第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件

1、第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 第第9章章 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 9.1 只读存储器只读存储器(ROM) 9.2 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)9.3 可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介主要内容主要内容：半导体存储器与可编程逻辑器件属于大规模集成电路，目前主要用于计算机的内存储器及其它功能模块目前主要用于计算机的内存储器及其它功能模块，在移动通信、移动存储器等领域也有很广阔的应用前景。本章首先学习各种半导体存储器的特点、分类，了解各种半导体存储器的工作原理和使用方法。最后，了解可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevices，

2、简称PLD)的基本知识。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 半导体存储器半导体存储器 按存取功能分类按存储原理分类按制造工艺分类ROMRAM双极型MOS型静态存储器动态存储器ROMPROMEPROME2PROMFlashROM半导体存储器第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 半导体存储器结构框图半导体存储器结构框图 A0A1W0W1An2An1地址译码W2 2W2 1nn存 储 矩 阵N M缓 冲 级F1F2Fn地 址输 入第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.1 只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器(ROM)是一种存放固定不变的二进制数码的存储器，在正常工作时，可重复读取所存储的

3、信息代码，而不能改写存储的信息代码。断电后，信息不会消失。9.1.1 只读存储器（只读存储器（ROM）框图）框图由地址译码器、存储矩阵、输出缓冲器以及芯片选择逻辑等组成。存储容量：存储容量：NM位位第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.1.2 掩膜掩膜ROM掩膜ROM是通过掩膜工艺制造出的一种固定ROM，用户无法改变内部所存储的信息，它具有性能可靠，大批量生产时成本低等优点。由于在制造时需要开膜，且费用可观，故只有在产品相当成熟且批量很大或长期生产时才考虑使用。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.1.3 熔丝式熔丝式ROM（PROM）熔丝式ROM是由用户用专用的写入器将信息写入。如要

4、将某位写入信息写入信息为0，则将该位的熔丝烧断烧断。如要将某位写入信息为1，则将该位的熔丝保留（不烧断）。由于熔丝烧断后不可恢复，故只能写入一次。它在制造时无需开膜，适合小批量生产时选用。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.1.4 紫外线可擦除可编程紫外线可擦除可编程ROM（UEPROM）EPROM是由用户用专用的写入器将信息写入器件的ROM。与PROM不同的是，如果要更改内部存储信息，只需将此器件置于紫外线下紫外线下擦除之后，用户又可将新的信息写入该器件。这种器件使用较方便，但成本略高，适合小批量生产时选用。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 EPROM器件的存储单元采用了浮置栅雪崩

5、注入MOS电路，简称为FAMOS管管。FAMOS管的栅极全部被二氧化硅包围着，没有引出脚，如悬浮状态，所以称为“浮置栅”。原始的浮置栅不带电荷，FAMOS管不导通，位线上是高电平，存储的信息为1。当FAMOS管的源极S与衬底接地、漏极D接较高电压（大于正常工作电压大于正常工作电压)时，漏极PN结反向击穿产生“雪崩”现象，使浮置栅积累电荷，FAMOS管处于导通状态，位线被箝在低电平，存储的数据为0。由于浮置栅被绝缘的二氧化硅包围，电荷不会丢失，即信息也不会丢失，这种存储的信息可能安全保存20年以上，但为了防止平时日光中的紫外线的照射，在其玻璃窗口上帖上黑纸。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件

6、当EPROM置于强紫外光下曝光时，产生的光电流光电流使所有浮置栅上的电荷返回到衬底，电荷被清除，即所有的信息皆变为1（这一过程大约为15min）。在写入信息时，若要使某位信息为0，即对应该位的存储单元内浮置栅需注入电荷，可将该位对应的漏源极间加一定大小的高电压，使之产生雪崩击穿雪崩击穿，产生的热电子穿过薄氧化层，与此同时在栅极上加一定大小的电压，在栅极电场的作用下，热电子被注入至浮置栅上，使浮置栅带电，也就完成了写入信息0的操作。要使某位信息为1，由于原先EPROM内部所有存储单元对应的信息皆为1，故对该位无需操作。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 EPROM的使用的使用目前EPROM的规

7、格较多，常用的有2716（2K8位），2732（4K8位），2764（8K8位）以及27128（16K8位）等等，它们的工作电压皆为+5V，但它们的编程电压不一定相同，芯片表面的透明石英玻璃窗专供芯片作擦除操作时紫外线照射用。由于自然光中)含有一定量的紫外线，在一定时间的作用下，可能会使芯片上部分或全部信息被擦除，所以在信息写入后，应用不透光纸将石英玻璃窗覆盖，以免信息丢失。注意注意：EPROM反复擦写的次数是有限的。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 EEPROM具有在线电改写，每个存储单元可改写上万次，在各个领域被广泛应用，尤其适用于现场停电后数据仍需保持的场合。9.1.5 电可擦除可编

8、程电可擦除可编程ROM（E2PROM）E2PROM的内部电路与EPROM电路类似，但其FAMOS中的结构进行了一些调整，在浮栅上增加了一个遂遂道二极管道二极管（实际上是在浮置栅与N型的衬底形成一层薄薄的氧化层后形成的），在编程时可以使电荷通过它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流向漏极，不需要紫外线激发放电，即擦除和编程只须加电就可以完成了，且写入数据的电流很小。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 快闪存储器采用了一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元，既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除的快捷特性，而且集成度可以做的很高。快闪存储器的写入方法和

9、EPROM相同，即利用雪崩注入雪崩注入的方法使浮栅充电。它的擦除操作是利用隧道效应隧道效应进行的，在这一点上又类似于E2PROM写入0时的操作。FlashMemory具有以下特点： 单一电源； SOP（小壳封装）或TSOP（薄小壳封装）； 多值技术； 多功能化。9.1.6 快闪存储器（快闪存储器（Flash Memory）第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 二、二、ROMROM的结构的结构只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)的结构：由地址译码器和只读不写存储体组的结构：由地址译码器和只读不写存储体组成。成。数据输出位线（数据线）A0A1An-1W0W1WN -1DM-1 D1D0地址输入

10、字线（选择线）地址译码器存储矩阵读出电路NM数据输出存储容量字线数位线数NM（位）存储单元存储单元地址地址第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 (1) (1) 逻辑结构示意图逻辑结构示意图m0A0A1An-1m1mim2n-1译译码码器器Z0(D0) 或门或门Z1(D1) 或门或门Zb-1(Db-1) 或门或门2n个与门构成个与门构成 n 位位二进制译码器二进制译码器 , 输输出出2n 个最小项。个最小项。02101DmmmZni1101DmmmZi.121011b-ib-DmmmmZnn个个输输入入变变量量b 个输出函数个输出函数或门阵列或门阵列与门阵列与门阵列第9章 半导体存储器和可编程逻

11、辑器件 3线线-8线译码器线译码器84存储单元矩阵存储单元矩阵输出缓冲器输出缓冲器地址码输入端地址码输入端数据输出端数据输出端字线字线 由地址译码器选中不同的字线，被选中字线上的四位数由地址译码器选中不同的字线，被选中字线上的四位数据通过输出缓冲器输出。据通过输出缓冲器输出。 如当地址码如当地址码A2A1A0000时，通过地址译码器，使字线时，通过地址译码器，使字线P01，将字线，将字线P0上的存储单元存储的数据上的存储单元存储的数据0000输出，即输出，即D0D30000。 将左图地址扩展成将左图地址扩展成n条地条地址线，址线，n位地址码可寻址位地址码可寻址2n个个信息单元，产生字线为信息单

12、元，产生字线为2n条，条，其输出若是其输出若是m位，则存储器的位，则存储器的总容量为总容量为2nm位。位。00010 0 0 0第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 (2) (2) 中大规模集成电路中门电路的简化画法中大规模集成电路中门电路的简化画法连上且为硬连接，不能通过编程改变连上且为硬连接，不能通过编程改变编程连接，可以通过编程将其断开编程连接，可以通过编程将其断开断开断开DBAY A BDCABDY&CBAY ABCY1与门与门或门或门 简化的门阵列见图简化的门阵列见图6.226.22第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 （1 1） 构成组合逻辑电路构成组合逻辑电路（2 2）

13、码制变换码制变换（3 3） 用户程序的存贮用户程序的存贮（4 4） 用于存储固定的数据、表格用于存储固定的数据、表格三、三、ROMROM的简单应用的简单应用第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 6 ROM在组合逻辑设计中的应用在组合逻辑设计中的应用 例例 在右表中，将输入地址在右表中，将输入地址A1A0视为输入变量，而将视为输入变量，而将D3、D2、D1、D0视为一组输出逻辑变量，视为一组输出逻辑变量，则则D3、D2、D1、 D0就是就是A1、A0的一组逻辑函数。的一组逻辑函数。 3101010201130010123210011101013mmAAAADmAADmmAAAADmmmmAAAA

14、AAAAD第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 “与”阵列A0A1“或”阵列F0F1F2F3m0m1m2m3m0m1m2m3F0F1F2F3A0A1A0A1A0A1(a)(b)图图 ROM的与或阵列图的与或阵列图 (a) 框图；框图； (b) 符号矩阵符号矩阵 第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 图图 ROM的与或阵列图的与或阵列图 (a) 框图；框图； (b) 符号矩阵符号矩阵 3101010201130010123210011101013mmAAAADmAADmmAAAADmmmmAAAAAAAAD第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 用用 ROM ROM 实现实现以下逻辑函数以下逻辑函

15、数例例 2Y1= m (2,3,4,5,8,9,14,15）Y2= m (6,7,10,11,14,15）Y3= m (0,3,6,9,12,15）Y4= m (7,11,13,14,15）A1B1C1D1m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15Y2Y3Y4Y1与阵列与阵列或阵列或阵列第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 3 用用ROM实现四位二进制码到格雷码的转换。实现四位二进制码到格雷码的转换。 解解 (1) 输入是四位输入是四位二进制码二进制码B3B0，输出，输出是四位格雷码，故选用是四位格雷码，故选用容量为容量为244的的ROM。 (2) 列出四位二

16、进列出四位二进制码转换为格雷码的真制码转换为格雷码的真值表值表，如表，如表 6.10所示。所示。由表可写出下列最小项由表可写出下列最小项表达式：表达式： 第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 四位二进制码转换为四位二进制码转换为格雷码格雷码的真值表的真值表 )15,14,13,12,11,10, 9 , 8(3G)11,10, 9 , 8 , 7 , 6 , 5 , 4(2G)13,12,11,10, 5 , 4 , 3 , 2(1G)14,13,10, 9 , 6 , 5 , 2 , 1 (0G第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m

17、13m14m15G0G1G2G3B0B1B2B3图图 四位二进制码转换为四位格雷码阵列图四位二进制码转换为四位格雷码阵列图 )15,14,13,12,11,10, 9 , 8 (3G)11,10, 9 , 8 , 7 , 6 , 5 , 4 (2G)13,12,11,10, 5 , 4 , 3 , 2 (1G)14,13,10, 9 , 6 , 5 , 2 , 1 (0G第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 参照组合逻辑函数框图及ROM电路框图，ROM电路的n根地址线可看作组合逻辑函数的n个输入变量，而M根位线可看作组合逻辑函数的M个输出变量，由于任一组合逻辑函数均可用最小项与或式表示，而RO

18、M中的地址译码器则形成了n个输入变量的所有最小项，即实现了逻辑变量的“与运算”，ROM中的存储矩阵则实现了最小项的“或运算”。所以只要将该函数最小项表达式中最小项值（1、0）写入ROM中的存储矩阵，便实现了该组合逻辑函数。于是，便可用ROM电路实现代码转换、函数运算、字符发生等函数。9.1.7 用用ROM电路实现组合逻辑函数电路实现组合逻辑函数第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 存储器状态表示存储器状态表示为了便于表示存储器的状态通常使用下图来表示，其中小圆点表示该交叉点存放了数据，没有小圆点表示没有存放数据（存放的数据可以是0，也可以是1，不同的存储器型号有所区别，下图中对应的小圆点存放的

19、数据为1）。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 示例示例1：用：用ROM实现实现8421BCD码到余码到余3码的转换。码的转换。F3=m(5,6,7,8,9)F2=m(1,2,3,4,9)F1=m(0,3,4,7,8)F0=m(0,2,4,6,8)第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 示例示例1：用：用ROM实现实现8421BCD码到余码到余3码的转换。码的转换。F3=m(5,6,7,8,9)F2=m(1,2,3,4,9)F1=m(0,3,4,7,8)F0=m(0,2,4,6,8)第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM） 9.2.1 RAM工作原

20、理工作原理可以随时对指定地址RAM进行读写操作。RAM有静态和动态两类。静态静态RAM：结构类似ROM，存储单元由双稳态触发器双稳态触发器构成，一旦触发器被置数，在不断电情况下，它的状态将被保持到下一次数据的写入，在这期间，读触发器的状态不会改变触发器状态，即它可在不断电的情况下反复高速读写，无限制。动态动态RAM：存储单元是由电容电容存储电荷来记忆信息的，考虑到集成度，这些电容容量都很小，而与这些电容相连器件的输入电阻总是一个有限的高阻，所以在这些电容上的电荷存在放电现象。为了维持电容上记忆的信息，需。所以动态RAM在使用上不如静态RAM方便，但它的集成度比静态RAM高，且价格相对较低。第9

21、章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.2.2 RAM的应用的应用1. 系统断电后数据保护系统断电后数据保护在有些应用场合，不仅要求对现场不断变化的数据作即时记忆，并且当系统断电时能将当时的数据保存下来。显然，对于前一要求，RAM是符合的，但RAM是是易失性器件易失性器件，它所保存的有效信息在断电后会立即丢失。然而由于低功耗静态低功耗静态RAM的出现使得用锂电池锂电池（或可充电电池）来进行断电数据保护成为可能（一节3V锂电池可维持一片62256（32K8位）芯片大约三年以上数据不丢失）。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.2.2 RAM的应用的应用1. 系统断电后数据保护系统断电后数据保护

22、在实际应用中，为了避免系统在失电的瞬间可能对RAM的误写，硬件上还需对片选端加以控制，可参阅有关资料。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 2. 存储器的扩展使用存储器的扩展使用在实际的数字系统应用中，有时现有的单片RAM的字线或位线会不够，这就需要用几片RAM进行扩展以满足实际的要求。扩展有字线扩展字线扩展和位线扩展位线扩展（根据实际需要），一般用增加地址线经译码后作为片选信号进行字线的扩展。对于位线的扩展，可采用各单片RAM的相同地址线并联，于是输出线也就被扩展了。对于ROM的扩展，方法与RAM相同。第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 CSR / WCSR / WCSR / WCSR /

23、 W1D7D6D5D4D3D2D1D0A10A9A0R / W101010101K4位位2K8位位第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.3 可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介 9.3.1 概述概述 可编程逻辑器（ProgrammableLogicDevices，简称PLD）是一种“与或”阵列可编程器件； 最终逻辑结构和功能由用户编程决定； 分类：PROM，PAL，GAL等。PLD器件的使用可使系统硬件体积大大减少，降低功耗和成本，提高系统可靠性，并且具有一定的保密性、灵活性；能很好地解决大规模集成电路的通用性和专用性这一对矛盾；有些PLD的集成度很高，足以满足设计一般数字系统的需要。第9

24、章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.3.2 可编程阵列逻辑（可编程阵列逻辑（PAL）将“或阵列”固定，而使“与阵列”可编程，这种器件称为可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，简称PAL）。一般PAL器件只能用来实现组合逻辑电路，也有带有触发器和反馈线结构的PAL器件，它可用来实现时序逻辑电路。2102021010110100IIIIIOIIIIOIIIIO第9章 半导体存储器和可编程逻辑器件 9.3.3 通用阵列逻辑器件（通用阵列逻辑器件（GAL）由于PAL器件的输出电路结构类型繁多，给使用者带来不便，于是便产生了一种新型的通用阵列逻辑器件（GenericArrayLogic，简称GAL）。1. GAL器件的特点器件的特点(1)每个输出引脚都有输出逻辑宏单元OLMC，允许使用者根据需要来定义每个输出的结构和功能。(2)由于采用了EEPROM结构，其重复编程次数可达100次以上，擦除和编程仅需几秒钟。(3)有