第08章(半导体存储器和可编程逻辑器件)

1、第第第第第第8 8 8章章章章章章 半导体存储器和可半导体存储器和可半导体存储器和可半导体存储器和可半导体存储器和可半导体存储器和可编程逻辑器件编程逻辑器件编程逻辑器件编程逻辑器件编程逻辑器件编程逻辑器件学习要点：学习要点： 随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）可编程逻辑器件（PLD）存储器用来存放数据、资料、程序等二进制信息的器件。可编程逻辑器件由用户定义和设置逻辑功能的器件。存储器的分类存储器的分类RAM：在工作时既能从中读出（取出）信息，又能随时写入（存入）信息，但断电后所存信息消失（易失性）。ROM：在工作时主要用于读出信息，写入的信息不随意改写，断电后其所存信息在仍能保持（非

2、易失性）。按构成器件：按构成器件：双极型：TTL、ECL、I2LMOS型：PMOS、NMOS、CMOS按功能：按功能：又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。又分为固定ROM、可编程ROM。8.1 随机存取存储器随机存取存储器（RAM）RAM是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。RAM中的每个寄存器称为一个字，寄存器中的每一位称为一个存储单元。寄存器的个数（字数）与寄存器中存储单元个数（位数）的乘积，叫做RAM的容量。按照RAM中寄存器位数的不同，RAM有多字1位和多字多位两种结构形式。在多字1位结构中，每个寄存器都只有1位，例如一个容量为10241位的RAM，就

3、是一个有1024个1位寄存器的RAM。多字多位结构中，每个寄存器都有多位，例如一个容量为2564位的RAM，就是一个有256个4位寄存器的RAM。8.1.1 RAM的结构的结构存取速度：反映存储器的工作速度。存储容量：字数位数（字位）存储矩阵地址译码器读/写控制电路地址码输入片选读/写控制输入/输出由大量存储单元构成的矩阵用以决定访问哪个字单元用以决定芯片是否工作用以决定对被选中的单元是读还是写读出及写入数据的通道1、存储矩阵、存储矩阵一个RAM由若干个存储单元组成。每个存储单元存放一位二进制信息。为了存取方便，存储单元通常设计成矩阵形式。例如：容量是2564的存储器（256个字，每字4位）

4、存储容量： 2564=1024（1K） 有有1024个存储单元，排列成个存储单元，排列成3232的矩阵。的矩阵。 （210=2525=3232 ）X0X1X2X318 根列选择线 Y0 Y1 Y732根行选择线容量为2564 RAM的存储矩阵存储单元1024个存储单元排成32行32列的矩阵每4个存储单元分为一组，存放一个字2、地址译码：、地址译码：地址：地址：信息的读/写是以字为单位进行的。为了区别不同的字，将存放同一字的存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。地址的选择通过地址译码器来实现。 译码方式译码方式：区分256个字需8位地址码（28=256）单译码结构：产生256根地址线。 译

5、码和驱动电路复杂。双译码结构：将输入地址码分为两部分，地址译码器由行 译码器和列译码器组成。行、列译码器的输 出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选 择的地址单元。X0X1X2X318 根列选择线 Y0 Y1 Y732根行选择线容量为2564 RAM的存储矩阵每根行选择线选择一行每根列选择线选择一个字列Y11，X21，位于X2和Y1交叉处的字单元可以进行读出或写入操作，而其余任何字单元都不会被选中。A0A1A2A3A4X0X1X2X31A5 A6 A7Y0 Y1 Y7行译码器列 译 码 器2564 RAM存储矩阵中，256个字需要8位地址码A7A0。其中高3位A7A5用于列译码输入，低5位A4

6、A0用于行译码输入。A7A0=00100010时，Y1=1、X2=1，选中X2和Y1交叉的字单元。000100 0 1共32+8=40条译码输出线，节省了译码和驱动电路。行、列地址均有效的单元被行、列地址均有效的单元被选中选中，可对其进行读，可对其进行读/写操作。写操作。3、存储单元、存储单元是存储器最基本的存储细胞。一个存储单元可以存放一位二进制信息。存储单元的结构多样。RAM由此分类。SRAM（静态RAM）存储单元：六管静态存储单元为例DRAM（动态RAM）存储单元：三管动态存储单元为例 MOS器件的电荷存储特性：器件的电荷存储特性：MOS管的栅源间具有寄生电容0.5pF左右，当这一电容被

7、充以电荷后（存储了信息），由于绝缘栅型MOS管的输入电阻极大（109），因此在没有放电回路时，电荷不会很快放掉，信息将以电荷的形式由电容存储起来。动态MOS电路就是利用输入电容的存储效应而工作的。实际上，MOS管的输入电阻、截止时漏源之间的电阻都不是无穷大，因此存在漏电流，应对电容存储电荷进行定期补充，即刷新即刷新。4、读、读/写控制电路写控制电路为了便于控制，电路中不仅有读/写控制信号（R/ ），还有片选控制信号（CS） 。CS有效时：WWR/ =1 进行读操作，存储单元存储的数据传送到I/O线上。R/ =0 进行写操作， I/O线上的数据传送到存储单元。W24 23 22 21 20 19

8、 18 17 16 15 14 1361161 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND VDD A8 A9 WE OE A10 CS D7 D6 D5 D4 D3集成集成2kB8位位RAM6116写入控制端片选端输出使能端A0A10：地址码输入端，D0D7：数码输出端。8.1.2 RAM容量的扩展容量的扩展I/O10241RAM(0)A0 A1 A9 R/W CSI/O0I/O1I/O10241RAM(7)A0 A1 A9 R/W CSI/O7A0A1A9R/WCSI/O10241RAM(1)A0 A1 A9

9、R/W CS将地址线、读写线和片选线对应地并联在一起输入输出（I/O）分开使用作为字的各个位线10241扩展成1024 8A0A1A9R/WA10A11A12I/O0I/O1I/O3I/O2I/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RAM(7)A0 A1 A9 R/W CSI/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RAM(1)A0 A1 A9 R/W CSI/O0 I/O1 I/O2 I/O31k4RAM(0)A0 A1 A9 R/W CSY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6 Y73 线-8 线译码器A0 A1 A2输入输出（I/O）线并联要增加的地址线A10A12与译码器的输入相连，译码器的输出

10、分别接至8片RAM的片选控制端1K4扩展成8K4本节小结：随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）可以在任意时刻、对）可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出（读出）操作。与只读存储器（读出）操作。与只读存储器ROM相比，相比，RAM最大最大的优点是存取方便，使用灵活，既能不破坏地读出所的优点是存取方便，使用灵活，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。所存内容便全部丢失。RAM由存储矩阵、地址译码器、读写控制电由存储矩阵、地址译码

11、器、读写控制电路、输入输出电路和片选控制电路等组成。实际上路、输入输出电路和片选控制电路等组成。实际上RAMRAM是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。模集成电路。当单片当单片RAM不能满足存储容量的要求时，可以不能满足存储容量的要求时，可以把若干片把若干片RAM联在一起，以扩展存储容量，扩展的联在一起，以扩展存储容量，扩展的方法有位扩展和字扩展两种，在实际应用中，常将两方法有位扩展和字扩展两种，在实际应用中，常将两种方法相互结合来达到预期要求。种方法相互结合来达到预期要求。8.2 只读存储器只读存储器（ROM）ROM的分类的分类固定R

12、OM：不能改写。可编程ROM：可以改写。一次可编程PROM 、光擦除可编程EPROM、电擦除可编程E2PROM和快闪存储器。按存储内容的写入方式可分为按存储内容的写入方式可分为8. 2. 1 ROM的结构及工作原理的结构及工作原理1、ROM的结构的结构W0W1Wi12 nWD0 D1 Db-1 位线输出数据0 单元1 单元i 单元2n-1 单元存储体地址输入字线地址译码器A0A1An-1存储容量字数位数2nb（位）存储单元地址存储单元地址2、ROM的工作原理的工作原理11D3 D2 D1 D0A1A0W0W1W2W31111&44位位ROM地址译码器地址译码器存储体存储体0100AAmW011

13、1AAmW0122AAmW0133 AAmW310310330301321321220203 mmmWWWDmmWWDmmmWWWDmmWWD11D3 D2 D1 D0A1A0W0W1W2W31111&地 址A1 A0字 线W0 W1 W2 W3存 储 内 容D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 1 10 1 0 11 1 0 00 1 1 1A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0地 址A1 A0字 线W0 W1 W2 W3存 储 内 容D3 D2 D1 D00 00 11 01

14、11 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 1 10 1 0 11 1 0 00 1 1 111D3 D2 D1 D0A1A0W0W1W2W31111&A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1地 址A1 A0字 线W0 W1 W2 W3存 储 内 容D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 1 10 1 0 11 1 0 00 1 1 111D3 D2 D1 D0A1A0W0W1W2W31111&A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D0=

15、0D2=1地 址A1 A0字 线W0 W1 W2 W3存 储 内 容D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 1 10 1 0 11 1 0 00 1 1 111D3 D2 D1 D0A1A0W0W1W2W31111&A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1存储内容存储内容地 址A1 A0字 线W0 W1 W2 W3存 储 内 容D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 1 10 1 0 11 1 0 00 1 1 1对

16、于给定的地址，相应一条字线输出高电平，与该字线相连接的或门输出为 1，未连接的或门输出为 0。A1 A1 A0 A0 或门阵列(存储矩阵)与门阵列(地址译码器) Y3 Y2 Y1 Y0m0m1m2m3ROM的简化画法的简化画法地址译码器产地址译码器产生了输入变量生了输入变量的全部最小项的全部最小项存储体实现存储体实现了有关最小了有关最小项的或运算项的或运算与与阵阵列列固固定定或或阵阵列列可可编编程程连接断开)13,12,11,10, 9 , 5 , 4 , 2 , 1 , 0()15,14,12, 9 , 7 , 1 ()15,14,13,12,11,10, 7 , 6()15,14, 9 ,

17、 8 , 5 , 4 , 3 , 2(4321mYmYmYmY8. 2. 2 ROM的应用的应用1、用、用ROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数逻辑表达式逻辑表达式真值表或最真值表或最小项表达式小项表达式 1 1 CBADBCBCAYDCBBCDDABYBCACABYCBAY4321按A、B、C、D排列变量，并将Y1、Y2扩展成为4变量的逻辑函数。 2 2 选选择择ROM，画画阵阵列列图图 m0 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10 m11 m12 m13 m14 m15 与门阵列(地址译码器) 或门阵列(存储矩阵) Y1 Y2 Y3 Y4 A A B B C C D

18、D 2、用、用ROM作函数运算表作函数运算表用ROM构成能实现函数yx2的运算表电路。例例设x的取值范围为015的正整数，则对应的是4位二进制正整数，用BB3B2B1B0表示。根据yx2可算出y的最大值是152225，可以用8位二进制数YY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。由此可列出YB2即yx2的真值表。输 入输 出注B3 B2 B1 B0Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0十进制数0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11

19、1 1 01 1 1 10 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 10 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 10149162536496481100121144169196225真真值值表表逻逻辑辑表表达达

20、式式)15,13,11, 9 , 7 , 5 , 3 , 1 (0)14,10, 6 , 2()13,11, 5 , 3()12,11, 9 , 7 , 5 , 4()15,13,11,10, 7 , 6()15,14,11,10, 9 , 8()15,14,13,12(01234567mYYmYmYmYmYmYmYm0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15与门阵列(地址译码器)或门阵列(存储矩阵)Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0B3 B3 B2 B2 B1 B1 B0 B0阵列图阵列图3、用、用ROM作字符发生器电路作字符发生器电路输出缓冲器A

21、2A1A0 D4 D3 D2 D1 D0地址译码器用用ROM存储字符存储字符Z8. 2. 3 ROM的容量扩的容量扩展展 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 1527256(32k8) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14VPP A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GNDVCC A14 A13 A8 A9 A11 OE A10 CS O7 O6 O5 O4 O3EPROM芯芯片片正常使用时，VCC=5V，VPP=5V。编程时，VPP=25V。OE为输出使能端，OE=0时允许输出；OE=1

22、时，输出被禁止，ROM输出端为高阻态。CS为片选端，CS=0时，ROM工作；CS=1时，ROM停止工作，且输出为高阻态（不论OE为何值）。1、位扩展（字长的扩展）、位扩展（字长的扩展）地址总线A14A08位总线D7D08位总线D15D8CSOEA0 O0A14CS O7OEA0 O0A14CS O7OE16位数据总线D15D02725627256地址线及控制线分别并联输出一个作为高8位，另一个作为低8位用两片用两片27256扩展成扩展成32k16位位EPROM2、字扩展（字数扩展，地址码扩展）、字扩展（字数扩展，地址码扩展）用用4片片27256扩展成扩展成432k16位位EPROM地址总线 A

23、16A0数据总线 D7D8OEA0 O0A14CS O7OEA0 O0A14CS O7OE27256(1)27256(2)A0 O0A14CS O7OE27256(3)A0 O0A14CS O7OE27256(4)A0 Y0A1 Y1 Y2ST Y3 2174LS139Y0Y1Y2Y3OE端、输出线及地址线分别并联高位地址A15、A16作为2线-4线译码器的输入信号，经译码后产生的4个输出信号分别接到4个芯片的CS端本节小结只读存储器在存入数据以后，不能用简单的方法只读存储器在存入数据以后，不能用简单的方法更改，即在工作时它的存储内容是固定不变的，只能更改，即在工作时它的存储内容是固定不变的，只能从中读出信息，不能写入信息，并且其所存储的信息从中读出信息，不能写入信息，并且其所存储的信息在断电后仍能保持，常用于存放固定的信息。在断电后仍能保持，常用于存放固定的信息。ROM由地址译码器和存储体两部分构成。地址译由地址译码器和存储体两部分构成。地址译码器产生了输入变量的全部最小项，即实现了对输入码器产生了输入变量的全部最小项，即实现了对输入变量的与运算；存储体实现了有关最小项的或运算。变量的与运算；存储体实现了有关最小项的或运算。因此，因此，ROM实际上是由与门阵列和或门阵列构成的组实际上是由与门阵列和或门阵列构成的组合电路，利用合电路，利用ROM可