《数字电路与逻辑设计》第9章

1、第九章半导体存储器1基本概念特点：速度快，体积小，集成度高，可靠性高。 半导体存储器是由半导体器件构成的大规模集成电路,专门用来存放二进制信息的,是任何数字电路特别是计算中不可缺少的一部分。2 按所用半导体器件的不同,半导体存储器分为:1.双极型-工作速度快,在微机中作高速 缓存。2.MOS型-功耗小,因而集成度高。用于大容量存储,如微机中的内存条。31. 只读存储器(ROM: Read Only Memory）信息可长期保存,断电也不丢失。 按存取方式半导体存储器可分为:(Ultra violet)1) ROM2) PROM-programmable 3) EPROMUVEPROM(Eras

2、able)E2PROM(Electrically) 4) FLASH Memory42.随机存取存储器(RAM: Random Access Memory)任何时刻对任何单元都能直接写入或读出 二进制信息,断电后信息就丢失。RAM1) SRAM 静态 随机存取存储 器 (static)2) DRAM 动态随机存储存取器 (Dynamic)53. 顺序存取存储器 (Sequential Access Memory)顺序存取存储器的特点是先入先出或先入后出SAMFIFO First in First outFILO First in Last out69.1只读存储器(ROM) 只读存储器在工作时

3、其存储内容是固定不变的，因此，只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。9.1.1 ROM的结构及工作原理1）ROM的结构： 1. 地址译码器 2. 存储矩阵 3. 输出电路。7存储矩阵MN输出电路 b0 b1 b N-1 D0 D1 D N-1地址译码器W0A0图9.1.1 ROM的结构框图W1WM-1A1AK-1输出电路：1、提高存储器带负载的能力。2、实现输出状态三态控制，与系统数据总线连接。 每当给定一组输入地址时，译码器选中某一条输出字线Wi，该字线对应存储矩阵中的某个“字”，并将该字中的n位信息通过位线送至输出电路进行输出。8存储矩阵MN输出电路 b0 b1 b N-1 D0 D

4、1 D N-1地址译码器W0A0图9.1.1 ROM的结构框图W1WM-1A1AK-1字线位线 按“字”存放、读取数据，每个“字”由若干个存储单元组成，即包含若干“位”。字的位数称为“字长”。 存储容量是 ROM 的主要技术指标之一，它一般用 存储字数：M=2K 输出位数：N 来表示。例如：128(字) 8(位)、1024(字) 8(位)等等。9ROM 的存储容量1. 存储容量存储器存储数据的能力，为存储器含存储单元的总位数。存储容量 = 字数 位数字 word位 bit1k 1 : 1024 个字 每个字 1 位 存储容量 1 k1k 4 : 1024 个字 每个字 4 位 存储容量 4 k

5、256 8 : 256 个字 每个字 8 位 存储容量 2 k64 k 16: 64 k 个字 每个字 16 位 存储容量 1024k（1M） 2. 存储容量与地址位数的关系存储容量 256 48 位地址256 = 284 位数据输出存储容量 8k88k=8210 =21313 位地址8 位数据输出10图 9.1.2 二极管ROM11D3D2D11D0缓冲器输出电路存储矩阵地址译码器b3b2b1b0字线 W0 W1 W2 W3111位线VCCA1A02）ROM的工作原理1111D3D2D11D0缓冲器输出电路存储矩阵地址译码器b3b2b1b0字线 W0 W1 W2 W3111位线VCCA1A0

6、地址输入选中字线ROM输出A1A0D3D2D1D000011011表9.1.1 图9.1.2的地址输入与输出状态对应关系该存储器的容量字数位数44位W01010W11110W20101W3110112结论字线W和位线b间接二极管，存储信息1，字线W和位线b间不接二极管，存储信息0。11D3D2D11D0驱动器输出电路存储矩阵地址译码器b3b2b1b0字线 W0 W1 W2 W3111位线VCCA1A0图 9.1.2 44 位二极管ROM133)ROM的逻辑关系1、地址译码器实现地址码的与运算，每条字线对应一个最小项。2、存储矩阵31032113212320WWWDWWDWWWDWWD+=+=+

7、=+=D3D2D1D0存储矩阵W0 W1 W2 W3位线字线实现相对应字线的或运算。14所以ROM属于组合逻辑，且为最小项表达式或标准与或式，即： D0=W2+W3=A1A0+A1A0 D1=W0+W1=A1A0+A1A0 D2=W1+W2+W3=A1A0+A1A0+A1A0 D3=W0+W1+W3=A1A0+A1A0+A1A0 15阵列图表示ROM的结构 D0D1A1A0A1A0W0W3W2W1D2D3与阵列或阵列11D3D2D11D0缓冲器输出电路存储矩阵地址译码器b3b2b1b0字线 W0 W1 W2 W3111位线VCCA1A016阵列图特点3、“黑点”代表输入、输出间应具有的逻辑关系

8、（“与” 或者“或”），在存储矩阵中，表示交叉处有二极管。D0D1A1A0A1A0W0W3W2W1D2D3与阵列或阵列1、与阵列：固定阵列，对应输入变量的最小项。2、或阵列：可编程，存储任意二进制信息，可以实现任意组合逻辑。179.1.7 ROM的应用实现组合逻辑函数代码转换生成函数表字符发生器波形产生。 18例9.1.1：试用ROM实现如下组合逻辑函数： F1=AB+AC F2=AB+BC 解：先将上述两个逻辑函数转化成最小项表达式： F1=ABC+ABC+ABC+ABC=m(1,3,6,7) F2=ABC+ABC+ABC+ABC=m(1,5,6,7) 19ROM 阵列如图9.1.9所示11

9、1(D1)(D0)F2F1ABC图 9.1.9 例9.1.1ROM 阵列20例9.1.2 试用ROM设计一个8421 BCD码7段显示译码器电路，其真值表如表9.1.2所示。解：由真值表可见，应取用输入地址为4位，输 出数据为7位的16 字节7位ROM。 可根据真值表直接画出ROM的阵列图，而 不需要列出逻辑式。21Q3Q2Q1Q0abcdefg显示000000000010000110011111001000100102001100001103010010011004010101001005011001000006011100011117100000000008100100001009表 9.

10、1.2 8421BCD码7段显示译码器电路的真值表22（ ）与阵列译码器abcdefg（Q0）（Q1）（Q2）（Q3）A0A1A2A3m0m15图9.1.10 例9.1.2 ROM阵列23字符发生器 地址译码器D0A2A1A0输出缓冲器D1D2D3D4图9.1.11 ROM显示矩阵结构图 24ROM 在波形发生器中的应用。ROMD/A计数器CP计数脉冲送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963tuo02346891225tuo0ROMD/A计数器CP计数脉冲送示

11、波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963262. 一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要进行编程，但只能编程一次。1. 固定ROM（掩模ROM ）。厂家把数据“固化”在存储器中，用户无法进行任何修改。使用时，只能读出，不能写入。二、不同编程方式的ROMROM的编程是指将信息存入ROM的过程。UCC字线Wi位线Di熔丝 用户对PROM编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度

12、和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写了。熔丝型PROM的存储单元273. 紫外线擦除可编程ROM（UVEPROM）。采用浮栅技术，可通过紫外线照射而被擦除，可重复擦除上万次。5. 快闪存储器（Flash Memory）。兼有EPROM、EEPROM、RAM的特点，既有存储内容非丢失性，又有快速擦写和读取的特性。一般一只芯片可以擦除/写入100万次以上。4. 电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术，用电擦除，可重复擦写100次，并且擦除的速度要快的多。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写。2

13、8随机存储器又称读写存储器Random Access Memory。随机存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器，简称 RAM 。9.2 随机存储器(RAM) 根据存储单元的工作原理，可分SRAM （Static Random Access Memory）DRAM （Dynamic Random Access Memory ）29一、静态RAM(SRAM) 地址输入存储矩阵行地址译码读写控制I/O列地址译码地址输入CSR/WRAM的结构：存储矩阵、（行、列）地址译码器、片选及读写控制电路。存储矩阵由触发器组成，利用寄存器

14、的保持功能存储数据，一旦电源断开，所存信息丢失。30例如：10241的存储器，若排列成3232的矩阵。X1 A5 A6 A7 A8 A9A0A1A2A3A4行 译 码 器 列 译 码 器（ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）（0，30）（ 0，31 ）（ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）（1，30）（ 1，31）（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）（2，30）（ 2，31 ）（30，0）（30，1）（30，2）（30，30）（30，31 ）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（31，2）（31，30）（31，31 ）Y0Y31Y1Y2Y3031例如：10242的存储器，可以排列成3264

15、的矩阵。X1 A5 A6 A7 A8 A9 A0A1A2A3A4行 译 码 器 列 译 码 器（ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）（ 0，3）（ 0，63）（ 0，64 ） （ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）（ 1，3）（ 1，63）（ 1，64）（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）（ 2，3）（ 2，63）（ 2，64 ）（30，0）（30，1）（30，2）（30，3）（30，63）（30，64）X0X30X2X31（31，0）（31，1）（ 3，2）（31，3）（31，63）（31，64 ）Y0Y1Y2Y30Y3132X0X1X2X3X31X30Y0Y1Y7列 译 码 器行译码器A5A6

16、A7A0A1A2A3A4R/W控制电路读/写R/W片选CSI/O图 9.2.1 RAM结构示意图 该RAM的存储容量：284=323233与ROM相比，多了读/写(R/W)端。 &R/WI/OCSDDENENEN4G5G存储矩阵及地址译码电路地址线图 9.2.3 片选与读/写控制电路34 常用RAM芯片123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管脚图RAM 6116 管脚图2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD

17、3D2D1D4A2A711112141324A8D5D6D7RDWR353）存储器容量的扩展位扩展可以用多片芯片并联的方式来实现。 各地址线、读/写线、片选信号对应并联， 各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位。1. 位扩展方式增加I/O端个数用10241 位的RAM扩展为10248 位RAM八片36D0D1D2D3D4D5D6D7CSR/WAA09L0AW/RCS9A2114（I）数据输出CSR/WAA09L2114（）图 9.2.6 2114芯片位扩展D0D1D2D3D0D1D2D3372. 字扩展方式增加地址端个数例：用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM。解：N=

18、4思路：访问10248的存储器需要10根地址线，而访问2568只需8根地址线。设法用剩余的 2根地址线去控制4个芯片的片选端 。因此需要一个2-4线译码器。字扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选(CS)输入端来实现。 各片RAM对应的数据线、读/写线对应并联； 低位地址线也并联接起来； 要增加的高位地址线，通过译码器译码，将其输出分别接至各片的片选控制端。38用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM的系统框图39A9 A8选中片号对应地址范围0 0 (1)02550 1 (2)2565111 0 (3)5127671 1 (4)768102340表 9.2.1 地址码与地址范围的关系A

19、11 A10选中片号对应地址范围0 0 2114(1)010230 1 2114(2)102420471 0 2114(3)204830711 1 2114(4)30724095解：N=41024210，每片有10条地址线；4096212，需要12条地址线；例：41图 9.2.7 2114芯片字扩展2-4译码器CSR/WAA09L2114（3）D0D1D2D3CSR/WAA09L2114（4）D0D1D2D3CSR/WAA09L2114（1）D0D1D2D3CSR/WAA09L2114（2）D0D1D2D3A10A11R/WA9 A0A11 A10A11 A10A11 A10A11 A10D3

20、 D042例9.2.1试用1K 4位2114RAM扩展一个4K 8位的存储器。解：（1）确定芯片数：（2）确定地址线数D（3）用8片1K 4位2114RAM芯片，经字 位扩展构成的存储电路如图9.2.8所示。2D = 4096，D=12。43CSR/WAA09L2114（7）D0D3LCSR/WAA09L2114（5）D0D3LCSR/WAA09L2114（3）D0D3LCSR/WAA09L2114（1）D0D3LCSR/WAA09L2114（8）D0D3LCSR/WAA09L2114（6）D0D3LCSR/WAA09L2114（4）D0D3LCSR/WAA09L2114（2）D0D3L2-4译码器A10A11R/WA9 A0D3 D0D7 D4Y3Y2Y1Y0图 9.2.8 2114RAM的字位扩展44A1 Y0A0 Y1 Y2EN Y3A0A9 CS21