辑:刘昆山

  存储器是计算机的主要组成部件,它主要是用来存储信息的。存储器的类型有很多,按存储介质分为半导体存储器磁存储器光存储器。半导体存储器芯片内包含大量的存储单元,每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分,并能存储一位二进制信息。本章只讨论半导体存储器。

一、存储器的分类: 

1.按工作方式不同:分为随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)两大类。

2.按制造工艺不同:RAM、ROM又可分为双极型半导体存储器单极型MOS存储器
  MOS型RAM又可分为静态RAM动态RAM两种。RAM中任何存储单元的内容均能被随机存取。它的特点是存取速度快,一般用作计算机的主存。 
  ROM中的内容是在专门的条件下写入的,信息一旦写入就不能或不易修改。根据信息的写入方式不同,ROM可以分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)和电可擦除可编程ROM(E2PROM)四种。在正常工作时,信息只能读出不能写入,通常用于存放固定信息。 
  掩膜ROM中的内容是在出厂前已写好的,用户不能改写;PROM可由用户以专用设备将信息写入一次,写后不能改变;EPROM可由用户以专用设备将信息写入,然后用紫外线照射擦除信息;E2PROM采用电气方法擦除信息。

  半导体存储器的分类情况如图5-1所示。

      

、随机存取存储器(RAM)

  RAM既可向指定单元写入信息又可从指定单元读出信息,且读写时间与信息所处位置无关。RAM根据制造工艺的不同可分为双极型RAMMOS型RAM,双极型RAM较MOS型RAM来说,速度高、功耗大、集成度低。在断电后,RAM中信息将消失。

1.随机存取存储器(RAM)的结构

  RAM的一般结构形式包括存储矩阵、地址译码器读写控制器三部分,并通过数据输入/输出线,地址输入线片选控制线和读写控制线与外界发生联系。
  如图5-2所示:                             

解释:存储矩阵由若干存储单元组成,一个存储单元称为存储器的一个字,它所含有的基本存储电路(二进制数)的个数称存储器的字长。存储器中的每个字都对应唯一的地址编号。外界的地址经地址译码器译出后的输出线称“字线”,它用来对存储矩阵中的存储单元进行选通。每个存储单元中的基本存储电路通过各自的连线与读/写控制器相连,该连线称存储器的“位线”。对于有n位地址和m位字长的存储器来说,共有2n×m个存储电路,即存储容量是2n×m位二进制数位。

读写过程:n位地址经地址译码器译出后,使2n条字线中的一条有效,这条有效的字线选中存储矩阵中的一个存储单元。在片选信号CS=1,=1,被选中单元的m个基本存储电路通过m根位线向外界读出存储单元的内容;当CS=1,=0时,由外界通过m根位线向选中的存储单元写入新内容。当CS=0时,RAM禁止读写操作。   


2.静态RAM(SRAM)

             

  能存储一位二进制数的基本单元称基本存储电路。在电源供电的情况下,所存的信息能稳定保持,不需要进行定时“刷新”的基本存储电路称为静态存储电路,由它构成的RAM称静态RAM。静态存储电路有双极型MOS型两种,这里以MOS为例。

电路说明:MOS型静态RAM的基本存储电路如图5-3所示,它由虚线框内的6个NMOS管组成。T1、T3两个反相器交叉耦合构成一个基本RS触发器,用于存储一位二进制信息,T2、T4 是负载管,Q和是触发器的一对互补输出。                         若Q=1,=0,则表示存储的信息是1,若Q=0,=1,表示存储的信息是0。T5、T6受行选线Xi控制,当Xi=1时,T5、T6导通,触发器中存储的信息Q和分别送到位线D和。T7、T8受列选线Yi控制,当Yi=1时,T7、T8导通,位线D和上的信息分别被送到输出线I/O和,从而使触发器的Q和与外界数据线相通。

读写过程:读操作时,使行选线Xi、列选线Yi均为1,触发器存储的信息由Q和经D和从I/O和读出。写操作时,使行选线Xi、列选线Yi均为1,同时将要写入的数据加在I/O和上(要写1,使I/O=1、=0;要写0,使I/O=0,=1),经D和、Q和加到T3、T1的栅极上,使触发器存入相应的信息。信息一旦写入,只要不断电,触发器保持不变。

3.动态RAM(DRAM

  动态RAM的基本存储电路是利用MOS管栅-源间电容对电荷的暂存效应来实现信息存储的。因为电容存在漏电阻,为避免信息的丢失,必须给电容补充漏掉的电荷,这一操作称为“刷新”。

  常见的MOS存储电路有单管电路、三管电路四管电路。目前大容量的动态RAM大多采用单管MOS动态存储电路。
           

 电路如图5-4所示:( Cs用于存储信息,T为门控管。)

读写过程:                                    写入数据时,使字选线为1,门控管T导通。来自数据线D的待写入信息经由位线存入电容Cs。写入1时,位线为1。电容Cs充电;写入0时,位线为0,电容Cs放电。 
 读出数据时,使字选线为1,门控管T导通。若电容Cs上有电荷,便会通过位线的分布电容CD放电,位线上有电流流过,表示读出信息1;若电容Cs上无电荷,位线上没有电流流过,表示读出信息0。

三、只读存储器(ROM)

  ROM中的信息在正常工作时只能读出不能写入,断电后,信息仍保持,用于存放固定的信息,电路结构较RAM的简单。                             根据制造工艺的不同,可将ROM分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)和电可擦除可编程ROM(E2PROM)。

1.只读存储器的结构

  ROM的一般结构由地址译码器、存储矩阵和读出电路三部分组成。                   

图5-5说明:n位地址经译码器译出后使2n条字线中的一条有效,它选中存储矩阵2n个存储单元中的一个。通过被选通单元的m个基本存储电路的位线,即可读出存储单元的内容。对于有n位地址和m位字长的ROM来说,它的存储容量为2m位。

2.只读存储器(ROM)的基本耦合单元
  ROM的基本耦合单元有二极管、三极管MOS管。 
  掩膜ROM中的信息在制造过程中通过掩膜工艺存入,用户不能进行修改。它适用于大批量生产。
  PROM在出厂时,其中所有的基本耦合单元全通或全断,即内容为全1或全0。用户可以使用专门设备将自己的数据写入PROM中,数据一旦写入就不可修改。PROM相当于由用户自己完成ROM生产中写入信息的工序,它适用于小批量生产。
  常见的PROM基本耦合单元是熔丝型。PROM在出厂时,每个字线位线交叉处接有带熔丝的三极管或MOS管,如图5-8: 

      

  用户写入信息时,通过地址线和要写入的数据内容有选择的将某些耦合管的熔丝用规定的脉冲电流烧断,而其余耦合管的熔丝则保留。对三极管来说,熔丝通表示1,断表示0;而MOS管正好相反。
  EPROM的基本耦合单元采用浮栅雪崩注入MOS管,又称FAMOS管。FAMOS管的栅极完全被二氧化硅绝缘层包围,无导线外引呈悬浮状态,故称为浮栅。图5-9所示由N沟道FAMOS管构成的EPROM基本耦合单元。

               

解释:EPROM出厂时,所有FAMOS管的浮栅不带电荷,FAMOS管不导通,位线呈现1态;若FAMOS管漏极D接25V高压,则漏源间瞬时产生雪崩击穿,浮栅累聚正电荷,使FAMOS管导通,位线呈现0态。待高压撤销后,由于浮栅中的电荷无处泄漏,所存信息不会丢失。
  EPROM中写入内容后,必须用不透光的胶纸将芯片上的石英玻璃窗口封住,以免所存信息丢失。若用紫外光照射EPROM芯片上的石英玻璃窗口,10~20分钟后,所有FAMOS浮栅中的电荷都会消失,EPROM恢复到全1的状态,又可写入新的内容。

3.只读存储器的应用

  ROM中地址译码器由与门阵列构成,存储矩阵由或门阵列构成。地址译码器的每一根字线输出实际上对应地址编码输入的一个最小项,每一根位线输出相当于若干个最小项之和。任何组合逻辑电路都可以表示为最小项之和的形式,所以可以用ROM实现。

举例:用ROM实现二进制码转换为格雷码

           

  表5-2列出二进制码转换为格雷码的真值表,将表中的二进制码B3~B0作为ROM译码器的地址输入,译码器输出字线M0~M15相当于输入变量组合的最小项,格雷码中的每一位G3~G0相当于函数的输出变量。将每一个输出变量所对应的的最小项之和在相应的字线、位线交叉处标以小黑点,便得到图5-10所示的ROM阵列逻辑图。

           
  由上面可知用ROM设计组合电路的过程不需函数化简,而且,ROM芯片的集成度较高,用它实现逻辑的电路可以减少芯片数。

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5.2可编程逻辑器件
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