数字电路PPT课件第七章.ppt

《数字电路PPT课件第七章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路PPT课件第七章.ppt（57页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,数字电路与逻辑设计,第七章 半导体存储器,西安邮电学院“校级优秀课程”,第七章 半导体存储器,目的与要求：,1、熟悉存储器的一般结构和工作原理。,2、理解各类RAM的存储原理、读写原理及时序。,3、掌握存储单元、字、位、地址、等基本概念以及 存储容量扩展的一般方法。,4、熟悉存储器设计逻辑电路的原理和方法。,重点与难点：,1、存储器的分类及容量的计算。,2、各类RAM的读写及时序分析,3、用ROM设计组合逻辑电路的方法,第七章 半导体存储器,7.1 概述,7.2 随机存取存储器（RAM）,7.3 只读存储器（ROM）,7.4 存储器的扩展,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,7.1 概述,一、

2、半导体存储器的特点与应用,二、半导体存储器的分类,存储器：用以存储二进制信息的器件。特点：集成度高、可靠性高、外围电路简单且易于接口。应用：存放程序、数据、资料等。,按照存储功能划分如下：,7.1 概述,三、半导体存储器的主要技术指标,1.存储容量：,存储器所能存放信息的多少，存储容量越大则存储的信息越多，系统的功能越强。,用位(bit)表示存储器容量，位数即存储器所需要的单元数。用字节(byte)或者字节的倍数，表示存储容量。,2 读写参数：,存储器的读写参数是存储器最重要的参数之一，只有按照严格的时序对存储器进行读写，才能保证存储器的工作正确。,写入时间：从提出写请求到最终把数据写入到存储

3、器之间的时间间隔；,读出时间：从提出读请求到数据在输出端上数据有效之间的时间间隔；,7.1 概述,读写周期：前后两次读或两次写之间所要求的最小时间间隔。,存储器读写时序示意图,7.2 随机存取存储器（RAM）,一、存储器的结构,（1）地址译码器：将寄存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。,存储器的结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）存储单元,数字系统中的RAM一般要由多片组成，而系统每次读/写时，只针对其中的一片或几片，因此还应加片选信号。,（3）片选与读写控制电路,水平选择线可以选择一行单元，称为字线（Word line，也称为数据线）,而把一列单

4、元连接到输出电路的线称为位线(bit line)。,存储矩阵由许多存储单元排列组成，每个存储单元存放一位二值信息。,读/写控制信号用于对电路工作状态进行控制。,时，执行写操作；,时，执行读操作。,7.2 随机存取存储器（RAM）,二、静态随机存取存储器SRAM,（1）SRAM存储单元,四管构成的SRAM存储单元,SRAM 4管存储单元结构,位线上的一对互为反相信号可以通过M3和M4向触发器置数，也就是写入过程。,存储的数据也可以通过管子M3和M4向位线B和-B传送，即所谓的读出过程。,7.2 随机存取存储器（RAM）,六管构成的SRAM存储单元,6T-SRAM CMOS电路,两个反相器（M1,

5、M5和M2,M6构成两只反向器）组成的反馈环路。,解决了4T-SRAM存储单元的静态功耗问题。,CMOS结构提高了存储的可靠性和抗干扰能力。,7.2 随机存取存储器（RAM）,当没有外界信号作用时，双稳态电路可以长久保持其所处的某种稳定状态，所以也就称之为静态存储器。,双稳态电路工作原理,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）SRAM的工作过程,.数据写入,当写入数据为“1”时，晶体管M3，M4导通，位线将强制对a点电容充电，对b点电容放电，M2和M5导通而M1和M6截止，单元中存储数据“1”。,写“0”时刚好相反，在位线B和-B上分别加低电平和高电平，门管打开，写入数据“0”。,7.2 随

6、机存取存储器（RAM）,.数据读出,SRAM在进行读操作时，首先要保证两条位线B和-B都预充到相等的高电平。,如果单元存“1”，即M2和M5导通而M1和M6截止，位线B通过导通的MZ和门管M4放电，而位线B保持高电平，从而位线B和-B得到正向的电压差。,如果单元存“0”，则位线通过单元中导通的M1和M3放电，而位线-B保持预充的高电平。这样在两根位线上得到一个反向的电压差。,7.2 随机存取存储器（RAM）,.保持数据,在写入或者读出操作后，字线WL降为低电平，晶体管M3和M4截止，将上述稳态触发器和位线隔断，这样位线上电平变化不再影响触发器的状态。,7.2 随机存取存储器（RAM）,（3）S

7、RAM的分类,SRAM存在多种类型，但是其种类的区分在接口上。,7.2 随机存取存储器（RAM）,异步的SRAM（Asynchronous SRAM）,异步SRAM没有的运行与输入信号的状态有关，并不与特定的时钟相关。,一种异步SRAM结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,SSRAM（synchronous SRAM）,同步的SRAM有与微处理器同步的读、写周期，具有更快的访问速度。因此，同步SRAM可以应用于个人计算机和工作站上。,一种SSRAM结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发方式（Burst Mode）,突发是指不需要修改地址，可以连续地对SSRAM内的一片地址进行读/写。,

8、SSRAM的时序示意图,第一个数据的地址放在了地址总线上，而其它三个数据块的地址则用内置的计数器改变，这样数据访问的速率与微处理器的时钟一致。,7.2 随机存取存储器（RAM）,流水式SRAM（Pipelined SRAM）,流水线SRAM在存储和输出之间加了一级寄存器，输出通道中的寄存器可以使管线式SRAM比标准的SRAM有更高的时钟频率，但是会造成更大的延时。,流水线 SRAM,7.2 随机存取存储器（RAM）,流水线式SSRAM与同步SRAM,在流水SSRAM中，四字的突发读周期需要5个时钟，而标准的SSRAM则用4个周期,为了避免总线的竞争，从写到读的转换过程，流水SRAM要求有一个周

9、期的延时。,7.2 随机存取存储器（RAM）,特殊的SRAM,1、FIFO,一种FIFO结构示意图,7.2 随机存取存储器（RAM）,2、多端口SRAM（Multiport SRAMs）,一个4个端口的SRAM存储器,7.2 随机存取存储器（RAM）,三、动态存储器DRAM,DRAM 存储单元结构,DRAM（Dynamic RAM,动态RAM）是利用电容电荷而不是反馈环路来存储信息的，但是所存储的内容会因为电荷的泄漏而丢失，必须对单元进行周期性地读取和刷新。,(1)DRAM的存储单元,根据电压变化量的高低，判定数据线上的“1/0”。,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）基本操作,存储器读操

10、作,DRAM读操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,.存储器写操作,DRAM写操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,.DRAM刷新,DRAM存储器单元是电容器，它所包含的电荷可随着时间泄漏掉，导致数据丢失。为了防止这一现象发生，必须对DRAM进行刷新，即必须周期性地在各个存储器单元上再存储电荷。,刷新周期是指特定的时间周期，在这一周期中DRAM阵列中的所有行必须被激活和预充电（刷新）；刷新间隔是各行刷新操作之间的时间周期，这里假设各行刷新操作的时间分配是均匀的。刷新率定义为刷新时间除以所需的周期数。,7.2 随机存取存储器（RAM）,(3)SDRAM,SDRAM的信号沿用了DRAM中的很多

11、信号，但是SDRAM将内部分为若干个存储块，这是SDRAM的一个很重要的特征。,下面以Micron SDRAM 存储器MT48LC128M4A2为例，介绍SDRAM的基本操作。,SDRAM 64Mb8工作模式的内部结构,7.2 随机存取存储器（RAM）,(1)输入信号,BA0-BA1：组输入信号，在ACTIVE,READ,WRITE和PRECHARGE命令下，决定四个组中的哪个组工作。,A0-A12：地址输入信号。,RAS#,CAS#：命令输入信号。,CKE：工作时钟使能信号。,DQM：是输入输出屏蔽(mask)信号。,7.2 随机存取存储器（RAM）,Micron SDRAM芯片管脚分配图,

12、7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）SDRAM命令及其相关操作,SDRAM命令一览表,7.2 随机存取存储器（RAM）,四、模式寄存器,在SDRAM芯片中，有一个模式寄存器，该寄存器用于定义SDRAM工作的特定模式。可定义的参数包括：突发长度BL（Burst Length）选择，突发类型，CAS延时CL(CAS latency)，工作模式和写突发模式等。通过LOAD MODE REGISTER命令可以对模式寄存器进行编程。,7.2 随机存取存储器（RAM）,模式寄存器各位的含义,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发长度(Burst Length)：,对SDRAM的读写访问是面向突发的，突

13、发长度BL是可编程的。突发长度定义了一个READ或者WRITE命令访问SDRAM时候定义的最大的列单元数目。,当发出READ或者WRITE命令时，可以选择BL长度定义的若干列组成的块。当到达这个块的边界时，自动回到这列所设定的位置。在不同的模式和配置方式下，由不同的地址线选择确定块地址，最低地址位用于选择块内的起始地址，全页突发模式下，如果达到一页的边界时，将回到页的起始地址。,7.2 随机存取存储器（RAM）,在不同的模式和配置方式下，列的起始位置,7.2 随机存取存储器（RAM）,突发方式(Burst Type)：,一次给定的突发访问可以按照交织或者顺序的方式进行，由模式寄存器的第三位决定

14、。一次突发的访问次序由突发长度决定，突发的类型和开始列地址由下表决定。,突发长度、起始地址和类型设置,7.2 随机存取存储器（RAM）,CAS 延时(CAS Latency),CAS延时与READ命令之间的时序关系,7.2 随机存取存储器（RAM）,工作模式（operations mode）,写突发方式(Write Burst),正常的工作模式通过将M7和M8设置为0选择的，M7和M8用于未来的工作模式或者测试模式，不应该使用这些预留或者测试的模式，以免导致未知的操作或者不兼容的工作方式。编程的突发长度可以用于READ和WRITE突发。,当M9=0，BL通过M0-M2编程，可以用于READ和W

15、RITE突发操作。当M9=1，编程的突发长度只用于READ突发操作，而WRITE访问是非突发的，即按单元访问的。,7.2 随机存取存储器（RAM）,五、初始化SDRAM在上电后，必须按照预先定义的方式进行初始化，否则SDRAM芯片不能正常工作。,（1）Active操作,六 操作,ACTIVE命令和WRITE/READ命令之间的时序关系,7.2 随机存取存储器（RAM）,（2）读操作,（a）读命令,（b）读命令与输出数据间隔,7.2 随机存取存储器（RAM）,连续的READ突发操作,7.2 随机存取存储器（RAM）,（3）写操作,(a)写命令,(b)写突发,7.3 只读存储器（ROM）,一、一次

16、性可编程只读存储器PROM(Programmable Read Only Memory),PROM存储单元,只读存储器中存储信息在掉电后仍然存在。这类存储器应用非常广泛。,PROM允许通过专用的编程器，将数据“烧录”到存储器中，这个过程叫做“编程”，烧录后的数据同样能维持断电后不丢失。,7.3 只读存储器（ROM）,PROM存储阵列,7.3 只读存储器（ROM）,二、基于EPROM技术,允许用户利用编码器对器件反复编程、擦除，得到广泛地应用。这种器件是通过施加高压信号进行编程，将器件置于紫外线，就可以擦除其内容。,标准的晶体管和EPROM晶体管,增加了另外一个被称为浮栅的多晶硅,7.3 只读存

17、储器（ROM）,浮栅晶体管一个特征就是它的阈值可以编程。,(a)雪崩注入,（b）浮栅管符号图,(c)移去电压后仍然保 留电荷,7.3 只读存储器（ROM）,三、E2PROM 存储器,电可擦除可编程只读存储器E2PROM(Electronically-Erasable Programmable Read-Only Memory)能逐个存储单元独立地擦除,(a)浮栅隧道氧化管,(b)E2PROM的元件,隔离浮栅与沟道和漏极的那一小部分绝缘介质的厚度减少到大约10nm左右或者更薄,电子利用隧道穿越机理进入或者穿出浮栅,7.3 只读存储器（ROM）,四、Flash EEPROM,Flash EEPRO

18、M 存储单元结构,这种器件的擦除和编程是以块为单位的，而EEPROM是以字节为单位的，所以Flash EEPROM的更新速度比EEPROM快。可以在系统中擦除EPROM的内容。,采用了一个薄的隧道氧化层（10nm）。,7.4 存储器的扩展,一、位扩展方法,如果一片存储器的字数已经够了，但是每个字中的位数不够，采用位扩展方法将多片存储器连接成更多位数的存储器。,例1：用10248位的RAM扩展成容量为102432位的存储器。,解：所需要的存储器芯片数量为102432/10248=4片，连接方式：将4片的所有地址线、片选线、读写控制线连接在一起，将所有的数据线拼接成32位数据。如图所示。,7.4

19、存储器的扩展,二、存储器字扩展,字扩展用于存储芯片的位数满足要求而字数不够的情况，是对存储单元数量的扩展，整个存储器位数等于单片存储器的位数。,例2：用4个256 8芯片经字扩展构成一个1K8存储器系统,所需要的存储器芯片数量为1K8/2568=4片。,7.4 存储器的扩展,在实际应用中，往往会遇到字数和位数都需要扩展的情况，方法是先进行位扩展（或字扩展）再进行字扩展（或位扩展），这样就可以满足更大存储容量的要求。,存储器的字位扩展结构,例3：用2114(1K4)RAM芯片构成4K8存储器。,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,PLD器件中常见到的表示方式,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,一、

20、PROM,PROM是最早出现的PLD，它是由固定的“与”阵列和一个可编程的“或”阵列组成的。,(a)PROM的组成,(b)未编程的PROM结构,固定连接,可编程连接,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,例1：用PROM实现 和 Y1=A+B的逻辑关系,（a）真值表,（b）阵列图,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,例2：用PROM实现一个2位的乘法器。,乘法器真值表,PROM实现真值表,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,二、PLA,PLA的内部结构示意图,它的“与”和“或”阵列都是可编程的，解决了PROM结构对地址的限制。,与PLA是先经逻辑函数化简，再用最简“与或”表达式中的与项来编制“与”阵列

21、。,7.5 用ROM实现组合逻辑函数,例1：用PLA实现下面6变量输入的函数表达式。,PLA的内部结构示意图,本章小结,1半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，它可分为RAM和ROM两大类。,2RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAM和DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM则必需定期刷新。,3ROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读出。根据数据写入方式的不同，ROM又可分成固定ROM和可编程ROM。后者又可细分为PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等，特别是E2ROM和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了RAM的特性。,4从逻辑电路构成的角度看，ROM是由与门阵列（地址译码器）和或门阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路。ROM的输出是输入最小项的组合。因此采用ROM构成各种逻辑函数不需化简，这给逻辑设计带来很大方便。随着大规模集成电路成本的不断下降，利用ROM构成各种组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。,第七章 半导体存储器,