电子数电部分 (8).

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1、 第8章存储器与可编程逻辑器件内容提要：存储器是计算机和数字系统不可缺少的重要设备，可编程逻辑器件是目前数字系统设计的主要逻辑器件。本章首先介绍存储器的基本概念，各种存储器的工作原理以及存储器容量的扩展方法。然后介绍可编程阵列逻辑（PAL）、通用阵列逻辑（GAL）的电路结构和应用。最后简述CPLD、FPGA和在系统编程（ISP）技术的基本思想。8.1存储器概述导读:在这一节中，你将学习：n 存储器的分类、相关概念n 存储器的主要技术指标8.1.1 存储器分类 存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体存储器，随着微电子技术的发展，半导体存储器以其容量大、存取速度快、可靠性高、外围电路简单、与其它

2、电路配合容易等特点，在计算机和数字系统中得到了广泛的应用。它用来存放程序和大量的数据，是计算机和数字系统中非常重要的组成部分。按照存储器的性质和特点分类，存储器有不同的分类方法。1 根据存储器存取功能的不同分类 存储器可分为只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）和随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）。 只读存储器在正常工作状态时，只能从中读取数据，而不能写入数据。ROM的优点是电路结构简单，数据一旦固化在存储器内部后，就可以长期保存，而且在断电后数据也不会丢失，故属于数据非易失性存储器。其缺点是只适用于存储那些固定数据或程序的场合。 随机存

3、取存储器与只读存储器的根本区别在于：随机存储器在正常工作状态时可随时向存储器里写入数据或从中读出数据，在存储器断电后信息全部丢失，因此RAM也称为易失性存储器。2 根据存储器制造工艺的不同分类 存储器可分为双极型存储器和MOS型存储器。双极型存储器以TTL触发器作为基本存储单元，具有速度快、价格高和功耗大等特点，主要用于高速应用场合，如计算机的高速缓存。MOS型存储器是以MOS触发器或MOS电路为存储单元，具有工艺简单、集成度高、功耗小、价格低等特点，主要用于计算机的大容量内存储器。3 根据存储器数据的输入/输出方式不同分类 存储器可分为串行存储器和并行存储器。串行存储器中数据输入或输出采用串

4、行方式，并行存储器中数据输入或输出采用并行方式。显然，并行存储器读写速度快，但数据线和地址线占用芯片的引脚数较多，且存储容量越大，所用引脚数目越多。串行存储器的速度比并行存储器慢一些，但芯片的引脚数目少了许多。8.1.2 存储器的相关概念半导体存储器的核心部分是“存储矩阵”，它由若干个“存储单元”构成；每个存储单元又包含若干个“基本存储单元”，每个基本存储单元存放1位二进制数据，称为一个“比特”。通常存储器以“存储单元”为单位进行数据的读写。每个“存储单元”也称为一个“字”，一个“字”中所含的位数称为“字长”。图8-1为一个64位存储器的结构图，64个正方形表示该存储器的64个“基本存储单元”

5、，每4个“基本存储单元”构成1个“存储单元”，故该存储器有16个“字”，其“字长”为4。这样的存储器称为164存储器。地址Y0Y1位D位C位B位A位D位C位B位AX0X1X2X3X41101X51001X6X7图8-1 64位存储器结构8.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标很多，例如存储容量、存取速度、封装形式、电源电压、功耗等，但就实际应用而言，最重要的性能指标是存储器的存储容量和存取时间。下面就这两项性能指标的具体情况予以说明。 1存储容量 存储容量是指存储器能够容纳的二进制信息总量，即存储信息的总比特数，也称为存储器的位容量。存储器的容量=字数（m） 字长（n）。设存储器芯片的地址

6、线和数据线根数分别是p和q，则该存储器芯片可编址的存储单元总数即字数为，字长为q 。该存储器芯片的容量为q位。例如：容量为4K8位的存储器芯片有地址线12根，数据线8根。2存取速度存储器的存取速度可用“存取时间”和“存储周期”这两个时间参数来衡量。“存取时间”（Access Time）是指从微处理器发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。很显然，存取时间越短，则存取速度越快。目前，高速缓冲存储器的存取时间已小于20ns，中速存储器在60ns到100ns之间，低速存储器在100ns以上。“存储周期”（memory cycle）是连续启动两次独立的存储器操作所需的

7、最小时间间隔。由于存储器在完成读/写操作之后需要一段恢复时间，所以存储器的存储周期略大于存储器的存取时间。如果在小于存储周期的时间内连续启动两次存储器访问，那么存取结果的正确性将不能得到保证。自测练习1 存储器中可以保存的最小数据单位是（ ）。（a）比特 （b） 字节 （c） 字2 指出下列存储器各有多少个基本存储单元？多少个存储单元？多少个字？字长？（a）2K8位 （ ）（ ） （ ） （ ）（b）2562位 （ ）（ ） （ ） （ ）（c）1M4位 （ ）（ ） （ ） （ ）3ROM是（ ）存储器。 （a）非易失性 （b）易失性 （c）读/写 （d）以字节组织的4数据通过（ ）存储在存

8、储器中。（a）读操作 （b）启动操作 （c）写操作 （d） 寻址操作5RAM给定地址中存储的数据在（ ）情况下会丢失。 （a）电源关闭 （b）数据从该地址读出 （c）在该地址写入数据 （d）答案（a）和（c）6具有256个地址的存储器有（）地址线。（a）条 （b）条 （c）8条 （d）16条7可以存储字节数据的存储容量是（）。（a）位 （b）位 （c）位 （d）位8.2随机存取存储器（RAM）导读: 在这一节中，你将学习：n RAM的分类与结构n 静态RAM（SRAM）n SRAM的存储单元n 动态RAM（DRAM）n DRAM的存储单元8.2.1 RAM分类与结构 1RAM分类随机存储器也叫

9、可读写存储器，它可分为双极型和MOS型存储器。双极型存储器由于集成度低、功耗大，在微型计算机系统中使用不多。目前可读写存储器RAM芯片几乎全是MOS型的。MOS型RAM按工作方式不同又可分为静态RAM（Static RAM）和动态RAM（Dynamic RAM）。静态RAM使用触发器作为存储元件，因而只要使用直流电源，就可存储数据。动态RAM使用电容作为存储单元，如果没有称为刷新的过程对电容再充电的话，就不能长期保存数据。当电源被移走后，SRAM和DRAM都会丢失存储的数据，因此被归类为易失性内存。数据从SRAM中读出的速度要比从DRAM中读出的速度快得多。但是，对于给定的物理空间和成本，DR

10、AM可以比SRAM存储更多的数据，因为DRAM单元更加简单，在给定的区域内，可以比SRAM集成更多的单元。SRAM和DRAM可以进一步分为更多的类型，其分类结构如图8-2所示。随机存储器（RAM）静态RAM（SRAM）同步突发SRAM（SB SRAM）异步SRAM（ASRAM）动态RAM（DRAM）快速页模式DRAM（FPM DRAM）扩充数据输出DRAM（EDO DRAM）突发EDODRAM（BEDO DRAM）同步DRAM（SDRAM）图8-2 RAM的分类2RAM的结构RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成，其电路结构框图如图8-3所示。读写控制电路行地址译码器列

11、地址译码器存 储矩 阵地址输入数据I/OA0AiA i+1 A n-1地址输入图8-3 RAM的电路结构框图存储矩阵由许多结构相同的基本存储单元排列组成，而每一个基本存储单元可以存储一位二进制数据（0或1），在地址译码器和读写控制电路的作用下，将存储矩阵中某些存储单元的数据读出或将数据写入某些存储单元。地址译码器通常有字译码器和矩阵译码器两种。在大容量存储器中常采用矩阵译码器，这种译码器是将地址分为行地址和列地址两部分，分别对行地址和列地址进行译码，由它们共同选择存储矩阵中欲读/写的存储单元。读/写控制电路的作用是对存储器的工作状态进行控制。为片选输入端，低电平有效，为读/写控制信号。当=0时

12、，RAM为正常工作状态，若=1，则执行读操作，存储单元里的数据将送到输入/输出端上；若=0，则执行写操作，加到输入/输出端上的数据将写入存储单元；当=1时，RAM的输入/输出端呈高阻状态，这时不能对RAM进行读/写操作。8.2.2 静态RAM（SRAM） 1SRAM的基本存储单元静态RAM的基本存储单元通常由6个MOS管组成，如图8-4所示。图中T1、T2为放大管，T3、T4为负载管，这4个MOS管共同组成一个双稳态触发器。若T1导通，则A点为低电平，这样T2截止，B点为高电平，又保证T1导通；与此类似，T1截止而T2导通时，又是另一种稳定状态。A点为高电平B点为低电平代表“1”，B点为高电平

13、A点为低电平时代表“0”，这个双稳态触发器可以保存一位二进制数据。图中T5、T6为本单元控制管，由X地址译码线控制。T7和T8为一列基本存储单元的控制管，由Y地址译码线控制。显然，只有当X、Y地址译码线均为高电平时，T5、T6、T7 和T8管都导通，该基本存储单元的输出才能通过T5、T6、T7 和T8管和数据线接通。B AT2T1T3T4VCCT6T5T7T8接X地址译码线 接Y地址译码线 数据线数据线 图8-4 六管静态RAM基本存储单元对基本存储单元写操作时，X、Y地址译码线均为高电平，使T5、T6、T7 、T8控制管都导通。写入“1”时，数据线Di和上分别输入高、低电平，通过T7 、T5置A点为高电平，通过T8、T6置B点为低电平。当写信号和地址译码信号撤去后，T5、T6、T7 和T8重新处于截止状态，于是T1、T2、T3 、T4组成的双稳态触发器保存数据“1”。写入数据“0”的过程与写入“1”时类似。对基本存储单元读操作时，X、Y地址线均为高电平，使T5、T6、T7 、T8控制管导通。当该基本存储单元存放的数据