第十章存储器

第10章存储器10.1概述10.2随机存取存储器（RAM）10.3只读存储器（ROM）10.4可编程逻辑器件PLD

存储器的分类一、按存储器用途分类二、按存储器性质分类一、按存储器用途分类1.内部存储器内部存储器也称为内存，是主存储器，位于计算机的内部，用来存放当前正在使用的或经常要使用的程序和数据。程序只有放入内存，才能被CPU执行。CPU使用系统地址总线访问内存，而借助于I/O端口访问外存。内存的存取速度较快，一般是用半导体存储器件构成。内存的容量大小受到地址总线位数的限制，对8086系统，20条地址总线可寻址内存空间为1M字节。2.外部存储器外部存储器也称外存，是辅助存储器。外存的特点是大容量，所存贮的信息既可修改，也可保存，存取速度较慢，要由专用的设备来管理。用来存放需要长期保存的一些程序和数据。在微型计算机中，常见的外存有硬盘、软盘及光盘(CD－ROM)等。二、按存储器性质分类1.RAM随机存取存储器CPU能根据RAM的地址将数据随机的写入或读出。掉电后，所存信息全部丢失。通常所说的计算机内存容量有多少字节，均指RAM存储器的容量。（1）SRAM：速度快，集成度低，功耗也大，一般高速缓冲存储器用它组成。（2）DRAM：其内容在10-3或10-6秒后自动消失，因此必须周期性的在内容消失之前进行周期性刷新。集成度高，成本低，耗电也少，但需要一个额外的刷新电路，且运行速度慢，SRAM比DRAM快2~5倍，一般PC机的标准存储器都采用DRAM组成。2.ROM只读存储器ROM只读存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出，不能写入，掉电数据也不会丢失，通常存放操作系统的程序（BIOS）或用户固化的程序。（1）掩膜型ROM：信息由厂家写入，用户不能做任何修改（2）PROM可编程ROM：程序固化后，内容不能再变。（3）EPROM可擦除、可编程ROM:程序固化后可通过紫外光照擦除，以便重新固化新数据。（4）EEPROM电可擦除可编程ROM:可利用电压来擦除芯片内容，以重新固化新数据。半导体存储器（Memory）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）只读存储器（ROM）掩膜ROM可编程ROM（PROM）紫外线可擦除的PROM（EPROM）电可擦除的PROM（EEPROM）半导体存储器的性能指标1.存储容量2.存取时间3.其他指标——可靠性、集成度、价格比等存储器是微机系统的重要部件之一，计算机在运行过程中，大部分的总线周期都是对存储器进行读/写操作，因此存储器性能的好坏在很大程度上直接影响计算机的性能。衡量半导体存储器性能的指标很多，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的有以下几项。字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字,字的位数称为字长。几个基本概念：存储容量（M)：存储二值信息的总量。字数：字的总量。地址：每个字的编号。字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）存储容量（M)＝字数×位数1.容量存储器的容量是指一个存储器芯片所能存储的二进制信息量。

存储器芯片容量=存储单元数每单元的数据位数为了便于存放和取出数据，每个存储单元必须有一个固定地址。为了减少存储器芯片向外引出的地址线，在存储器芯片内部都自带译码器。根据二进制编码译码的原理，n根地址线可以译成2n个地址（单元）。所以根据存储器芯片的存储容量（地址单元数）就可以知道该芯片向外引出的地址线的根数。

2114的存储容量为1k×4,1024B=210B其地址线有10根；

6116和2716的的存储容量为2k×8，211B其地址线有11根

6264和2764的的存储容量为8k×8，其地址线有13根；地址线n与地址数对照表地址线根数可编译的地址号数地址线根数可编译的地址号数24101024=1K38112048=2K416124096=4K532138192=8K6641416384=16K71281532768=32K82561665536=64K9512=0.5K2.存取时间存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问时间或读/写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出送上数据总线为止所用的时间；写入时间是指从CPU向存储器发出有效地址和写命令开始，直到信息写入被选中单元为止所用的时间。显然，存取时间越短，存取速度越快。3.可靠性可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF（meantimebetweenfailures）来衡量可靠性。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。4.性能价格比衡量存储器综合性指标。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/输出读写放大电路由大量寄存器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

存储矩阵是由许多存储单元组成的阵列。每个存储单元可存放1位二进制数。存储器中所存数据通常以字为单位，1个字含有若干个存储单元，即含有若干位，其位数也称为字长。存储器的容量通常以字数和字长的乘积表示，如1024×4存储器表示有1024个字，每个字4位，共有4096个存储单元（容量）1024×4RAM结构图2.地址译码器

地址译码器是将外部给出的地址信号进行译码，找到对应的存储单元。通常根据存储单元所排列的矩阵形式，将地址译码器分成行译码器和列译码器。行地址译码器将输入地址码的若干位译成对应字线上的有效信号，在存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址码的其余几位译成对应输出线上的有效信号，从字线选中的存储单元中再选1位或n位，使这些被选中的单元电路和读/写控制电路接通，再由读/写控制电路决定对这些单元进行读/写操作。

图9-10RAM存储矩阵的示意图

2564（256个字，每个字4位）RAM存储矩阵的示意图。如果X0＝Y0＝1，则选中第一个信息单元的4个存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。

3.输入/输出控制输入/输出控制也称读/写控制，是数据读取和写入的指令控制，它和输入/输出缓冲器完成数据的读/写操作。读/写控制电路的读/写控制信号R/W=1时，执行读出操作，将被选中的存储单元里的数据送到输入/输出（I/O）端上。当R/W=0时，执行写入操作，将I/O端上的数据写入被选中的存储单元中。CS为片选信号端，当CS=0时，选中本片电路正常工作；当CS=1时，电路I/O端呈高阻态，不能进行读/写操作。RAM的存储单元

1.静态RAM(SRAM)由MOS管触发器组成的存储单元图，其中MOS管为NMOS。V1、V2，V3、V4组成的两个反相器交叉耦合构成基本RS触发器作基本存储单元；V5、V6为门控管，由行译码器输出字线X控制其导通或截止；V7、V8为门控管，由列译码器输出Y控制其导通或截止，也是数据存入或读出的控制通路。NMOS静态存储单元读/写操作时，X=1，Y=1，V5、V6、V7、V8均导通，触发器的状态与位线上的数据一致。当X=0时，V5、V6截止，触发器的输出端与位线断开，保持状态不变。当Y=0时，V7、V8截止，不进行读/写操作。SRAM一般用于小于64KB数据存储器的小系统或作为大系统中高速缓冲存储器，有时还用于需要用电池作为后备电源进行数据保护的系统中。2.动态RAM（DRAM）单管动态存储单元读/写操作时，字线X=1，使MOS电容CS与位线相连。写入时，数据从位线存入CS中，写1充电，写0放电。读出时，数据从CS中传至位线。DRAM利用MOS存储单元分布电容上的电荷来存储一个数据位。由于电容电荷会泄漏，因此为了保持信息不丢失，DRAM需要不断周期性地进行刷新。DRAM存储单元所用MOS管少，因此DRAM集成度高，功耗低。DRAM常用于大于64KB的大系统。集成RAM简介1.集成静态存储器21142114静态RAM是一个通用的MOS集成静态存储器，它的存储单元由六管静态存储单元组成，有4096个（1024×4），21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I/O49µØ10I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/2114RAM有10根地址线，可访问1024(210)个字。它有常见的片选(CS)和读/写允许（R/W）控制输入端。当RAM处于写模式时，CS为低电平。R/W为低电平，这时I/O1、I／O2、I／O3和I／O4为输入数据信号；当RAM处于读模式时，CS为低电平,R/W为高电平，I／O1、I／O2、I／O3和I／O4为输出数据信号。2114RAM电源电压为+5V，采用NMOS技术，三态输出，时间是50～450ns。21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I/O49µØ10I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/RAM的扩展存储器的容量：字数×位数

1)位数的扩展

当存储器的实际字长已超过RAM芯片的字长时，需要对RAM进行位扩展。可利用并联方式实现：用两片2114RAM来扩展为8位字长存储器，就是在大多数微机中所说的1KB存储器，或者叫做1024字节（每个字节长8位）。将RAM的地址线、读出线和片选信号线对应地并接在一起，而各个芯片的输入/输出(I/O)线作为字的各个位线，。

。返回2114RAM位扩展2114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9….D0D1D2D3D4D5D6D72114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9….A0A1A9…CSWR/⑵

字扩展将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，而位数不变的存储器。例：由1024×8的

RAM扩展为4096×8的RAM。共需四片1024×8的RAM芯片。

1024×8的RAM有10根地址输入线A9～A0。

4096×8的RAM有12根地址输入线A11～A0。选用2线-4线译码器，将输入接高位地址A11、A10，输出分别控制四片RAM的片选端。

图9-13RAM字扩展

由1024×8的RAM扩展为4096×8的RAM(3)字位扩展例：将1024×4的RAM扩展为2048×8RAM。位扩展需2片芯片，字扩展需2片芯片，共需4片芯片。字扩展只增加一条地址输入线A10，可用一反相器便能实现对两片RAM片选端的控制。字扩展是对存储器输入端口的扩展，位扩展是对存储器输出端口的扩展。

图9-14RAM的字位扩展

将1024×4的RAM扩展为2048×8RAM10.3只读存储器（ROM）一、掩膜ROM(ReadOnlyMemory)二、PROM(可编程的ROM)三、EPROM(可擦除的PROM)四、EEPROM(电子式可清除的PROM)存储矩阵地址译码器地址输入7.1.1ROM的定义与基本结构数据输出控制信号输入输出控制电路地址译码器存储矩阵输出控制电路1）ROM（二极管PROM）结构示意图存储矩阵位线字线输出控制电路M=44地址译码器字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管相当存1，无二极管相当存0当OE=1时输出为高阻状态000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0内容当OE=0时2.紫外线可擦除ROM(EPROM)PROM的一次性编程给实际使用带来许多不便，在实际使用中更需要可重复编程的芯片。EPROM（ErasablePROM）是一种可擦写的PROM，它采用了N沟道增强型浮栅MOS管作为存储单元。用户只需用个人EPROM编程器（写入器）就可对EPROM编程或写入程序。如果要对EPROM重复使用或重复编程，则可以使用IC顶部特设的石英窗口，将紫外光（UV）直接照射到EPROM芯片上的窗口大约5分钟左右，通过紫外光把所有的存储单元设置为逻辑1来擦除EPROM，此后，可对EPROM重新写入程序。图9-10所示的是一个典型24引脚的EPROM存储器芯片。图9-10EPROM3.电可擦除ROMEEPROM（ElectricallyErasablePROM）是电可擦除PROM，也称作E2PROM。EEPROM可以用电的形式擦除。当把它放在电路板上时，能对其进行擦除或重新写入程序，这对于PROM或EPROM是不可能的。另外，还可以对EEPROM芯片上的部分程序代码进行重写，一次1个字节。EEPROM的存储单元有两种结构，一种为双层栅介质MOS管，另一种为浮栅隧道氧化层MOS管。其擦写次数可达1万次以上。10.4可编程逻辑器件PLD

本章主要内容：可编程阵列逻辑PAL

、通用阵列GAL的结构与特点；

10.1可编程逻辑器件(PLD)简介返回1.PLD在数字集成芯片中的位置

数字SSI、MSI集成LSI、VLSI电路ASIC全定制ASIC门阵列半定制ASIC标准单元PLD（1）数字集成电路按照芯片设计方法的不同分类：①通用型SSI、MSI集成电路；②LSI、VLSI集成电路，如微处理器、单片机等；③专用集成电路ASIC（LSI或VLSI）。（2）ASIC分类全定制ASIC：硅片没有经过预加工，其各层掩模都是按特定电路功能专门制造的。半定制ASIC：按一定规格预先加工好的半成品芯片，然后再按具体要求进行加工和制造，包括门阵列、标准单元和可编程逻辑器件(PLD)三种。2.可编程逻辑器件(PLD)（1）定义：PLD是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以利用软、硬件开发工具对器件进行设计和编程，使之实现所需要的逻辑功能。（2）PLD的基本结构框图其中输入缓冲电路可产生输入变量的原变量和反变量，并提供足够的驱动能力。

图10-1PLD的基本结构框图（3）按集成度分类：①低密度PLD(LDPLD)：结构简单，成本低、速度高、设计简便，但其规模较小(通常每片只有数百门)，难于实现复杂的逻辑。

表10-1按编程部位分类LDPLD分类与阵列或阵列输出电路可编程类型可编程只读存储器PROM固定可编程固定半场可编程现场可编程逻辑阵列FPLA可编程可编程固定全场可编程可编程阵列逻辑PAL可编程固定固定半场可编程通用阵列逻辑GAL可编程固定逻辑宏单元（OLMC）半场可编程②高密度PLD(HDPLD)：分类结构形式类型可擦除可编程逻辑器件(EPLD)与或阵列阵列型复杂可编程逻辑器件(CPLD)与或阵列阵列型现场可编程门阵列(FPGA)门阵列单元型（4）PLD器件的优点缩短设计周期，降低设计风险高可靠性和可加密性降低了产品生产的总费表10-2:HDPLD的分类（5）常采用可编程元件(存储单元)的类型：①一次性编程的熔丝或反熔丝元件；②紫外线擦除、电可编程的EPROM(UVEPROM)存储单元，即UVCMOS工艺结构；③电擦除、电可编程存储单元，一类是E2PROM即E2CMOS工艺结构，另一类是快闪(Flash)存储单元；④基于静态存储器(SRAM)的编程元件。其中，③类和④类目前使用最广泛。

图10-2几种常用逻辑符号表示方法（a）输入缓冲器（b）

与门

（c）

或门（d）

三种连接（6）几种常见的逻辑符号表示方法1.可编程阵列逻辑（PAL）（1）PAL的结构

与阵列—可编程；或阵列—固定输出电路—固定图10-3PAL的结构返回普通可编程逻辑器件（2）PAL的输出结构①专用输出结构。输出端只能输出信号，不能兼作输入。只能实现组合逻辑函数。目前常用的产品有PAL10H8、PAL10L8等。

②可编程I/O结构。输出端有一个三态缓冲器，三态门受一个乘积项的控制。当三态门禁止，输出呈高阻状态时，I/O引脚作输入用；当三态门被选通时，I/O引脚作输出用。图10-5可编程的I/O结构③寄存器输出结构。输出端有一个D触发器，在使能端的作用下，触发器的输出信号经三态门缓冲输出。能记忆原来的状态，从而实现时序逻辑功能。图10-6寄存器输出结构④异或—寄存器型输出结构。输出部分有两个或门，它们的输出经异或门后再经D触发器和三态缓冲器输出，这种结构便于对与或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现对寄存器状态进行维持操作，适用于实现计数器及状态。（A⊕0=A，A⊕1=A）图10-7异或寄存器型输出结构（3）PAL的命名PAL共有21种，通过不同的命名可以区别。图10-8PAL的命名

（4）PAL的优点：

①提高了功能密度，节省了空间。通常一片PAL可以代替4～12片SSI或2～4片MSI。同时，虽然PAL只有20多种型号，但可以代替90％的通用器件，因而进行系统设计时，可以大大减少器件的种类。②提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。

③有上电复位功能和加密功能，可以防止非法复制。

20世纪80年代初，美国Lattice半导体公司研制。

GAL的结构特点：输出端有一个组态可编程的输出逻辑宏单元OLMC，通过编程可以将GAL设置成不同的输出方式。这样，具有相同输入单元的GAL可以实现PAL器件所有的输出电路工作模式，故而称之为通用可编程逻辑器件。

GAL与PAL的区别：①PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件，而GAL是E2PROM工艺，可重复编程；②PAL的输出是固定的，而GAL