存储器与可编程逻辑器件.docx
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存储器与可编程逻辑器件
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N×M，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：
RandomAccessMemory，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：
ReadOnlyMemory，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。
FlashMemory，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14-1ROM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W0～W3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W0～W3的某根线上给出高电平信号时，都会在D3～D0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W0～W3叫做字线，把D3～D0叫做位线（或数据线）。
表14-1只读存储器存储的数据
输入地址
数据
00
1101
01
0011
10
0100
11
1110
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4×4（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14-34×4ROM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.掩模只读存储器（MROM）
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20~25V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14-6SIMOS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，使管子恢复初始状态，从而把原先写入的“０”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2×10-8m）区域，这个区域称为隧道区，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14-8Flotox管的结构和符号图14-9Flotox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（FlashMemory）
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30~40nm，而在快闪存储器中仅为10~15nm。
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10μs的正脉冲，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（2K×8）、2732（4k×8）、2764（8k×8）、27128（16k×8）、27256（32k×8）、27512（64k×8）。
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：
A0~A15：
地址输入线
Q0~Q7：
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14-12EPROM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m×n个存储单元电路组成。
在较大容量的存储器中，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4096×1的芯片中，用16块这样的芯片就可组成容量为4096×16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64×64，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选择线，直接选中某个存储单元的所有位进行操作。
这种方式需要较多的选择线，只适用于容量较小的存储器。
双译码方式（又称二维地址译码方案或重合译码方案）把地址分成X行（高位）和Y列（低位）两部分，用两个译码器分别译码，输出线分别称为行选择线和列选择线，每个X地址和Y地址都对应有一根行选择线和列选择线。
在存储体中，行列位置同时被选中的那个存储单元才可进行读写，这种交叉选择的结果，保证了要读写的存储单元的唯一性，同时减少了选择线的数目。
例如，设地址码有12位，对应有212=4096个地址。
若采用单译码方式，则需要212=4096根字选择线。
若采用双译码方式，X、Y地址都是6位，则行、列选择线均为26根，总数需要2×26=128根，选择线数量大为减少。
双译码方式适用于大容量存储器，因而使用很广。
3.读写放大器
读写放大器处于数据总线与被选中的存储单元之间，可用来对选中单元的各位同时进行数据的读出或写入，并具有放大信息的作用。
4.控制电路
由于集成度的限制，每个存储器芯片的存储容量是有限的，这样对于一个较大容量的存储器，往往需要一定数量的芯片组成。
每个芯片上有一个控制输入信号叫“片选”，用于对芯片进行选择。
当它有效时，该芯片才能将输入数据写入或把数据读出放在数据总线上。
片选信号仅决定芯片是否工作，而芯片执行读还是写则由读写信号控制。
图14-14给出一个简单的片选与读写控制电路。
图14-14片选与读写控制电路
当片选信号=1时，G4、G5输出为0，三态门（G1、G2、G3）均处于高阻状态，输入/输出（I/O）端与存储器内部隔离，存储器不工作。
而=0时，芯片被选通，此时根据读/写信号（R/W）的高低，执行读或写的操作。
当
=1时，G5输出高电平，G3被打开，于是被访问单元所存储的信息出现在I/O端，存储器执行的是读操作；反之，当
=0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加到I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，并被存放到所选中的存储单元中，完成写操作。
注意，每个芯片和数据总线相连的数据线有三种状态：
即“0”、“1”或“高阻状态”，只有选中的芯片在逻辑上才能和数据总线相连，其他芯片均处于高阻状态（即相当于断开），因而不会造成数据总线上信息的混乱。
数据的输入和输出通道是共用的，读出时，它是输出端，写入时它又是输入端。
读操作与写操作是分时进行的，读的时候不允许写，写的时候不允许读。
14.3.2各种RAM存储单元电路
存储器中用来存放一位二进制信息“0”或“1”的电路称为存储单元电路。
MOS存储单元电路具有集成度高、制造容易、功耗低等优点，被广泛使用。
静态MOS存储单元电路是利用一个双稳态触发器电路来存储信息的，动态MOS存储单元电路则是利用电容上有无电荷来表示信息的。
1.静态MOS存储单元电路
图14-15给出的是一种六管静态MOS存储器单元电路。
图中N沟道增强MOS管T1、T3和P沟道增强MOS管T2、T4组成一个双稳态触发器，它能存储一位二进制信息代码。
T5、T6称为门控管，相当于两个开关，由字线Xi（即行选择线）控制，不工作时，字线处于低电位，T5、T6截止，因而位线b、b’与存储单元电路隔离。
写入时，字线Xi加上高电位，使T5、T6同时导通，如果要写“1”，在位线b加上低电位，迫使T1管截止、T2管导通，B点成为高电位；使T3管导通、T4管截止，A点为低电位，触发器处于“1”状态，实现写入“1”的操作。
写“0”的过程是类似的。
读出时，在字线上加高电位，这时T5、T6同时导通。
如果原存“1”（T1截止、T3导通），将有电流从位线b流入T6、T3管到地。
如果原存“0”（T1导通、T3截止），电流从b’流入T5、T1到地。
在位线上连接的读出放大器接收到不同的读出信号后将输出相应的信息“1”或“0”。
图14-156管存储单元
2.动态MOS存储单元电路
动态MOS存储单元电路有四管、三管和单管的。
为了提高存储器的集成度，大容量的动态MOS存储器都是由一个MOS管和一个电容构成的单管动态MOS存储单元电路组成的。
单管动态MOS存储单元电路是依靠电容存储电荷或不存储电荷的两个状态来记忆信息“1”或“0”的，电路如图14-16所示。
在保存信息时，行选择线X处于低电位，MOS管T截止，电容C与外部电路断开，即不能被充电，也不能放电，将保持原状态不变（有电荷表示存“1”，无电荷表示存“0”）。
写入时，行选择线处于高电位，MOS管T导通。
如果列选择线也为高电平，则存储单元电路被选中，数据线送来的信息通过读出放大器和MOS管T送到电容C，写“1”时，位线B为高电平，经T对C充电，C上便有电荷；写“0”时，位线为低电平，电容C可经T放电，使C上无电荷。
读出时，行选择线X为高电位，使MOS管T导通，如原存“1”，则C上电荷经位线B（即读出线）向读出放大器（又称刷新放大器）放电，产生读“1”的输出信号，当列选线也为高电平时，该存储元件读出的信息可送到数据总线上。
如原存“0”，C上无电荷，不产生读出电流，因此也无输出信号，即读出为“0”信号。
为了在读出后，仍能保证原存的信息不变（由于读出是破坏性的），读出放大器读出之后又自动立即重写，使每次读出后电容C上的电荷又恢复到原来的数值，这就是所谓的“再生”。
由于电容存在漏电流，电容C上的电荷将逐渐泄漏掉，这将使存入的信息丢失。
因此在实际使用中，必须定期的（典型的时间间隔为2ms）给电容充电，以补充丢失的电荷，这一过程称为刷新。
动态MOS存储器比静态MOS存储器集成度高，功耗低，价格便宜。
但速度不如静态MOS高，而且需要刷新电路。
14.3.3静态存储器芯片的内部组成
存储器芯片是构成存储系统的基本部件，现已形成各种不同的规格、型号。
其规格表示法是“单元数×位数”。
如果某一芯片的规格为1024×4，表明该芯片为1024个存储单元，每个单元为4位；若芯片规格为4096×1，则表明该芯片为4096个存储单元，每个单元只有1位。
1.单译码的芯片
只用一个译码器将n位地址同时译码，产生2n个译码输出，每根输出线选中一个单元。
图14-17是64字×4位的单译码方式存储器。
图中每一个方框为一个存储单元电路，存储阵列中的每一行是一个存储单元，每一列是所有存储单元的同一位，一个单元有4位就对应4列，选择一个存储单元就是选择一个字，所以地址译码器输出的选择线叫字线（共64根字线）。
字线选择某个字所有位，每一位通过各自的列线读出/写入数据，所以列线称为位线，
位线是各单元公用的。
由于某个时刻译码输出只有一个字被选中，所以每根位线上只有一位二进制信息传送。
图中有6位地址A0～A5，当A
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