数字电路-分析与设计：第10章 存储器及可编程器件概述

1、第10章 存储器及可编程器件概述10.1 只读存储器(Read Only Memory, ROM)存储器不仅能够存储程序和数据而且还能实现逻辑函数。存储器分只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。可编程逻辑器件(Programmable Logic Device)是在存储器的基础上发展起来的。存储器的内容只能读取、不能改写的存储器叫做只读存储器，简称ROM。其内容是在工厂里事先做好的。7/21/20221北京理工大学 信息科学学院10.1.1 ROM结构与原理译码器输入为n位地址码，输出为2n条“与”线(n个地址变量相“与”)，它们对应2n个最小项mi。7/21/20222北京理工大学 信息科

2、学学院若“与线”与纵线的交叉点无NMOS管，则该条纵线电平为“1”，经过反相器输出逻辑“0”。 7/21/20223北京理工大学 信息科学学院若“与线”与纵线的交叉点有NMOS管，则该条纵线电平取决于NMOS管栅极“与线”的电平。 7/21/20224北京理工大学 信息科学学院若“与线”电平为“1”，则纵线电平为“0”，输出为“1”；若“与线”电平为“0”，则纵线电平为“1”，输出为“0”。 7/21/20225北京理工大学 信息科学学院一条纵线上可能挂有若干个NMOS管，只要其中一个NMOS管导通，则该条纵线上的逻辑电平就是“0”。 7/21/20226北京理工大学 信息科学学院一条纵线对应

3、一个数据位Di 故也称纵线为“位线”。输出Di与相应纵线上挂有NMOS管所对应的mi是“或”的关系。所以纵线也叫“或”线。例如：D4= m2 + m37/21/20227北京理工大学 信息科学学院虚线左边完成(地址变量) “与”运算，称“与”阵列；虚线右边完成(最小项)“或”运算，称“或”阵列。一条“与”线对应一个字节的输出，故“与”线也称为“字线”。7/21/20228北京理工大学 信息科学学院一般ROM的容量为：“字线”数 “位”线数。此ROM的容量(bit数)为88。若地址线位数为n，数据线位数为m，则ROM的容量为：2nm。7/21/20229北京理工大学 信息科学学院若把A2A1A0

4、看成自变量而把D7D0看成逻辑函数,则下表为一真值表。容量为238的ROM可实现8个3变量逻辑函数。容量为2nm的ROM可实现m个n变量逻辑函数。用ROM可实现组合逻辑函数。函数变量个数地址线位数。7/21/202210北京理工大学 信息科学学院ROM的阵列画法：ROM的特点：与阵列固定，或阵列可编程。7/21/202211北京理工大学 信息科学学院10.1.2 现代ROM的行列译码结构地址线16条，n =16；数据线8条，m = 8。ROM的容量为216 8，即：65536 8 。7/21/202212北京理工大学 信息科学学院10.1.3 PROM、EPROM、EEPROM掩膜ROM是在存

5、“1”的单元位置上放一个NMOS管，而存“0”的单元位置上则不放。这个工作叫做“编程”，只能由半导体厂家来做，用户是不能做的。 为了让用户自己编程ROM，于是就有了PROM(Programmable ROM)。PROM的所有单元位置上都放了一个“熔丝”型NMOS管，这样所有的单元都存入了“1”。编程时，将需要存“0”的单元位置上的NMOS管的“熔丝”烧断。PROM只能编程一次。叫做OTP(One Time Programmable)。7/21/202213北京理工大学 信息科学学院为了让用户自己能够改写ROM的内容，于是就有了EPROM (Erasable PROM)。EPROM的所有单元位置

6、上都放了一个“悬浮栅极”型NMOS管，这样所有的单元也都存入了“1”。编程时，将需要存“0”的单元位置上的NMOS管的“悬浮栅极”注入电子。这些电子在外部栅极接高电平时阻止NMOS管的导通。擦除EPROM内容时，用紫外线灯照射EPROM上的石英玻璃窗。可用电信号擦除ROM内容的PROM，叫做EEPROM(Electrically Erasable PROM)，或叫做E2PROM。在E2PROM基础之上又发展出了一种快闪存储器(Flash Memory)，简称闪存(Flash)。由于结构上的不同，Flash比普通的E2PROM的集成度要高得多。7/21/202214北京理工大学 信息科学学院各种

7、类型ROM的读写速度比较。7/21/202215北京理工大学 信息科学学院10.1.4 ROM的内部结构及ROM的扩展CS：“片选”输入端，低有效。一般被连接在计算机系统的地址译码器输出端上。 OE：“读出控制”输入端，低有效。一般被连接到CPU的“读”控制线RD端上。An-1A0：n位地址线输入端。Db-1D0：数据线输出端。7/21/202216北京理工大学 信息科学学院ROM数据线的扩展。地址线n位。数据线由8位扩展到16位。7/21/202217北京理工大学 信息科学学院ROM地址线的扩展。数据线为8位。地址线由n-3位扩展到n位。7/21/202218北京理工大学 信息科学学院10.

8、2 随机存取存储器 RAM(Random Access Memory)10.2.1 概述随机存取存储器RAM分为静态RAM(Static RAM或SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM或DRAM)两大类。静态RAM结构复杂、占用芯片面积大。但维持存储数据简单可靠，只要电源不掉电，存储数据就不会丢失。动态RAM结构简单、占用芯片面积小，集成度比静态RAM高得多。但需靠不断刷新来维持存储数据不丢失。7/21/202219北京理工大学 信息科学学院WR=1， SEL=0时，Q端的数据传向DO端。WR=， SEL=1时，DO端输出高阻。WR=或 SEL =时，DI端的数据锁入Q端。10.2.2

9、 静态随机存取存储器SRAM主要存储单元是D锁存器。WR=0、SEL=0时，DI端的数据传向DO端。7/21/202220北京理工大学 信息科学学院CS：“片选”输入端,低有效。 OE：“读出控制”输入端，低有效。A1A0：2位地址输入线。DIO3DIO0：4位数据输入/输出线。WR：“写入控制”输入端，低有效。7/21/202221北京理工大学 信息科学学院CS=1：芯片不进行读写操作，DIO3DIO0输出高阻。CS=0、OE=0：“读出”操作。CS=0、 WR=0：“写入”操作。OE和WR不能同时为“0”。7/21/202222北京理工大学 信息科学学院10.2.3 动态随机存取存储器SR

10、AM字线为“1”，管子导通：若位线为“0”，电容放电，写入“0”。字线为“0”：管子截止，保持电容上的电荷保持存储数据。若位线不被驱动,读出数据 电容上的电荷。刷新操作：先读出数据，再将读出的数据原封不动地写入。刷新操作是按“行”执行，以提高刷新速度。现代的DRAM可每隔64 mS 刷新一次。若位线为“1”，电容充电，写入“1”。7/21/202223北京理工大学 信息科学学院10.3可编程逻辑器件(PLD)简介可编程逻辑器件PLD是在ROM基础之上发展起来的。在介绍PLD之前，先介绍PLD电路中门电路的惯用画法。7/21/202224北京理工大学 信息科学学院当OE=0时：10.3.1 可编

11、程阵列PLA(Programmable Logic Array)Y0=CD与阵列、或阵列均不固定，可由用户编程。与阵列不能产生全部的输入变量最小项。7/21/202225北京理工大学 信息科学学院10.3.1 可编程阵列PLA(Programmable Logic Array)PLA的容量由输入变量数n、与阵列输出端(字线)数k、或阵列输出端(位线)数m三者的乘积 nkm 来表示。这个PLA的容量为：484 。7/21/202226北京理工大学 信息科学学院【例10.1】利用下图所示PLA设计函数：O0=0，O1=1，O2=I0+I1I3+I2I3，O3=I0 +I3+I2I3 。7/21/2

12、02227北京理工大学 信息科学学院1个独立与项2个独立与项2个独立与项1个独立与项 7/21/202228北京理工大学 信息科学学院符号 表示不影响输出的编程点。7/21/202229北京理工大学 信息科学学院10.3.2 可编程逻辑器件PAL、 GALPAL (Programmable Array Logic)的与阵列不固定，可由用户编程，而或阵列是固定的。7/21/202230北京理工大学 信息科学学院7/21/202231北京理工大学 信息科学学院ROM、PLA、PAL三种可编程器件的特点：特点PLD类别“与”阵列“或”阵列最小项个数ROM固定可编程可产生全部最小项PLA可编程可编程不能产生全部最小项PAL可编程固定不能产生全部最小项7/21/202232北京理工大学 信息科学学院图10.3.4ABT22V10A5的逻辑图 摘自Philips数据手册GAL(General Array Logic)是在PA