数电学习（七、半导体存储器）

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引言

• 同步电路的核心部分就是有限状态机（FSM），但是是有限状态机，它和要解决的实际背景紧密结合。之前写的蚂蚁，出去了之后还会回去。能解决的问题确实有限。
• 现在用的PC，ARM，当我们要处理问题的时候，我们并不需要改变硬件而是去改软件，所以对于我们来讲，我们特别希望硬件部分不动，而通过不同的配置让他能解决特定的问题。
• （阿兰图灵）如何解决有限性的问题，提出了一个最根本的图灵机。用一个有限状态机不是去解决特性的问题，而是去解决读写功能，另外所有的信息存在另外无限的空间中。图灵机解决了FSM的F，解决了有限性的问题，他认为存储空间可以是无限的。
• 冯诺依曼结构和哈佛结构的control unit都是有限状态机，memory他认为无限（这里的无限是相对来说可扩展的）
• 所有的memory系统（比如光盘，硬盘等）都是存0，1，和第五章没有区别，但是现在的数据量是海量的。
• ！！！存储设备的指标，一个是存储量，一个是访问时间。
  
• 速度快的体量就小，体量大的速度慢。想设计一个存储系统，体量很大，访问的时候速度快，尤其是相关的信息，运算的信息。CPU有SRAM，外面还有MAIN MEM，所以没有最好的，是一起来构成一个合适的系统。
• 本章讲的是所有存储器中，以半导体工艺实现的存储器，记忆棒，内存条。

一些术语

1. 存储器单元cell：用于存储一个bit的电路单元
2. 字节：Byte = 8 bits
3. 字：Word = 1-8 Bytes，1个字中有8-64bits
4. 容量：表示特定存储单元或整个存储器系统能够存储多少bits
5. 密度：表示容量的另一种属于
6. 地址：用于确定某个word在存储系统中位置

概述

• 后面都围绕这个图讲
• 在半导体存储器中，是以什么结构来管理和储存大量的数据

分类

1. 从存取功能：
   （1）只读存储器ROM：使用过程中，只读数据，而不改变数据，并不是数据不能变
   （2）随机读写RAM：使用过程中，要频繁的读写（内存），希望读写速度相同
2. 从工艺上：
   （1）双极型（TTL）
   （2）MOS型（CMOS,MOS）

ROM

• 基本工作：存储矩阵存了大量的数据，通过地址译码器能够访问到希望访问的单元，然后把单元的数据送到输出缓存然后输出来
• 和RAM相比，最大的特点就是非易失性，也就是掉电之后数据依然保存
• 和前面对应的话，其实是组合电路。组合电路的特点是任何时刻的输出仅仅取决于这一时刻的输入，拉闸上电之后如果给一样的输入还是根据真值表的一样的输出

掩膜ROM

• 半导体制造有个关键工艺是光刻，用光腐蚀材料，光照到和没照到会形成沟道。掩模决定哪些地方能照到哪些不能

举例

• 这时一个典型的最早期的双极性二极管的ROM

地址译码器

• 看一下W0
  
• Y = AB，所以W0 = A0’A1’
• 在任何时候，W0-W3有且仅有一个为1

存储矩阵

• 看一下d0
  
• Y = A + B

总结

• 所以上面的译码器就是一个与阵列，下面的存储矩阵就是一个或阵列
• W0-W3译出了地址所有最小项，下面的输出是某些最小项之和
• 前面的与阵列把所有的地址输入变成地址线，而地址线和地址输入之间存在2的n次方的关系
• 或阵列是把这些地址线，取谁就把谁相或
• 从逻辑上来讲没有难度，因为看到的是一个组合电路，组合的输出一定是关于某些最小项之和
• 如何理解它是一个存储，就是W给出不同的字，D会有不同的输出
  
• 当把组合电路看成ROM的时候，数据表是横着看的，也就是当输入是A1，A0时，输出的4个数据是什么
• 问题1：现在每一个字能访问的位数是4位，我现在想访问五位怎么办？
• 对于数据表来讲，把列加一位就可以，行不用动，相应的电路就是存储矩阵加一行
• 问题2：我现在想用三位地址线，怎么办？
• 加一个A2，数据表的输入加了一位，行数翻翻。对应电路就是现在是4条线，加一位地址就变成八条线
• 问题3：对于组合电路来讲，我关心的是他输入和输出的个数。如果这是一个存储电路，我关心它的容量，这个电路的容量是多少？
• 4*4，前面的4的地址线的条数，下面的4是存储电路的位数，行数。所以一看到ROM就能想到它的容量，就是地址线为n，输出位线的条数是m，容量就是2的n次方乘以m

两个概念

• 存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，没有器件存入“0”
• 存储容量：“字数”x“位数”
• 字线和位线是否相连决定“0”，“1”，那这个相连不一定是通过二极管，如果换成别的器件（场效应管，三极管）就是别的工艺，举例如下
  
• 如果换成上图的连接方式，交叉点之间的连接器件就变成MOS管了
• 最左边那一列，相当于一个上拉电阻，输出都是高电平，右边的MOS导通，经过最后取反就输出1；如果没有连接，那输出就是0。所以还是通过有没有连接来区分0，1
• 如果用的是NPN三极管，连接方式不变，但是希望它工作在饱和状态，这样才能输出比较理想的低电平，再取反变成高电平

掩膜ROM的特点

• 最早的时候所有的ROM都是掩膜ROM，当时有一个数据需要被存储的时候就要把数据交给半导体生产厂商，厂商根据数据判断连接和不连接，然后绘制掩膜，然后生产器件
• 出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产
• 便宜，简单，非易失性

可编程ROM（PROM）

• 总体结构和 掩膜ROM一样，但是存储单元不同

• 最早的时候时用了一个熔丝。出厂的时候把所有字线和位线都连起来
• 熔丝的特点是过流烧，所以用的是三极管，并没有用MOS管
• 编程的时候是通过把某些位的熔丝烧掉，某些位保留
• ！一次性编程，不能改写
• 写入时需要使用编程器

可擦除的可编程ROM（EPROM）

• 总体结构和 掩膜ROM一样，但是存储单元不同

用紫外线擦除的PROM（UVEPROM）

• 这一类芯片在背部有一个小的石英窗口，是给紫外线查出用的

• SIMOS（Stacked-gate Injuction MOS）

• 在栅极除了多晶硅那一层还加了一层浮置栅浮在中间
  

• 控制原理
  （1）若Gf上充以负电荷，则Gc处正常逻辑高电平下不导通
  （2）若Gf上未充负电荷，则Gc处正常逻辑高电平下导通

• 写入：雪崩注入，D-S间加高压（20-25V），发生雪崩击穿（复习顺便看一下齐纳击穿），同时在Gc上加25V，50ms宽的正脉冲。吸引高速电子穿过SiO2到达Gf，形成注入电荷
  （半导体击穿有一个好处，如果是电击穿，电压消失之后就复原了，如果是热击穿就复原不了了）

• 擦除：通过照射产生电子-空穴对，提供泄放通道
  （紫外线照射20-30min，阳光下一周，荧光灯下三年）

• 有点麻烦：编程和擦除需要不同的器件，编写需要编程器，因为编写需要高电压，而擦除需要擦除器，而且器件必须烙下来

电可擦除的PROM（E2PROM）

• 总体结构和 掩膜ROM一样，但是存储单元不同

• 为了克服UVEPROM擦除慢，操作不便的缺点，采用FLOTOX（浮栅隧道氧化层MOS管）
  

• 隧穿原理：Gf与D之间有小的隧道区，SiO2厚度<2*10的8次方m，当场强达到一定大小（10的7次方V/cm），电子会穿越隧道------“隧道效应”

• 工作原理：
  （1）Gf充电荷后，正常读出Gc电压（3V）下，T截止
  （2）未充电荷时，正常读出Gc电压（3V）下，T导通

1. 充电：Wi，Gc加20V，10ms的正脉冲，Bj接0，电子隧道区->Gf
2. 放电：Gc接0，Wi，Bj加正脉冲，Gf上电荷经隧道区放电

闪存（Flash Memory）

• 随着工艺的提高，发现两个管实现太占面积了
• 为了提高集成度，省去上面的选通管
• 改用叠栅MOS管（类似于SIMOS）

• Gf与衬底间SiO2更薄（10-15nm）

• Gf与S区有极小的重叠区（隧道区）

• 工作原理：向Gf充电利用雪崩注入的方式，D-S加正压（6V），Vss接0，Gc加12V，10us的正脉冲

关注点

1. 不同的工艺，字线和位线之间采用了什么器件
2. 这个器件存0，1的原理

用存储器实现组合逻辑函数

基本原理

从ROM数据表可见：若以地址线位输入变量，则数据线为一组关于地址变量的逻辑函数

举例

• 用ROM产生：
  
• 首先，输出位数是四位，输入是2的四次方

1. 写成最小项之和
   
2. 打点
   

小结

• 所有组合电路都可以用ROM实现
• 把ROM下面配上触发器，就一定能实现任意形式的数字电路

• 16*4是ROM进出都是4条线
• 下面的3是3个触发器
• 三个触发器就是8个状态
• 上面实现了输出方程和驱动方程，4个方程可以把3个引到下面，也可以不接输入，因为时序电路可以不从外面引输入

随机存储器RAM

• 前面实现了半天，实现了ROM的部分，是高度集成了。而下面的部分还是触发器，触发器只能是任何时候都可读可写，但是集成度不高。
• 高集成度的能随时读写的触发器，就是RAM
• RAM的基本原理就是触发器，功能也和触发器一样，希望任何时候都可以读写，但是一旦掉电后，数就没了

静态随机存储器SRAM（S是static）

结构和工作原理

• 采用了行地址译码和列地址译码，省线
  

• 途中行地址编码对应的译出来就是2的6次方条线，列地址编码对应译出来的就是16，出来的就是64+16

• 但是如果还是刚刚ROM的连接方式，那就需要2的10次方，也就是1024条线

• 拉出一个小方块展开
  

• T1-T4为基本存储单元，就是两个反相器首位相连构成基本存储单元

• Xi = 1时，T5和T6选通，Q、Q’和Bj、Bj’相通

• Yj = 1时，所在列被选中，T7，T8导通，这时单元（i，j）与缓冲器相连

• A2和A3是往里写的，A1是往外读的

• 读的时候一个数就可以了，但是为什么写的时候需要两个数？为了解决反相器不能只写一个点的问题，写进去的数，一个用同相一个用反相，相当于接首位相连的一个反相器的入和出

• CS‘是整个器件的选通端，当CS’=1时，三态被锁死，都是高阻态。如果CS’=0，R/W’=1时，则A2与A3截止，QI/O，读操作。R/W’=0时，则A2与A3导通，A1截止，I/O->Q，写操作

• 根据图就能看出，RAM里面的东西太多了，而ROM就一个管子，所以RAM的集成度比ROM要小

动态随机存储器DRAM

• 一直想提高集成度
• 动态存储单元是利用电容可以储存电荷的原理
• 利用场效应管，认为电容上有电荷就是1，没有就是0，这时候就把中间四个管子的基本存储变成两个管子
• 这会有一个问题，出现电容后，只要有电阻的地方就存在漏电，所以过了多长时间，1就变成0了，数据就丢了
• 所以要设计一个电路，对已有的数据进行不断的刷新
• 所以在省了芯片面积的时候，付出了其他的面积代价
• 所以用的不多了

存储器容量的扩展

位扩展方式（最简单）

• 适用于每片RAM，ROM字数够用而位数不够时
• 接法：将各片的地址线、读写线、片选线并联即可
  例：用八阵1024x1位---->1024x8位的RAM
  

字扩展方式

• 适用于每片RAM，ROM位数够用而字数不够时

例：用四阵256x8位—>1024x8位RAM

• 每一片提供256个字，需要256个地址

• 用A9，A8两位代码区分4片，即将A9,A8译成Y0’-Y3’，分别接四片的CS’
  

• ！！！如果和物理背景挂钩，可以更改设计，改变读取顺序

• 比如想每片储存一个东西
  
  

• 把A0-A9任意两个拿下来都行（根据物理背景）

• 字扩展和位扩展并不矛盾可以都做，但是应该选择合理的扩展方式，避免浪费的问题

• RAM是可以用来产生组合逻辑电路的

总结

1. 存储器分类，各自特点
2. 扩展接法（字扩展，位扩展）
3. 用ROM产生组合逻辑电路