第7章半导体存储器
内容提要
半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。

（2）各种存储器的存储单元。

（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。

（4）半导体存储器芯片的应用。

教学基本要求
掌握：
（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。

（2）存储器的技术指标。

（3）用ROM实现组合逻辑电路。

理解SAM、RAM和ROM的工作原理。

了解：
（1）动态CMOS反相器。

（2）动态CMOS移存单元。

（3）MOS静态及动态存储单元。

重点与难点
本章重点：
（1）SAM、RAM和ROM的功能。

（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。

（3）用ROM实现组合逻辑电路。

本章难点：动态CMOS反相器、动态CMOS移存单元及MOS静态、动态存储单元的工作原理。

7.1 半导体存储器及分类
半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的重要组成部分。

半导体存储器分类如下：
按制造工艺分，有双极型和MOS型两类。

双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。

MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。

按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）三类。

（1）顺序存取存储器（简称SAM）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。

（2）随机存取存储器（简称RAM）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。

根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将
随机存储器分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。

DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。

（3）只读存储器（简称ROM）：信息被事先固化到存储器内，可以长期保留，断电也不丢失。

它在正常运行时，只能读出信息，而不能写入。

只读存储器有固定ROM和可编程ROM两类。

可编程ROM 又有一次可编程ROM（简称PROM）、光可擦可编程ROM（简称EPROM）、电可擦可编程ROM（简称EEPROM或E2PROM）、快闪存储器（Flash Memory）等几种类型。

7.2 顺序存取存储器（SAM）
SAM主要由动态移存器构成，它在不断刷新的前提下，可以存储大量数据，但在存取数据时，必须按先进先出或先进后出的原则顺序进行。

7.3 随机存取存储器（RAM）
在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。

它的优点是读、写方便，使用灵活。

缺点是一旦断电以后所存的数据将随之丢失，即存在数据易失性的问题。

RAM由地址译码器、存储矩阵和读写控制电路三部分组成。

它能对任意一个地址单元进行读写操作。

RAM有SRAM和DRAM两类：
（1）SRAM的存储单元为R–S触发器，如六管CMOS静态存储单元，因此不需要刷新；
（2）DRAM由动态存储单元（三管、单管动态存储单元）构成存储矩阵。

它是利用栅电容C或集成电容C S来暂存信号的，因此需要不断刷新。

DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。

7.4 只读存储器（ROM）
只读存储器属于非易失存储器，断电后存储的数据不丢失。

1. 固定（掩模）ROM
芯片在生产厂制造时就把用户需要存储的内容用电路结构固定下来，使用时无法再改变，只能读出，不能写入。

存储单元可以用二极管构成，也可以用双极性三极管或MOS管构成。

2. 一次性可编程ROM（PROM）
PROM的总体结构与固定（掩模）ROM相同，所不同的是在芯片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，存储单元全为1（或0），用户可用编程器将所需要的内容一次性写入，但一经写入就不能再修改。

3. 光可擦可编程ROM（EPROM）
这种ROM具有较大的使用灵活性，它存储的内容不仅可以由用户写入，而且还能擦去重写，但擦除时需用紫外线对芯片照射；写入时需
外加较高的电压，其过程较复杂、费时，所以在正常工作时仍然是只读不写。

4. 电可擦可编程ROM（EEPROM）
EEPROM只需在高压脉冲或工作电压下就可以进行擦除，而不需要借助紫外线照射，所以比EPROM更灵活方便，而且它还有字擦除（只擦一些或一个字）功能。

由于它可以在线改写，可以逐字改写，使其应用范围逐渐扩大，如在IC卡中应用。

5. 快闪存储器（Flash Memory）
快闪存储器是新一代用电信号擦除的可编程ROM。

它既具有EPROM 结构简单、编程可靠的优点，又具有EEPROM擦除快捷、集成度高的特点。

由于其集成度高、容量大、成本低和使用方便，应用日益广泛，如用于数码相机、MP3随身听等。

7.5 半导体存储器的主要技术指标
1. 存储容量
存储容量指存储器所能存放信息的多少，存储容量越大，说明它能存储的信息越多。

存储器中的一个基本存储单元能存储1 bit的信息，也就是可以存入一个0或一个1，所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。

一个内有8 192个基本存储单元的存储器，其存储容量为8K（1K = 210 =1 024）；这个存储器若每次可以读（写）8位二值码，说明它可以存储1K个字，每字为8位，这时的存储容量也可以用1K×8位表示。

2. 存取时间
存储器的存取时间一般用读（或写）周期来描述，连续两次读取（或写入）操作所间隔的最短时间称为读（或写）周期。

读（或写）周期短，即存取时间短，存储器的工作速度就高。

7.6 存储容量扩展方法
当使用一片ROM或RAM器件不能满足对存储容量的要求时，就需要将若干片ROM或RAM组合起来，形成一个容量更大的存储器。

存储器的扩展主要工作是地址线、数据线和控制线的连接。

例7–1由8片256×4位的存储器，组成1024×8位的存储空间如图7–6–1所示。

图7–6–1 例7–1图
7.7 用ROM实现组合逻辑
由于可编程ROM中的地址译码器是个与阵列，存储矩阵是个或矩阵，因而在地址端输入逻辑函数的变量，只要对存储矩阵编程就可在ROM的数据输出端获得任意所需的组合逻辑函数。

因此利用可编程ROM集成片实现组合逻辑以完成各种组合逻辑功能是非常方便实用的。

自我检测题
1.若存储芯片的容量为128K×8位，问
（1）访问该芯片需要多少位地址？
（2）假定该芯片在存储器中首地址为A0000H，则末位地址应为多少？
2.将一个包含有32 768个基本存储单元的存储电路设计成4 096个字节的RAM，该RAM（1）有几根数据线？（2）有几根地址线？
3.试用8×4 位RAM扩展为（1）32×4 位RAM；（2）16×8 位RAM。

4.已知Z=X2Y，其中X、Y均为2位二进制数，试画出Z的PROM阵列图。

5.已知多输出组合逻辑电路的输出函数表达式为
若用ROM实现该多输出组合逻辑电路，ROM的容量应为多少？画出阵列图。

思考题
1.半导体存储器如何分类？有哪些主要技术指标？
2. SAM、RAM（SRAM、DRAM）、ROM（ROM、PROM、EPROM）各有什么特点？
3. RAM主要由哪三部分组成？它们的功能是什么？
4. RAM的MOS静态存储器单元与MOS动态存储器单元各有什么特点？
5.如何进行RAM存储容量的扩展？
6.如何用ROM来实现组合逻辑电路？。