第11章 存储器和可编程逻辑器件

电路与电子技术(电工学I)第11章大规模集成电路

教学目标基本器件

应用存储器容量可编程逻辑器件分类与特点存储系统数字系统组合逻辑《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材第11章大规模集成电路第一节存储器第二节可编程逻辑器件本章目录半导体存储器功能只读存储器ROM随机存取存储器（RAM）元件双极型存储器速度较慢，功耗小，集成度高11.1存储器能存放大量二值信息的器件,可以用来实现组合逻辑电路磁性材料和半导体材料第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材存贮器用于存储器的材料（在微型计算机系统中，用半导体存储器）速度快，功耗大MOS型存储器下一页上一页章目录地址存储器的主要性能指标存储容量大——存储数据量大存取速度快——存储时间短第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材

由许多存储单元组成，每个存储单元可以存放1位二进制信息（0或1）。存储器的组成

将若干个存储单元编为一组称为字单元，每个字所含存储单元的个数就是所存二进制数字信息的位数。字单元内容与地址给每个字单元编上号，以指示该单元在存储器中所处的位置。每个字单元中存储的二进制信息。内容下一页上一页节首页章目录

每次写入或读出信息都只能与某一个指定地址的字单元打交道。存储器的操作读出写入

如：一片容量为1024字×4位的存储器，表示其有1024个地址，而每个地址能写入或读出一个4位二进制数，亦即该存储器共有4096个存储单元。存储器的规模存储二值信息的总量，称容量，容量=字数×位数。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材信息的取出信息的存入下一页上一页节首页章目录特点一、只读存储器（1）存储的信息是固定不变的。（2）工作时，只能读出信息，不能随时写入信息。（3）电路结构简单，断电后数据不会丢失。1.固定ROM①电路结构第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材（ROM）下一页上一页节首页章目录存储矩阵

由存储单元构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。根据输入的代码译出对应的地址，选中要进行读/写操作的字单元。ROM主要结构存储矩阵地址译码器

存储矩阵是存储器的核心，由基本存储单元按阵列形式排列形成。可由二极管构成，也可由双极晶体管或MOS管构成。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材地址译码器下一页上一页节首页章目录（以MOS管构成的4行×4列阵列为例）地址线位线（数据线）第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材②工作原理选择线基本存储单元交叉点处接有MOS管时相当于存1没有接MOS管时相当于存0实质上，ROM是用电路结构来实现固定的逻辑关系下一页上一页节首页章目录

而字线与位线交叉点未接MOS管的位线因连到高电平，经输出缓冲器反向后，输出为0。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材

在读取数据时，W0～W3中某一根字线为高电平，使接在该字线上的MOS管导通，与这些管相连的位线变为低电平，经输出缓冲器反向后，在数据输出端得到高电平1；下一页上一页节首页章目录存储矩阵的存储内容地址A0A100011011字线内容(数据)W0W1W2W3D0D1D2D3

000

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

10001110第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录四个地址的逻辑式地址译码器是一个“与”逻辑阵列③ROM的逻辑关系及简化画法第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材存储矩阵是一个“或”逻辑阵列输出端的逻辑式下一页上一页节首页章目录2.可编程只读存储器PROMPROM的结构由地址译码器、存储单元矩阵、输出缓冲器组成

它有读写控制电路，在出厂时在所有存储元件中都存入了“1”（或“0”），使用时用户根据自己的需要可自行确定存储单元的内容。与固定ROM不同处PROM的内容只能写入一次。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录3.可擦除的可编程只读存储器——可多次改写内容的只读存储器用紫外线擦除原来存储的信息，再用专用的装置写入新内容。对紫外线照射时间和照度均有一定要求，擦除的速度也比较慢。E2PROMFlashMemory用电信号可擦除的可编程ROM。

也是一种用电信号擦除的可编程ROM，已成为较广泛使用的较大容量的存储器。EPROM第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录4.EPROM芯片常用EPROM芯片地址输入端数据输出端片选信号，低电平有效第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材EPROM2716（2k×8）EPROM2732（4k×8）EPROM2764（8k×8）EPROM27128（16k×8）数据输出端地址输入端地址输入端下一页上一页节首页章目录编程时，UPP接25V，片选信号端接高电平，在PD/PGM端加脉宽为50ms的正脉冲；即可将数据线上的数据写入指定的地址单元。

工作时，UPP与UCC一起接5V电源，PD/PGM与连接在一起作为片选信号，当出现低电平0时便可从该片中读取数据。EPROM2716共有六种工作方式

第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录

查表功能

——查某个角度的三角函数

把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这称为“查表”。

码制变换

——把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。5.ROM的应用

在数字系统中ROM的应用十分广泛，如组合逻辑、波形变换、字符产生以及计算机的数据和程序存储等。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录[例题][例题]CI3I2

I1

I0二进制码O3O2O1O0格雷码CI3

I2

I1

I0格雷码O3O2O1O0二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材二进制码与格雷码相互转换的关系下一页上一页节首页章目录C(A4)I3

I2

I1

I0(A3A2A1A0)二进制码O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷码C(A4)I3

I2

I1

I0(A3A2A1A0)格雷码O3O2O1O0(D3D2D1D0)二进制码000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录试用ROM实现如下组合逻辑函数。采用有3位地址码、2位数据输出的8字×2位ROM。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录[例题][解]用ROM构成“T”字符发生器。当A2A1A0由000～110周期地循环变化时（即可逐行扫描字线），把字线W0～W6对应的各字单元的“T”字型信息从位线D0～D4逐行输出，使显示设备一行行地显示出来。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材×处表示存入光点，“1”下一页上一页节首页章目录[例题][解]二、随机存取存储器

随机存取存储器RAM也称为读/写存储器。优点第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材（RAM）

所存数据不能长期保存，一旦断电，所存信息会随之消失。

它可随时将数据写入任何一个指定地址的存储单元或从中读出数据。特点缺点读/写方便灵活下一页上一页节首页章目录（1）RAM的结构和工作原理存储矩阵第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材

由存储单元构成，是RAM的核心。执行读操作执行写操作该片RAM正常工作该片RAM不工作下一页上一页节首页章目录（2）RAM的分类

一般情况下，大容量的存储器使用动态DRAM；小容量的存储器使用静态SRAM。速度快，功耗大、集成度低、制造工艺复杂、成本高，主要用于高速场合。SRAM速度相对低，功耗小、集成度高、制造工艺简单、成本低，主要用于大容量场合。管子数目多，功耗大，但只要不断电，信息就永久保存。成集度高，功耗小，但必须定期给电容补充电荷，以防存储信息的丢失。RAM第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材静态SRAM动态DRAM双极型MOS型下一页上一页节首页章目录1024字4位（3）RAM芯片及RAM容量的扩展RAM2114芯片第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材容量地址线数据线地址线片选线读写控制端RAM正常工作状态输出端均为高阻态下一页上一页节首页章目录①RAM位扩展RAM2114（1K×4位）位数扩展（1k×8位）

第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材高四位低四位地址线下一页上一页节首页章目录②RAM字扩展A10~A0十一根地址线，组成2048字8位的RAM第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录000000110110000～20472048～40954096～61436144～8191RAM（1）RAM（2）RAM（3）RAM（4）选中芯片A12A11对应存储单元地址第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材选中下一页上一页节首页章目录

可编程逻辑器件（PLD）是由用户自行定义功能（编程）的一类逻辑器件的总称。11.2可编程逻辑器件第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材PLD结构框图下一页上一页章目录PLD—ProgrammableLogicDevices

大规模集成电路，集成了大量的门电路和触发器，用户可编程构成所需电路。清华大学电机系唐庆玉2003年11月15日编①节省集成芯片的数量节省电路板面积，节省电，减少产品体积，降低成本。②电路保密，不易被他人仿造。PLD的逻辑表示方法及图形符号固定连接编程连接不连接第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材优点下一页上一页节首页章目录缓冲门AAA相当于&1AAAABCY与门AY&BCABCY或门AY≥1BCABCY可编程连接或不连接第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材AY&B下一页上一页节首页章目录与或门A

B

C

DY多输入端或门画法多输入端与门画法第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录PLD类型最复杂简单较复杂FPGA型CPLD型ISP-PLD型第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材PROM型（ProgrammableROM）PLA型（ProgrammableLogicArray

可编程逻辑阵列

）PAL型（ProgrammableArrayLogic可编程阵列逻辑）GAL型（GenericArrayLogic通用阵列逻辑）（ComplexPLD）（FieldProgrammableGateArray）（In—SystemProgrammablePLD）下一页上一页节首页章目录清华大学电机系唐庆玉2003年11月15日编输出比PAL增加“可编程输出逻辑宏单元”使编程更灵活。一、可编程逻辑阵列（PLA）结构:与逻辑阵列+或逻辑阵列第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材类型AND阵列OR阵列D触发器PROM连接固定可编程（一次性）PLA可编程（一次性）可编程（一次性）PAL可编程（可多次电擦除）连接固定8个GAL可编程（可多次电擦除）连接固定8个下一页上一页节首页章目录PROM的阵列图"或"阵列"与"阵列1.PROM的内部结构及编程第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材（可编程）（固定）下一页上一页节首页章目录或用下图表示O2

O1O0I2I1I0第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材输入OR阵列可编程AND阵列固定输出下一页上一页节首页章目录用PROM实现半加器。半加器逻辑式F=AB+AB=A

BC=AB如何用PROM实现全加器？第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材F

CA

B

下一页上一页节首页章目录[例题]思考用PROM实现三变量奇数校验电路。真值表第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材A

B

CYABCY00000101001110010111011101101001下一页上一页节首页章目录[例题]

用PROM构成的阶梯波信号发生器，今需产生下图所示阶梯波信号，试列出PROM的编码表并画出PROM的编程阵列。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材uO102345678910111213141516C4UR8UR

阶梯波下一页上一页节首页章目录[例题]①根据反相加法运算电路可得出阶梯波电压u0

电子开关由PROM位线电平控制，当D=1时，开关接基准电压-UR；当D=0时，开关接地。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录[解]用PROM构成阶梯波发生器第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材电子开关下一页上一页节首页章目录②由电压u0的关系式及其波形列出PROM的编程表第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材uoC01234567A091011128A1A2A3D0D1D2D3000001004UR5UR6UR7UR8UR7UR6UR5UR4UR2UR1UR03UR000101010010011000110111010010000101011101100110011101011000010010010011101000101011000111000000下一页上一页节首页章目录m15m14m13m12m11m10m9m8m7m6m5m4m3m2m1m0A3A2A1A0D3D2

D1

D0

PROM阵列图③由PROM编程表画出PROM的编程阵列图第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录试用PROM产生一组逻辑函数。①由于PROM的地址译码器是固定的最小项“与”阵列，所以需将Y0~Y2各式化为最小项形式。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材76320)()()(mmmmDCBACDBADBCABCDADDCBADDBCABBCAY+++=+++=+++=+=下一页上一页节首页章目录[例题][解]②由Y0~

Y2最小项画出PROM的编程阵列图。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材1410762)(mmmmDBCADABCBCDADCBAAADBCBCDADCBAY+++=+++=+++=13121)(mmDCBADCBADDCABY+=+=+=下一页上一页节首页章目录

用PROM产生一组逻辑函数A11B1C1DY0Y1Y2m2m3m6m7m10m12m13m14第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材固定“与”阵列可编程“或”阵列下一页上一页节首页章目录PLA阵列图2.PLA的内部结构及编程第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材可编程“或”阵列可编程“与”阵列下一页上一页节首页章目录试用PLA产生例4的一组逻辑函数。①因PLA的“与”阵列和“或”阵列均可编程，化简Y0~Y2:第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录[例题][解]

用PLA产生一组逻辑函数1A1B1C1DY0Y1Y2与PROM阵列的编程相比PLA的编程简捷得多第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材②由Y0~

Y2画出PLA的编程阵列图可编程“或”阵列可编程“与”阵列下一页上一页节首页章目录用PLA实现三八译码器A2A1A0000

只

=0Y0001

只

=0Y1111

只

=0Y7输出三八译码器真值表……第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材A2A1A0Y0Y1Y7A2A1A0A2A1A0下一页上一页节首页章目录[例题][解]二、可编程阵列逻辑（PAL）可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出电路三部分组成结构：PAL的输出结构：有不同的输出电路和反馈电路第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材专用输出结构下一页上一页节首页章目录第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材可编程I/O结构带反馈的寄存器输出结构下一页上一页节首页章目录三、通用阵列逻辑（GAL）GAL器件的结构和PAL基本相同。①存储单元，具备了可重复擦除和改写的功能。②输出端设置了多个可编程的宏单元OLMC。通过软件编程可改变输出方式，无需变动硬件，使编程更灵活。

一种GAL器件可以替代相同管脚数的所有PAL器件。一个GAL器件还可替代4～12片TTL等系列的中小规模组件。第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材主要区别体现在：下一页上一页节首页章目录GAL

的内部结构可编程“与”阵列64行32列可编程输出宏单元第11章大规模集成电路《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页上一页节首页章目录GAL16V8I0/CLKI1I2I3I4I5I6I7I8GNDVCCF7F6F5F4F3F2F1F0I9/OE20111