第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件

1、第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 概述概述 第第九九章章 半导体存储器和半导体存储器和 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 随机存取存储器随机存取存储器( (RAM) ) 只读存储器只读存储器( (ROM) ) 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.1概述概述 主要要求：主要要求： 了解半导体存储器的了解半导体存储器的作用、类型与特点作用、类型与特点。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 例如计算机中的自检程序、初例如计算机中的自检程序、初 始化程序便是固化在始化程序便是固化在 ROM 中的。中的。 计算机接通电源后，首先运行它，计算机接通电源后，首先运行它，

2、 对计算机硬件系统进行自检和初始对计算机硬件系统进行自检和初始 化，自检通过后，装入操作系统，化，自检通过后，装入操作系统， 计算机才能正常工作。计算机才能正常工作。 二、二、半导体存储器的类型与特点半导体存储器的类型与特点 只读存储器只读存储器( (ROM， 即即Read- -Only Memory) ) 随机存取存储器随机存取存储器( (RAM， 即即Random Access Memory) ) RAM 既能读出既能读出信息信息又能又能 写入写入信息。信息。它用于存放需经它用于存放需经 常改变的信息，常改变的信息，断电后其数断电后其数 据将丢失据将丢失。常用于存放临时。常用于存放临时 性

3、数据或中间结果。性数据或中间结果。 例如例如 计算机内存就是计算机内存就是 RAM ROM 在工作时在工作时只能读出只能读出 信息而不能写入信息。信息而不能写入信息。它用于它用于 存放固定不变的信息，存放固定不变的信息，断电后断电后 其数据不会丢失其数据不会丢失。常用于存放。常用于存放 程序、常数、表格等。程序、常数、表格等。 一、一、半导体存储器的作用半导体存储器的作用 存放二值数据存放二值数据 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 主要要求：主要要求： 了解了解 ROM 的类型和结构，的类型和结构，掌握其工作原理及特点。掌握其工作原理及特点。 掌握用掌握用PROM实现组合逻辑函数。实现组合

4、逻辑函数。 理解理解字、位、存储容量字、位、存储容量等概念。等概念。 9.2只读存储器只读存储器 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 按按 数数 据据 写写 入入 方方 式式 不不 同同 分分 固定固定 ROM 可编程可编程 ROM( (Programmable ROM，简称，简称 PROM) ) 可擦除可擦除 PROM( (Erasable PROM，简称，简称 EPROM) ) 电可擦除电可擦除 EPROM( (Electrically EPROM，简称，简称 E2PROM) ) 一、一、ROM 的类型及其特点的类型及其特点 写入的数据可电擦除，用户可以写入的数据可电擦除，用户可以 多次

5、改写存储的数据。使用方便。多次改写存储的数据。使用方便。 其存储数据在制造时确定，用其存储数据在制造时确定，用 户不能改变。用于批量大的产品。户不能改变。用于批量大的产品。 其存储数据其存储数据 由用户写入。但由用户写入。但 只能写一次。只能写一次。 写入的数据可用紫外线擦除，写入的数据可用紫外线擦除， 用户可以多次改写存储的数据。用户可以多次改写存储的数据。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 二、二、ROM 的电路结构的电路结构 ROM 的电路结构图的电路结构图 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 1. 电路组成电路组成 三、固定三、固定ROM 的工作原理的工作原理 二极管二极管 RO

6、M D3D2D1D0 44 二极管二极管 ROM 结构图结构图 & A1 A0 字字 线线 信信 号号 位线输位线输 出信号出信号 & & & 1 1 W3 W2 W1 W0 地址译码器。地址译码器。 A1 、 A0 为地址输入为地址输入 端，端，W3 W0 为译码为译码 器输出的器输出的 4 条字线。条字线。 存储矩阵存储矩阵由由 二极管二极管或或门组成，门组成， D3 D0 为存储为存储 矩阵输出的矩阵输出的 4 条条 位线。位线。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 1. 电路组成电路组成 D3D2D1D0 44 二极管二极管 ROM 结构图结构图 & A1 A0 字字 线线 信信 号

7、号 位线输位线输 出信号出信号 & & & 1 1 W3 W2 W1 W0 W3 W0 中任中任 一个输出高电平一个输出高电平 时，则在时，则在 D3 D0 4 条线上输出一条线上输出一 组组 4 位二进制代位二进制代 码，每组代码表码，每组代码表 示一个字。示一个字。 二极管二极管 ROM 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 2. 读数读数 D3D2D1D0 44 二极管二极管 ROM 结构图结构图 & A1 A0 字字 线线 信信 号号 位线输位线输 出信号出信号 & & & 1 1 W3 W2 W1 W0 当输入一组地址码时，当输入一组地址码时， 则在则在ROM 的输出端可读出的输出端

8、可读出 该地址码对应的存储内容。该地址码对应的存储内容。 如如A1 A0 = 0000 时，则字线时，则字线 W0 = A1 A0 =1 1，其他字线都，其他字线都 为为 0 0，这时和，这时和W0 相连的两相连的两 个二极管导通，位线个二极管导通，位线 D3 = 1 1、 D1= 1 1, ,而而 D3 和和D1 都为都为 0 0 , , 在输出端得到在输出端得到 D3D2D1D0=10101010数据输出。数据输出。 可见：可见：(1) 交叉处接有二极管的相当于存储交叉处接有二极管的相当于存储1 1，没有接二极管 ，没有接二极管 的相当于存储的相当于存储 0 0。(2) 当某字线被选中时，

9、相应存储单元数据从位当某字线被选中时，相应存储单元数据从位 线线D3 D0 输出。输出。 二极管二极管 ROM 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 4 4 存储矩阵示意图存储矩阵示意图 W3 W2 W1 W0 D3D2D1D0 字字 线线 位线位线 交叉处的圆点交叉处的圆点 “ ” 表示存储表示存储 1 1，交叉处无，交叉处无 圆点表示存储圆点表示存储 0 0。 交叉点的数目，即交叉点的数目，即 存储器中存储单元的数存储器中存储单元的数 量，称为存储容量。量，称为存储容量。 存储矩阵可简化表示为存储矩阵可简化表示为 存储容量存储容量 字数字数 位数位数 用用“M”表示表示“1024 K”，

10、1 M = 1024 K = 210 K = 220 。 对于大容量的对于大容量的 ROM 常用常用“K”表示表示“1024”，即，即 1 K = 1024 = 210 ； 例如例如，一个，一个 64 K 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 64 K 个字，个字， 字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 64 K 8 = 512 K。 例如例如，一个，一个 32 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 32 个字，个字， 字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 32 8 = 256。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 PROM 出厂时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于出厂

11、时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于 存储存储 1 1。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将需要存。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将需要存 储储0单元的熔丝烧断即可。单元的熔丝烧断即可。 熔丝烧断后不可恢复，故熔丝烧断后不可恢复，故 PROM 只能进行一次性编程。只能进行一次性编程。 二极管二极管 ROM TTL - - ROM MOS - - ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj +VDD 1 熔丝熔丝 熔丝熔丝 熔丝熔丝 四、可编程只读存储器四、可编程只读存储器( PROM ) 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 用一个特殊的浮栅用一个特殊的浮栅 MOS 管替

12、代熔丝。管替代熔丝。 用紫外线擦除信息的，用紫外线擦除信息的， 称为称为EPROM。 用电信号擦除信息的，称用电信号擦除信息的，称 为为EEPROM，即，即E2PROM。 按擦除方式不同分按擦除方式不同分 EPROM 只能整体只能整体 擦除，擦除时间较长。擦除，擦除时间较长。 E2PROM 中的存储单元可逐个中的存储单元可逐个 擦除逐个改写，它的编程和擦除都用擦除逐个改写，它的编程和擦除都用 电信号完成，速度比电信号完成，速度比 EPROM 快得多。快得多。 五、可擦除可编程只读存储器五、可擦除可编程只读存储器( EPROM ) EPROM集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦集成芯片上有一个石英

13、窗口供紫外线擦 除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英 窗口密封，以免破坏芯片内信息。窗口密封，以免破坏芯片内信息。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 下面将根据二极管下面将根据二极管 ROM 的的 结构图加以说明结构图加以说明 ( (已编程二极管已编程二极管 PROM 的的 结构与之同理结构与之同理) ) ： 六、用六、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 1. 为什么为什么用用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？ D3D2D1D0 44 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地 址址 译译 码码 器器 A1

14、 A0 地地 址址 码码 输输 入入 3103 2102 1101 0100 WAAm WA Am WAAm WA Am 字字 线线 信信 号号 位线输出信号位线输出信号 D3D2D1D0 4 4 二极管二极管 ROM 结构图结构图 地地 址址 译译 码码 器器 A1 A0 地地 址址 码码 输输 入入 3103 2102 1101 0100 WAAm WA Am WAAm WA Am 字字 线线 信信 号号 位线输出信号位线输出信号 地址译码器地址译码器能译出地址码的全部最小项能译出地址码的全部最小项 图中图中 当当 A1 A0 = 11 时，只有时，只有 W3 =1 ，而，而 W0、W1、

15、W2 = 0， 即译出最小项即译出最小项 m3 ； 当当 A1 A0 = 10 时，只有时，只有 W2 =1 ，而，而 W0、W1、W3 = 0， 即译出最小项即译出最小项 m2 ； 其余类推。其余类推。 存储矩阵构成或门阵列存储矩阵构成或门阵列 图中图中 D3 = m3 + m2 +m0 D2 = m2 + m1 D1 = m3 + m0 D0 = m3 + m2 由于由于 PROM 的地址译码器能译出地址码的的地址译码器能译出地址码的 全部最小项，全部最小项， 而而PROM 的存储矩阵构成了可编的存储矩阵构成了可编 程或门阵列，因此，通过编程可从程或门阵列，因此，通过编程可从 PROM 的

16、的位位 线线输出端得到任意标准与输出端得到任意标准与 - - 或式或式。由于所有组。由于所有组 合逻辑函数均可用标准与合逻辑函数均可用标准与 - - 或式表示，故理论或式表示，故理论 上可用上可用 PROM 实现任意组合逻辑函数。实现任意组合逻辑函数。 1. 为什么用为什么用 PROM 能实现组合逻辑函数？能实现组合逻辑函数？ 六、用六、用 PROM 实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 为了便于用为了便于用 PROM 实现组合逻辑函数，实现组合逻辑函数， 首先需要理解首先需要理解 PROM 结构的习惯画法。结构的习惯画法。 2. PROM 结构的习惯画法结构

17、的习惯画法 A B 与与 门门 和和 或或 门门 的的 习习 惯惯 画画 法法 C Y & A B C Y 1 ABC Y & ABC Y 1 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 A1 A0 地址译码器地址译码器( (为与阵列为与阵列) ) D3D2D1D0 W3 W2 W1 W0& A1 A0 = m3 A1 A0 = m2 A1 A0 = m1 A1 A0 = m0 1 存储矩阵存储矩阵( (为或阵列为或阵列) ) 1 & & & A1地址译码器地址译码器( (为与阵列为与阵列) ) W3W2W1W0 D3 = m3 + m2 + m0 D2 = m2 + m1 D1 = m3 + m0

18、 D0 = m3 + m2 & 1 & 1 A0 m3 m2 m1 m0 1 1 1 1 存储矩阵存储矩阵( (为或阵列为或阵列) ) PROM 结构的习惯画法 结构的习惯画法 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 3. 怎样用怎样用 PROM 实现组合逻辑函数？实现组合逻辑函数？ 例例1 1 试用试用 PROM 实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数 BCACABY CBCAY 2 1 解：解：( (1) ) 将函数化为标准与将函数化为标准与 - - 或式或式 )7 , 6 , 5 , 3( )6 , 5 , 4 , 1( 2 1 mY mY ( (2) ) 确定存储单元内容确定存储单元内容 由函

19、数由函数 Y1、Y2 的标准与的标准与 - - 或式知：或式知： 与与 Y1 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W1、W4、 W5、W6 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1； 对应对应 m1、m4、m5、m6 与与 Y2 相应的存储单元中，字线相应的存储单元中，字线 W3、W5、 W6、W7 对应的存储单元应为对应的存储单元应为 1。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 ( (3) ) 画出用画出用 PROM 实现的逻辑图实现的逻辑图 A 1 1 B 1 C 1 & 1 m0m1m2m3m4m5m6m7 地地 址址 译译 码码 器器 Y1 Y2 第九章 半导体存储器和可编程

20、逻辑器件 主要要求：主要要求： 了解了解RAM 的类型、结构，理解其工作原理。的类型、结构，理解其工作原理。 了解集成了解集成 RAM 的使用。的使用。 了解了解 RAM 和和 ROM 的异同。的异同。 9.3 随机存取存储器随机存取存储器 掌握掌握 RAM 的扩展方法。的扩展方法。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 一、一、RAM 的结构的结构 RAM主要由存储矩阵、地址译码器和读主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路组成。写控制电路组成。 当当CS=0，R/W=1 时，进行时，进行读出读出数数 据操作；据操作； 当当CS=0，R/W=0 时，进行时，进行写入写入数数 据操作。据操作

21、。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 RAM 分类分类 静态静态 RAM( (即即 Static RAM，简称，简称 SRAM) ) 动态动态 RAM( (即即 Dynamic RAM，简称，简称 DRAM) ) DRAM 存储单元结构简单，集成度高，存储单元结构简单，集成度高， 价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较 慢，且需要慢，且需要刷新刷新及读出放大器等外围电路。及读出放大器等外围电路。 DRAM 的存储单元是利用的存储单元是利用 MOS 管具有极高的输入电阻，管具有极高的输入电阻， 在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容在栅极

22、电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容 存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。 SRAM 存储单元结构较复存储单元结构较复 杂，集成度较低，但速度快。杂，集成度较低，但速度快。 二、二、RAM 的类型的类型 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 RAM 与与 ROM 的比较的比较 相相 同同 处处 都含有都含有地址译码器地址译码器和和存储矩阵存储矩阵 寻址原理相同寻址原理相同 相相 异异 处处 ROM 的存储矩阵是或阵列，的存储矩阵是或阵列，是是组合组合逻辑电路逻辑电路。 ROM 工作时工作时只能读出不能写入。掉电后数

23、据只能读出不能写入。掉电后数据 不会丢失不会丢失。 RAM 的存储矩阵由触发器或动态存储单元构的存储矩阵由触发器或动态存储单元构 成，成，是是时序时序逻辑电路逻辑电路。RAM 工作时工作时能读出，能读出， 也能写入也能写入。读或写由读。读或写由读 / 写控制电路进行控制。写控制电路进行控制。 RAM 掉电后数据将丢失掉电后数据将丢失。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 三、三、RAM 的扩展的扩展 (一一) RAM的的位扩展位扩展 如一片如一片 RAM 的字数已够用，而每个字的位数不够用，的字数已够用，而每个字的位数不够用， 则采用位扩展的方法来扩展每个字的位数。其方法是则采用位扩展的方法

24、来扩展每个字的位数。其方法是将各片将各片 RAM 的地址输入端、读的地址输入端、读/写控制端写控制端 R/W 和片选端和片选端 CS 对应地对应地 并接在一起。并接在一起。 RAM 的的 位位 扩扩 展展 接接 法法 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 RAM的的字扩展字扩展接法接法 ( (二二) ) RAM的的字扩展字扩展 如一片如一片RAM的的 位数已够用，而字数位数已够用，而字数 不够用，则采用字扩不够用，则采用字扩 展的方法来扩展存储展的方法来扩展存储 器的字数。器的字数。字扩展通字扩展通 常需用外加译码器来常需用外加译码器来 控制芯片的片选输入控制芯片的片选输入 信号信号 CS 实

25、现。实现。 如字数和位数都如字数和位数都 不够用，则可将字数不够用，则可将字数 和位数同时进行扩展，和位数同时进行扩展， 便组成了大容量的存便组成了大容量的存 储器。储器。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 1. EPROM存储器存储器2716是是2K8位的存储器，它的地址线和位的存储器，它的地址线和 数据线分别为数据线分别为 条和条和 条。条。 2. 某存储器有某存储器有12条地址线和条地址线和4条数据线，则该存储器的容量条数据线，则该存储器的容量 为为 条。条。 3. 对对RAM进行写操作时，其控制信号是进行写操作时，其控制信号是 0/0RWCS， 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件

26、 9.4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 一、可编程逻辑器件的概念与特点一、可编程逻辑器件的概念与特点 是由编程来确定其逻辑功能的器件。是由编程来确定其逻辑功能的器件。 Programmable Logical Device，简称，简称 PLD 逻辑电路的设计和测试均可在计算机上实现，设逻辑电路的设计和测试均可在计算机上实现，设 计成功的电路可方便地下载到计成功的电路可方便地下载到 PLD，因而研制周期短、，因而研制周期短、 成本低、效率高，使产品能在极短时间内推出。成本低、效率高，使产品能在极短时间内推出。 特特 点点 用用 PLD 实现的电路容易被

27、修改。这种修改通过对实现的电路容易被修改。这种修改通过对 PLD 重新编程实现，可以不影响其外围电路。因此，其重新编程实现，可以不影响其外围电路。因此，其 产品的维护、更新都很方便。产品的维护、更新都很方便。 PLD 使硬件也能象软件一使硬件也能象软件一 样实现升级，因而被认为是硬件革命。样实现升级，因而被认为是硬件革命。 较复杂的数字系统能用较复杂的数字系统能用1 1片或数片片或数片 PLD 实现，因而，实现，因而， 应用应用 PLD 生产的产品轻小可靠。此外，生产的产品轻小可靠。此外，PLD 还具有硬还具有硬 件加密功能。件加密功能。 应用应用 PLD 设计电路时，需选择合适的软件工具。设

28、计电路时，需选择合适的软件工具。 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 PLD 的的 基基 本本 结结 构构 图图 输输 入入 电电 路路 与与 阵阵 列列 输输 出出 电电 路路 或或 阵阵 列列 输输 入入 项项 乘乘 积积 项项 或或 项项 输输 入入 输输 出出 二、可编程逻辑器件的基本结构二、可编程逻辑器件的基本结构 输入缓冲电路用输入缓冲电路用 以产生输入变量的以产生输入变量的原原 变量和变量和反反变量，并提变量，并提 供足够的驱动能力。供足够的驱动能力。 输入缓冲电路输入缓冲电路 ( (a) )一般画法一般画法 ( (b) )PLD 中的习惯画法中的习惯画法 ( (a) )( (

29、b) ) A A A A AA 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 由多个多输由多个多输 入与门组成，用入与门组成，用 以产生输入变量以产生输入变量 的各乘积项。的各乘积项。 例例 如如 C ABC CABBA W7 = ABC ABCW0 = 与阵列与阵列 PLD 的的 基基 本本 结结 构构 图图 输输 入入 电电 路路 与与 阵阵 列列 输输 出出 电电 路路 或或 阵阵 列列 输输 入入 项项 乘乘 积积 项项 或或 项项 输输 入入 输输 出出 二、可编程逻辑器件的基本结构二、可编程逻辑器件的基本结构 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 PLD 器件中连接的习惯画法器件中连接的习

30、惯画法 固定连接固定连接 可编程连接可编程连接 断开连接断开连接 PLD 中与门和或门的习惯画法中与门和或门的习惯画法 ( (a) ) ( (b) ) Y C A B C B A A C B Y YY CBA 1 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 由多个多输由多个多输 入与门组成，用入与门组成，用 以产生输入变量以产生输入变量 的各乘积项。的各乘积项。 PLD 的的 基基 本本 结结 构构 图图 输输 入入 电电 路路 与与 阵阵 列列 输输 出出 电电 路路 或或 阵阵 列列 输输 入入 项项 乘乘 积积 项项 或或 项项 输输 入入 输输 出出 C ABC CABBA W7 = ABC

31、 ABCW0 = 与 阵 列 的与 阵 列 的 PLD 习惯画法习惯画法 二、可编程逻辑器件的基本结构二、可编程逻辑器件的基本结构 第九章 半导体存储器和可编程逻辑器件 由图可得由图可得 Y1 = ABC + ABC + ABC Y2 = ABC + ABC Y3 = ABC + ABC 例例 如如 ABC Y3Y2Y1 与阵列与阵列 或阵列或阵列 PLD 的的 基基 本本 结结 构构 图图 输输 入入 电电 路路 与与 阵阵 列列 输输 出出 电电 路路 或或 阵阵 列列 输输 入入 项项 乘乘 积积 项项 或或 项项 输输 入入 输输 出出 由多个多输由多个多输 入或门组成，用入或门组成，用 以产生或项，即以产生或项，即 将输入的某些乘将输入的某