03-2 存储电路：RAM 与 ROM

随机存储器（RAM）与只读存储器（ROM）

一、寄存器

用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器。

• 注意看，这本来是一个D触发器，由于命名方式的改变，他的$D$：数据输入端被更名为$DI$（即Data In），他的时钟信号端被命名为W（写操作端，Write），他原来的输出端Q被命名为DO（Data Out）
  

将他们以同步时序电路的方式”并联“：

可以得到一个八位寄存器（《code》中用八位锁存器代指这个概念，以下图片不作区分）

可以简化为如下所示的图：

实际应用的寄存器如图所示：包括74LS75和74HC175

二、随机存储器（RAM）的基本结构

• 又名“读/写存储器”

读写操作很自由，只需要改变地址及相关的输入，就可以从寄存器中读出或写入需要的数据

• 随机访问存储器的符号
  

• 随机存储器的组成：译码器＋寄存器+选择器
  

将两个RAM组合成RAM阵列

这个RAM阵列可以存储的二进制数依然是8个，但每个数的位宽为2位。

使用2个$8\times1$的RAM搭一个$16\times1$的RAM

• 相当于把两个3-8译码器用一个1-2译码器联结起来

• 下方用一个2-1选择器把两个8-1选择器联结起来

（红圈部分不太理解是什么意思）

S作为选择端，本质上用于选择存储的信息，所以可以并入地址端（$A_3$端即为$S$端）

• 注意：$16\times1$中

  • 前一个数字 = 存储RAM阵列的存储容量 = $2^{地址输入端的个数}$

  • 后一个数字 = 每个单位由几位二进制数构成 = 数据输入端的个数

三、静态随机存储器（SRAM）

相比于上面的结构的改进：合并了选择器和译码器的功能，调整为不管是写入还是读出，都由译码器确定需要操作的元素的地址

• SRAM的静态存储单元：六管CMOS静态存储单元
  

看着非常复杂，其实上，它本质就是靠着锁存器自锁功能来存储数据的，

$T_1$~$T_4$组成SR锁存器，用于记忆1位二进制代码，其中$T_1$，$T_2$和$T_3$，$T_4$分别接成了反相器$G_1$和$G_2$

注意看这个Q，他是存储这一位信息的地方（也就是原来的一位锁存器的输出）

当CS=0时候表示电路可以启动了，此时：

• 当$R/W'$端口输入1时，代表读取模式，数据沿蓝色线从 $Q$ 到 $I/O$；

• 当$R/W'$端口输入0时，代表写入模式，数据沿绿色线从 $I/O$ 到 $Q$；

当然，实现以上数据传递，需要 $X_i$ 和 $Y_i$ 线都接上高电平。这需要这一位被选择。

在下图中，行列地址译码器可以确定存储矩阵上哪个元素的 $X_i$ 和 $Y_i$ 都导通，那么该元素才有可能被读取。

四、动态随机存储器（DRAM）

特点：大容量，高集成度，需要刷新。

五、只读存储器（ROM）

• 只读存储器的基本结构
  

地址译码器由二极管与门构成，存储矩阵由或门构成。输出缓冲器则用于提高存储器的带负载能力，并实现对输出状态的三态控制。

其中$W_0$_{$W_3$是字线，$d_0$}$d_3$是位线（数据线），而$A_1$和$A_0$则被称为地址线

与此同时，要通过给定的 $EN'$ 信号决定对输出的三态控制。

• 技巧：字线与位线的交叉点接有 MOS 管 / 二极管时相当于存1，没有接 MOS 管 / 二极管 时相当于存0

鉴于 MOS管中也有PN结，可以用来代替原来图中的PN结。对存储部分，可以有如下改造：

六、其他类型分ROM与闪存

1. 掩模只读存储器（Mask ROM）

• 数据固化，不可以修改

2. 可编程只读存储器（PROM）

• 一次性：一经写入，不可修改
  

  PROM结构示意图：

  一开始存储阵列里面全是1，写入时在D_0~D_7
  

以下三种：$UVEPROM$、$E^2PROM$ 以及闪存，都属于EPROM（可擦除可编程只读存储器）

3. 紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM）与电信号擦除的可编程只读存储器($E^2PROM$)

略

4. 快闪存储器（闪存，Flash Memory）

闪存的存储单元是：一只浮栅MOS管除了控制栅 $G_e$ 之外，在控制栅和衬底之间增加了一个浮置栅 $G_f$

工作原理：

• 在读出状态下

  • 若浮置栅 $G_f$ 上充有负电荷，

    • 当字线给出高电平时浮栅MOS管截止，位线上输出高电平；

    • 当字线给出低电平时浮栅MOS管导通，位线上输出低电平。

  • 若浮置栅 $G_f $上没有负电荷，

    • 当字线给出高电平时浮栅MOS管导通，位线上输出低电平；

    • 当字线给出低电平时浮栅MOS管截止，位线上输出高电平。

• 在写入状态下

  • 若浮置栅$G_f$ 的充电是利用雪崩注入的方法实现的：$G_e$加正脉冲，$D$加高电压，$S$加0电平，$D-S$直接雪崩击穿，高速电子到达浮置栅$G_f$

• 在擦除状态下

  • $G_e$置0，$S$加正脉冲，产生导电隧道，$G_e-G_f$之间电容小于$G_f-S$之间电容，脉冲电压加到隧道，浮置栅$G_f$上电子被导走。

特点：擦除快，写入慢

七、存储器容量的扩展

1. 位扩展方式：直接联结

例如：用8片 $1024\times1$ 的 RAM 接成一个 $1024 \times 8$ 的RAM

对于ROM，除了上面没有 $R/W'$ 端之外，其余与RAM相同

2. 字扩展方式：使用译码器加地址端口数量

例如：用4片$256\times 8$ 的RAM接成一个$1024\times 8$ 的RAM

增加两位地址代码$A_8$和$A _9$ 译码器输出与各个RAM的CS端相连

则有：

上述接法也适用于ROM