第七章 存储器、复杂可编程器件

1、数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件第七章第七章 存储器、存储器、复杂可编程器件复杂可编程器件7.0 概述（概述（summary）7.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.3*可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD）7.1 只读存储器（只读存储器（ROM）数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 基本要求基本要求 1、掌握、掌握RAM的电路结构、工作原理，了的电路结构、工作原理，了解静态解静态RAM和动态和动态RAM的存储原理、使用的存储原理、使用方法；方法；2、掌握各种、掌握各种ROM的工作原理

2、和使用方法；的工作原理和使用方法；3、了解了解简单简单PLD的结构、编程原理，为以的结构、编程原理，为以后学习复杂可编程逻辑器件打下基础。后学习复杂可编程逻辑器件打下基础。 数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件7.0 概述（概述（summary）一、用一、用SSI和和MSI构成数字系统存在的问题构成数字系统存在的问题体积大体积大重量大重量大功耗高功耗高 成本高成本高可靠性差可靠性差数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 二、二、LSI的现状和前景的现状和前景 目前，在单块硅片上集成十万个元件、器件的大规目

3、前，在单块硅片上集成十万个元件、器件的大规模集成电路已广泛应用到各种电子仪器和设备中。集成模集成电路已广泛应用到各种电子仪器和设备中。集成电路已进入超大规模和甚大规模阶段，如电路已进入超大规模和甚大规模阶段，如lattics公司的公司的Flex10K10系列，等效门数为系列，等效门数为10000门，另外还有门，另外还有Flex10K100系列，等效门数为系列，等效门数为100000门。门。 近年来，随着电子设计自动化技术的发展，以及可近年来，随着电子设计自动化技术的发展，以及可编程逻辑器件的广泛应用，使电子电路设计方法和手段编程逻辑器件的广泛应用，使电子电路设计方法和手段都得到了不断的改进和创

4、新，也为大规模集成电路的应都得到了不断的改进和创新，也为大规模集成电路的应用开辟了新的途径。可以预见，大规模集成电路必将越用开辟了新的途径。可以预见，大规模集成电路必将越来越广泛地应用于通信技术、计算机技术、自动控制技来越广泛地应用于通信技术、计算机技术、自动控制技术等领域中，术等领域中，PLD的原理和应用是每个电子工程师必备的原理和应用是每个电子工程师必备的一门技术。大规模集成电路的制造技术和应用技术都的一门技术。大规模集成电路的制造技术和应用技术都得到了飞速发展，主要表现在以下几个方面。得到了飞速发展，主要表现在以下几个方面。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储

5、器和可编程逻辑器件（1）密度越来越高）密度越来越高 单片密度已达十万、几十万、甚至几百万门，已进单片密度已达十万、几十万、甚至几百万门，已进入超大规模和甚大规模阶段。入超大规模和甚大规模阶段。（2）用户可编程且拥有多种编程技术）用户可编程且拥有多种编程技术（3）设计工具不断完善）设计工具不断完善 现有的设计自动化软件即支持功能完善硬件描述语现有的设计自动化软件即支持功能完善硬件描述语言如言如VHDL、Verilog等作为文本输入，又支持逻辑电等作为文本输入，又支持逻辑电路图、工作波形图等作为图形输入。路图、工作波形图等作为图形输入。 本章主要介绍半导体存贮器的分类方法、电路结构和本章主要介绍半

6、导体存贮器的分类方法、电路结构和工作原理，了解简单工作原理，了解简单PLD的结构、编程原理。的结构、编程原理。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 存储器存储器用以存储二进制信息的器件。按集成度分，半用以存储二进制信息的器件。按集成度分，半导体存贮器属于大规模集成电路。导体存贮器属于大规模集成电路。 半导体存储器的分类：半导体存储器的分类： 根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类：根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类： （1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM）也叫做读）也叫做读/写存储器。既能写存储器。既能方便地读出所存数据，

7、又能随时写入新的数据。方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM的缺的缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。 （2）只读存储器（）只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。）。其内容只能读出不能写入。 存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。 存储器的容量：存储器的容量存储器的容量：存储器的容量=字长（字长（n）字数（字数（m） 存储器的基本概念存储器的基本概念 三、存储器（三、存储器（ memory ）数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑

8、器件半导半导体存体存储器储器RAM（读写存（读写存储器）储器） ROM（只读存（只读存贮器）贮器）静态静态RAM（SRAM）：）：数据由触发器记数据由触发器记忆，只要不断电，数据能永久保存。忆，只要不断电，数据能永久保存。动态动态RAM（DRAM）：）：数据由数据由MOS管管栅极电容存贮，存贮单元有三管和单管两种。栅极电容存贮，存贮单元有三管和单管两种。固定固定ROM（掩模（掩模ROM）PROM（一次可编程）（一次可编程）EPROM（光可擦除可（光可擦除可编程）编程）E2PROM（电可擦除可（电可擦除可编程）编程）快闪存储器快闪存储器可编程可编程ROM半导体存储器的分类：半导体存储器的分类：数

9、字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件7.1 只读存储器只读存储器ROM定义：定义：只读存储器只读存储器ROM（ReadOnly memory）是存储固定信息的存储器件，即）是存储固定信息的存储器件，即先把信息和数据写入到存储器中，在正常工先把信息和数据写入到存储器中，在正常工作时它存储的数据是固定不变的，只能读出，作时它存储的数据是固定不变的，只能读出，不能迅速写入，故称为只读存储器。不能迅速写入，故称为只读存储器。特点：特点：掉电后存储的数据不会丢失。掉电后存储的数据不会丢失。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编

10、程逻辑器件ROM（按使用的器件的类型）（按使用的器件的类型）ROM的分类的分类二极管二极管ROM 双极型三极管双极型三极管ROM MOS管管ROM数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件固定固定ROM： 出厂时已完全固定下来，使用时无法再更出厂时已完全固定下来，使用时无法再更 改，也称掩模编程改，也称掩模编程ROM。可编程可编程ROM： PROM： 允许用户根据需要写入，但只能写一次。允许用户根据需要写入，但只能写一次。 EPROM：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入， 但但 操作复杂、费时。操作复杂、

11、费时。EEPROM： 允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写 入，入，操作比较简便、快捷。操作比较简便、快捷。快闪存储器：仍是快闪存储器：仍是ROM，兼有，兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特点，既有存储内容非丢失性，又有的特点，既有存储内容非丢失性，又有快速擦快速擦写和写和 读取的特性。读取的特性。按数据的写入方式（存贮内容的存入方式）按数据的写入方式（存贮内容的存入方式）数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件ROM的用途：的用途：1、存储各种程序代码；、存储各种程序代码；2、实现多输入、多输出逻辑函数真

12、值表；、实现多输入、多输出逻辑函数真值表；3、代码的变换、符号和数字显示等有关数、代码的变换、符号和数字显示等有关数字电路及存储各种函数等。字电路及存储各种函数等。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件1、ROM的结构的结构输入驱动器：输入驱动器：起着缓冲的作用，且生成互补的输入信号。起着缓冲的作用，且生成互补的输入信号。输出缓冲器：输出缓冲器：既有缓冲作用，有可以提供不同的输出结既有缓冲作用，有可以提供不同的输出结 构，构， 如三态输出、如三态输出、OC输出等。输出等。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器

13、件2 、EPROM 在研制一个数字系统的过程中，用户常常希望能够按在研制一个数字系统的过程中，用户常常希望能够按照自己的需要对照自己的需要对ROM 进行编程，这样的进行编程，这样的ROM叫做可编叫做可编程程ROM或或EPROM。 PROM在出厂时，制作的是一个完整的二极管或三极在出厂时，制作的是一个完整的二极管或三极管存储单元矩阵，相当于所有的存储单元全部存入管存储单元矩阵，相当于所有的存储单元全部存入1。在。在每个单元的三极管发射极上都接有快速熔丝，它是用低熔每个单元的三极管发射极上都接有快速熔丝，它是用低熔点的合金或很细的多晶硅导线制成的。点的合金或很细的多晶硅导线制成的。 写操作：写操作

14、：在写入数据时，首先应找出要写入的单元在写入数据时，首先应找出要写入的单元地址，并输入相应的地址码，使相应的字线输出高电平，地址，并输入相应的地址码，使相应的字线输出高电平，然后在相应的位线上按规定加入高电压脉冲，使稳压管然后在相应的位线上按规定加入高电压脉冲，使稳压管导通，写入放大器的输出呈低电平、低内阻状态，相应导通，写入放大器的输出呈低电平、低内阻状态，相应存储单元的三极管饱和导通，有较大的脉冲电流流过熔存储单元的三极管饱和导通，有较大的脉冲电流流过熔丝，并将其熔断。丝，并将其熔断。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件读操作：读操作： 先读熔

15、丝未熔断的，相应字线为高电平，先读熔丝未熔断的，相应字线为高电平，再读熔丝再读熔丝 熔断的。熔断的。 显然，显然，PROM的有关存储单元的数据一经写的有关存储单元的数据一经写好后，就不能作任何更改，所以使用的灵活性受好后，就不能作任何更改，所以使用的灵活性受到一定限制。到一定限制。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件3 、EPROM： 采用浮栅型采用浮栅型MOS器件作为存储单元的一个元件，需器件作为存储单元的一个元件，需紫外线照射才能擦除，大概需要紫外线照射才能擦除，大概需要1030分钟，可擦除分钟，可擦除上万次。上万次。4 、EEPROM： 同样

16、采用浮栅工艺，但可利用一定宽度电脉冲擦除。同样采用浮栅工艺，但可利用一定宽度电脉冲擦除。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件可读可写可读可写读写方便读写方便所存储信息会因断电而丢失所存储信息会因断电而丢失7.3 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）（读写存储器）（读写存储器）（Random Access Memory）用途：用途：特点：特点：常用来放一些采样值、运算的中间常用来放一些采样值、运算的中间 结果，数据暂存、缓冲等。结果，数据暂存、缓冲等。RAM（读写存（读写存储器）储器）静态静态RAM（SRAM）：）：数据由触发器记忆，只要不断数据

17、由触发器记忆，只要不断电，数据能永久保存。所用管子多，功耗大，集成度受限制。电，数据能永久保存。所用管子多，功耗大，集成度受限制。动态动态RAM（DRAM）：）：数据由数据由MOS管栅极电容存贮，数管栅极电容存贮，数据必须定期刷新，常见的存贮单元有三管和单管两种。为提据必须定期刷新，常见的存贮单元有三管和单管两种。为提高集成度，目前大容量存贮单元普遍采用单管结构。高集成度，目前大容量存贮单元普遍采用单管结构。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件RAM的结构框图的结构框图1、RAM的结构的结构地址线地址线数据线数据线控制线控制线数字电子技术第八章第八

18、章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件存储矩阵存储矩阵地址译码器地址译码器读写控制电路（输入读写控制电路（输入/输出控制电路）输出控制电路）（1）存储矩阵）存储矩阵 一个存贮器由许多存贮单元组成，每个存储单元能存放一个存贮器由许多存贮单元组成，每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指存储单元的数目。一位二值信息。存储器的容量是指存储单元的数目。存储容量存储容量=存储单元的数目存储单元的数目=行数行数*列数列数=字数字数*位数位数 存贮器的容量越大，意味着存贮器存贮的数据越多。存贮器的容量越大，意味着存贮器存贮的数据越多。RAM的结构的结构3类信号线：地址线、数据线

19、、控制线。类信号线：地址线、数据线、控制线。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 （2）地址译码）地址译码 一个一个RAM由若干字和位组成。由若干字和位组成。通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了区分通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了区分不同的字，将存放同一个字的各个存储单元编为一组，不同的字，将存放同一个字的各个存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。并赋予一个号码，称为地址。 地址的选择是借助于地址译码器实现的。容量小地址的选择是借助于地址译码器实现的。容量小的可以只用一个译码器，容量大的通常采用双译码结的可以只用一个译码器

20、，容量大的通常采用双译码结构，即将输入地址分为两部分，分别由行译码器和列构，即将输入地址分为两部分，分别由行译码器和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储矩阵的译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储矩阵的字线和位线，由它们共同确定欲选择的存储单元。只字线和位线，由它们共同确定欲选择的存储单元。只有被行地址选择线和列地址选择线同时选中的单元，有被行地址选择线和列地址选择线同时选中的单元，才能被访问。才能被访问。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件（3）输入）输入/输出控制电路输出控制电路 在系统中为了便于控制，电路中不仅有读在系统中为了便于控制

21、，电路中不仅有读/写控制信写控制信号号R/W，还有片选控制信号，还有片选控制信号CS。当片选信号有效时，芯。当片选信号有效时，芯片被选中，可进行读片被选中，可进行读/写操作，否则芯片不工作。片选信写操作，否则芯片不工作。片选信号仅解决芯片是否工作问题，而芯片的读、写操作由读号仅解决芯片是否工作问题，而芯片的读、写操作由读/写控制信号决定。写控制信号决定。 在半导体存贮器中采用了按地址存放数据的方法，只在半导体存贮器中采用了按地址存放数据的方法，只有那些被地址代码指定的存贮单元才能与输入有那些被地址代码指定的存贮单元才能与输入/输出端接输出端接通，可以对这些被指定的单元进行读通，可以对这些被指定

22、的单元进行读/写操作。而输入写操作。而输入/输输出端是公用的。为此存贮器的电路结构中必须包含地址译出端是公用的。为此存贮器的电路结构中必须包含地址译码器、存贮矩阵和输入码器、存贮矩阵和输入/输出电路（或读输出电路（或读/写控制电路）这写控制电路）这三个组成部分。三个组成部分。数字电子技术第八章第八章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2、RAM存储容量的扩展存储容量的扩展 在一片存贮器芯片的存贮容量不够用时，可以将多片在一片存贮器芯片的存贮容量不够用时，可以将多片存贮器芯片组合起来，构成一个更大容量的存贮器。当每存贮器芯片组合起来，构成一个更大容量的存贮器。当每片存贮器的

23、字数够用而每个字的位数不够用时，应采用位片存贮器的字数够用而每个字的位数不够用时，应采用位扩展的联接方式；当每片的字数不够用而每个字的位数够扩展的联接方式；当每片的字数不够用而每个字的位数够用时，应采用字扩展的联接方式；当每片的字数和位数都用时，应采用字扩展的联接方式；当每片的字数和位数都不够用时，则需同时采用位扩展和字扩展的联接方式。不够用时，则需同时采用位扩展和字扩展的联接方式。（1）字长（位数）的扩展）字长（位数）的扩展 通常通常RAM芯片的字长多设计成芯片的字长多设计成1位、位、4位、位、8位等，当位等，当实际的存储器系统的字长超过实际的存储器系统的字长超过RAM芯片的字长时，需要对芯片的字长时，需要对RAM实行位扩展。实行位扩展。 位扩展可以利用芯片的并联方式实现。位扩展可以利用芯片的并联方式实现。连接的方法是连接的方法是将各片的地址线、读将各片的地址线、读/写控制线（写控制线