数字电子技术 课件 项目8 半导体存储器与可编程逻辑器件

1半导体存储器

2可编程逻辑器件简介项目八半导体存储器与可编程逻辑器件项目八

半导体存储器与可编程逻辑器件引言

半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路。它具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低廉、存储速度快、外围电路简单且易于接口、便于自动化批量生产等特点。半导体存储器主要用于电子计算机和某些数字系统中，用来存放程序、数据、资料等。因此，半导体存储器就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。

只读存储器只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的，整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。任务1半导体存储器一、只读存储器及应用1.ROM的结构及工作原理

ROM的一般结构如图所示。它主要由地址译码器、存储矩阵及输出缓冲器组成。ROM的存储单元可以用二极管构成，也可用双极型三极管或MOS管构成。任务1半导体存储器

每个存储单元存放一位二进制代码(0或1)，m位存储单元组成一个字。地址译码器有n条地址输入线A0～An-1，则译码器输出线有2n条，即W0～W2n-1条。每一条译码输出线Wi称为“字线”，它与存储矩阵中的一个“字”相对应。

任务1半导体存储器

两位地址输入和四位数据输出的ROM结构如图所示，其存储单元用二极管构成。W0～W3四条字线分别选择存储矩阵中的四个字，每个字存放四位信息。

读出数据时，首先输入地址码，同时使输出缓冲级三态控制端处于工作状态，则在数据输出端D3～D0可以获得该地址对应的字中所存储的数据。例如：当A1A0=00时，W0=1，W1=W2=W3=0，所以W0被选中，读出W0对应字中的数据D3D2D1D0=1100。当A1A0为01、10、11时，依次读出的数据是1001、1010、1101。

制作时，若在某个字的某一位存入“1”，则在该字的字线Wi与位线Dj之间接入二极管；反之，就不接二极管。

2.只读存储器芯片

（1）27C12827C128是128K位（电）可编程只读存储器EPROM。该芯片由16K字节组成；A0-A13为地址输入引脚；CE为芯片启用输入引脚；OE为输出启用输入引脚；PGM为程序启用输入引脚；VPP为编程电压输入引脚；O0-O7为数据输出输入引脚；VCC为+5V电源输入引脚；VSS为接地输入引脚。引脚图任务1半导体存储器

（2）24C0224C02是一个2Kbit的串行EEPROM存储芯片，可存储256个字节数据。工作电压范围为1.8V到6.0V，具有低功耗CMOS技术，自定时擦写周期，1000000次编程/擦除周期，可保存数据100年。24C02有一个16字节的页写缓冲器和一个写保护功能。通过I2C总线通讯读写芯片数据，通讯时钟频率可达400KHz。引脚图任务1半导体存储器我们可以通过存储IC的型号来计算芯片的存储容量是多大。比如24C02后面的02表示的是可存储2Kbit的数据，转换为字节的存储量为21024/8=256byte；有比如24C04后面的04表示的是可存储4Kbit的数据，转换为字节的储存量为41024/8=512byte;以此来类推其它型号的存储空间。

3.只读存储器芯片的应用任务1半导体存储器ROM中包含了“存储器”和“与或逻辑网络”两个基本组成部分。从存储器的角度看，只要把逻辑函数的真值表事先存入ROM，便可很方便地实现该函数。

步骤是：（1）

根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定ROM容量，选择合适的ROM。

（2）写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROM阵列图。

（3）根据阵列图对ROM进行编程。

从与或逻辑网络的角度看，ROM中的地址译码器形成了输入变量的所有最小项，即实现了逻辑变量的“与”运算，而ROM中的存储矩阵实现了最小项的“或”运算。基于这一分析，把ROM看作是一个“与或阵列”，如图所示。与阵列中的小圆点表示各逻辑变量之间的“与”运算，或阵列中的小圆点表示各最小项之间的“或”运算。该图中的小圆点是根据逻辑表达式中的最小项画出的。1.随机存储器RAM的基本结构RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入)或读出(取出)信息。根据存储单元的工作原理不同，RAM分为SRAM和DRAM。任务1半导体存储器二、随机存储器及应用

静态随机存储器（SRAM）

主要由存储矩阵、地址译码器和读／写控制电路三部分组成。动态随机存储器(DRAM)存储矩阵由动态MOS存储单元组成。

2.集成随机存储器芯片HM6116是一种典型SRAM存储器芯片。HM6116芯片的存储容量为2K*8位，片内有16384（即16K）个存储单元，排列成128*128的矩阵，构成2K个字，字长8位，可构成2KB（B——字节）的内存。该芯片有11条地址线，分成7条行地址线A4～A0，4条列地址线A0～A3，一个11位地址码选中一个8位存储字，需有8条数据线D0～D7与同一地址的8位存储单元相连，由这8条数据线进行数据的读出与写入。引脚排列图任务1半导体存储器

任务1半导体存储器HM6116是一种2048×8位的高速静态CMOS随机存取存储器，工作方式与控制信号之间的关系如表所示。读出和写入线是分开的，而且写入优先。

3.随机存储器芯片的扩展

任务1半导体存储器

（1）位数的扩展（位扩展）

存储器芯片的字长多数为一位、四位、八位等。当实际的存储系统的字长超过存储器芯片的字长时，需要进行位扩展。位扩展可以利用芯片并联的方式来实现。如图示。

八片1024×1位的RAM，所有片的地址线、R/W、CS分别对应并接在一起，而每一片的I/O端作为整个RAM的I/O端的一位，即扩展成为1024×8位的RAM。

任务1半导体存储器

（2）字数的扩展（字扩展）

利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现。如图示。

四片256x8位的RAM扩展成为1024x8位的RAM。

3.随机存储器芯片的扩展

任务1半导体存储器

3.半导体存储器的性能指标（1）存储容量（MemoryCapacity）

是指存储器中所具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数。表示存储器容量的单位主要有字节（Byte），简写为B；位（bit），简写为b；字（Word），简写为W。其中，最常用的单位是字节B，一个字节由8位组成，即1B＝8b。

（2）存取时间

又称为存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。写入时为存数时间，读出时为取数时间。（3）存取周期

又称为访问周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。用TMC表示。存储周期的倒数，称为存储器速度（用S表示）。它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒表示。（4）可靠性

存储器的可靠性用平均故障时间MTBF来描述，它可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，说明存储器的可靠性越高。（5）性能价格比

性能价格比是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标。存储器的价格通常用每位的价格来表示，例如每位多少美分（$c/bit）。任务1半导体存储器

可编程逻辑器件PLD是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件。它主要是一种“与”、“或”两级结构的器件，其最终逻辑结构和功能由用户编程决定。

PLD的发展经历了以下几个发展阶段：

第一阶段的产品是把“与”阵列全部连好，而“或”阵列为可编程的熔丝PROM；“与”阵列和“或”阵列均为可编程的PLA。

第二阶段为“与”阵列可编程，而“或”阵列为固定的可编程阵列逻辑器PAL(ProgrammableArrayLogic)。

第三阶段为通用阵列逻辑GAL(GenericArrayLogic)。

第四阶段为复杂的可编程逻辑器CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)，将简单的PLD(PAL、GAL等)的概念作了进一步的扩展，并提高了集成度。现场可编程门阵列FPGA(FieldPrgrammableGateArray)，是20世纪80年代中期发展起来的另一类型的可编程器件。任务2可编程逻辑器件简介一、PLD的发展概况1.基本门电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介二、PLD的结构与分类PLD在芯片内部的配置和逻辑图之间建立了一一对应的关系，并将逻辑图和真值表结合起来，构成了一种紧凑而易于识读的表达形式。（a）输入缓冲器

（b）PLD与门

任务2可编程逻辑器件简介（a）PLD中的连接

（b）PLD的连接示意图

（c）真值表

2.PROM电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介PROM的基本结构是由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。如图示。

与阵列是“全译码”阵列，当有n个输入时，就有2n个输入项，2n个积项。由于全译码方式使与阵列以2n增长，因而使PROM成为一个规模大而昂贵的器件。而2n大小的与阵列，使PROM的开关时间加长，因而PROM一般比其他PLD器件慢。大多数逻辑函数不需要使用输入的全部可能组合，因此其中许多组合是无效的或不可能出现的，这就使得PROM的与阵列不能得到充分利用。所以，PROM除了用于随机逻辑设计中，其最早的和主要的用途是用于存储器。3.FPLA电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介FPLA基本结构类似于PROM。如图所示。

其中，与阵列和或阵列都是可编程的。FPLA中的与阵列不是全译码的，而是“部分译码”的。4.FPGA

FPGA与传统的PLD不同，它具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑功能块（CLB）排列阵列组成，并由可编程的互联资源连接（PI）连接这些CLB来实现所需的设计。FPGA与掩模编程阵列的区别：FPGA与MPGA的不同之处在于它由用户现场可编程来完成CLB之间的互联，而后者需由IC工厂通过掩模完成互联。任务2可编程逻辑器件简介三、PLD的应用PLD的实质就是将大量组合逻辑门电路、中规模组合逻辑器件等集成在一起，用户可以根据自己的需要进行开发设计。也就是利用开发系统的软件和硬件对PLD进行设计和编程。

开发系统软件是指PLD专用的编程语言和相应的汇编程序或编译程序。开发系统的硬件部分包括计算机和编程器。编程器是对PLD进行写入和擦除的专用装置，能提供写入或擦除操作所需要的电源电压和控制信号，并通过并行接口从计算机接收编程数据，最终写入PLD中。PLD