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1、第九章 存储器和可编程逻辑器件 2 本章内容 9.2 只读存储器 9.3 随机存储器 9.4 可编程逻辑器件 9.1 概述 3 本章要求 1、了解只读存储器ROM和随机存储器RAM的 内部结构及工作原理； 2、了解常用可编程逻辑器件在实际中的应用 3、掌握用半导体存储器设计组合逻辑电路的一般 方法。 9.1 概述 5 9.1 概述 半导体存储器是一种能存储大量二值信息（或 称为二值数据）或信号的半导体器件。 1、半导体存储器定义 2、半导体存储器的功能和重要指标 功能：对计算机及其他一些数字系统的大量数 据或信号进行存储，是这些数字系统不可缺少的 组成部分。 衡量存储器性能的重要指标： 存储容
2、量（DRAM可达109位/片） 存取速度（高速RAM仅10 ns左右)。 6 3、输入/输出规定 因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而 器件的引脚数目有限，所以在电路结构上不能象寄 存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。 解决办法： 给每个存储单元编一个地址，只有被输入地 址代码指定的那些存储单元才能与公共的输入/输 出引脚接通，进行数据的读出或写入。 9.1 概述 7 4、半导体存储器分类 分类 原则 类别类别细分优点（特点）缺点 存 取 功 能 只读 存储器 （ROM ） 掩模ROM总特点：在正常工作状 态下只能从中读取数据 ，不能快速地随时修改 或重新写入数据。 优点：电路结构
3、简单； 断电后数据不会丢失。 只适用于存 储那些“固 定”数据的 场合。 可编程ROM（ PROM） 可擦除的可编程 ROM（EPROM、 E2PROM、FLASH 等） 随机 存储器 （RAM ） 静态存储器（ SRAM） 总特点：正常工作状态 下便可随时向存储器里 写入或从中读出数据。 SRAM的存取速度快； DRAM的集成度高。 断电后数据 会丢失。 动态存储器 （DRAM） 制 造 工 艺 双极型 TTL、ECL、 I2L等 MOS型 NMOS、 CMOS等 功耗低、集成度高（被 大容量的存储器采用） 工艺较复杂 。 工作速度较快，比较适 用于高速系统。 功耗较大。 9.1 概述 9.
4、2 只读存储器（ROM） 9.2.2 ROM的工作原理 9.2.3 ROM应用举例 9.2.1 ROM的结构框图 9 9.2.1 ROM的结构框图 只读存储器（ROM） ，它存储的信息是固定不变 的。工作时，只能读出信息，不能随时写入信息。 ROM的结构框图 存储输出 读出电路 存储矩阵 地 址 译 码 器 NM 位线 （数据线） 字线（选择线） 地址输入 An-1 A1 A0 . . W0 W1 WN-1 DM-1D0D1 . . 表示存 储容量 10 9.2.2 ROM的工作原理 二极管 ROM电路 1 1 A0A1 字线 位线 读出电路 地址译码器存储矩阵 存储输出 地址输入 W0 W1
5、 W2 W3 D0D1D2D3 A1 A0 +U A0A1 存“1” 存“0” 11 n 存储矩阵 二极管构成的ROM的工作原理 ： 交叉点处接有二极管时，相当于存“1”； 交叉点处没有接二极管时，相当于存“0”； n 地址译码器 N取一译码：即N条字线中，每次只能选中一条 字线。图示电路为四选一译码。 最小项译码：n个地址输入变量A0An最小项的 数目为N=2n。图示电路最小项为四个。 9.2.2 ROM的工作原理 12 N取一译码及ROM存储内容 地址码 A0A1 0 0 0 1 1 0 1 1 最小项及编号 N取一译码存储内容 W0W1W2W3D0D1D2D3 m0 m1 m2 m3 0
6、 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 可见： 地址译码器是一个“与”逻辑阵列 9.2.2 ROM的工作原理 13 1 1 A0A1 字线 位线 读出电路 地址译码器存储矩阵 地址输入 W0 W1 W2 W3 D0D1D2D3 A1 A0 +U A0A1 “0” “0” 0 0 0 1 导通 0 1 0 1 导通 9.2.2 ROM的工作原理 14 存储矩阵是一个“或”逻辑阵列 W3=A1A0 m3 m2 W2=A1A0 m1 W1=A1A0 m0 W0=A1A0 A0 A1 地 址 译 码 器 D3D2D1
7、D0 简化的 ROM存储矩阵阵列图 有二极管 无二极管 9.2.2 ROM的工作原理 15 u ROM中的信息可以随时读出，但不可以随时写 入； u 数据不易丢失，工作时无需刷新，断电亦保存； u ROM电路结构简单，集成度可以很高，宜批 量生产，价格便宜； u ROM主要用来存储大量二值数据，容量不够时， 可扩展使用，并可用其实现简单的逻辑函数。 1、ROM的总体特点 9.2.3 ROM的应用举例 16 示例1 移动U盘： EPROM 9.2.3 ROM的应用举例 17 示例2 闪存卡： FALSH MEMORY 9.2.3 ROM的应用举例 18 示例3 BIOS： EPROM 9.2.3
8、 ROM的应用举例 19 2、用存储器实现组合逻辑函数 用具有n位输入地址、m位数据输出的 ROM可以获得一组（最多m个）任何形式的n 变量组合逻辑函数，只要根据函数的形式向 ROM中写入相应的数据即可。这个原理也适 用于RAM。 9.2.3 ROM的应用举例 9.3 随机存储器（RAM） 9.3.2 2114静态RAM及芯片的扩展 9.3.1 RAM的结构和工作原理 21 9.3.1 RAM的结构和工作原理 随机存取存储器（RAM） ，它能随时从任何一 个指定地址的存储单元中取出（读出）信息，也可 随时将信息存入（写入）任何一个指定的地址单元 中。因此也称为读/写存储器。 优点：读/写方便
9、缺点：信息容易丢失，一旦断电，所存储器的信 息会随之消失，不利于数据的长期保存。 22 地址输入 An-1 A0 A1 地 址 译 码 器 存储矩阵 数据线 读写/控制电路 读/写控制(R/W) 片选(CS) 输入/输出 I/O . . . . . . RAM的结构框图 9.3.1 RAM的结构和工作原理 23 (1)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”。与ROM不同的是RAM存储单 元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入信息 ，其存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。 (2)地址译码器：也是N取一译码器。 (3)读/写控制电路：当R/W=1时，执行读操
10、作，R/W=0 时，执行写操作。 (4)片选控制：当CS=0时，选中该片RAM工作， CS=1 时该片RAM不工作。 9.3.1 RAM的结构和工作原理 24 静态RAM：管子数目多，功耗大，但只要不断电， 信息就永久保存。 动态RAM：集成度高，功耗小，但必须定期给 电容补充电荷，以防存储信息的丢失。 一般情况下，大容量的存储器使用动态RAM； 小容量的存储器使用静态RAM。 9.3.2 2114静态RAM及芯片的扩展 25 9 GND CS 8 A27 A1 6 A0 5 A3 4 A4 3 A5 2 A6 1 I/O0 A9 A8 A7 UCC 12 10 11 14 13 15 16
11、17 18 I/O1 I/O2 I/O3 R/W RAM2114 RAM2114外引线排列图 容量：1024字4位 地址线：A9A0(210=1024) 数据线：I/O3 I/O0 9.3.2 2114静态RAM及芯片的扩展 26RAM2114位数扩展 将几片的地址端、R/W端、CS端并接在一起 A9 A0 R/W CS RAM2114(1) I/O3 I/O7I/O6 I/O2 IO/5 I/O1 I/O4 I/O0 A9 A0 R/W CS I/O3I/O2 RAM2114(2) I/O1I/O0 I/O0I/O3I/O2I/O1 高四位 低四位 A9 A0 R/W CS 地址码 9.3.
12、2 2114静态RAM及芯片的扩展 (1) RAM位数的扩展 27 (2) RAM字数的扩展 A11 A0十二根地址线， 组成4096字4位的RAM RAM2114字数扩展 . RAM 2114(1) I/O (2) I/O (3) I/O (4) I/O A11A10 A11 A10 2/4 线 译 码 器 R/W A0 A9 I/O3 I/O2 I/O1 I/O0 A11A10 A11A10 A11A10 A9 A0R/W CSA9 A0R/W CS A9 A0R/W CSA9 A0R/W CS 9.3.2 2114静态RAM及芯片的扩展 28 RAM2114字数扩展 . RAM 2111
13、4(1) I/O (2) I/O (3) I/O (4) I/O A11A10 A11 A10 2/4 线 译 码 器 R/W A0 A9 I/O3 I/O2 I/O1 I/O0 A11A10 A11A10 A11A10 A9 A0R/W CSA9 A0R/W CS A9 A0R/W CSA9 A0R/W CS 0 0 选中 0 9.3.2 2114静态RAM及芯片的扩展 9.4 可编程逻辑器件（PLD） 9.4.2 可编程只读存储器 9.4.1 PLD的结构框图 9.4.3 可编程阵列逻辑 30 数字电子技术基础数字电子技术基础 可编程逻辑器件（PLD）是由用户自行定义功能 （编程）的一类逻
14、辑器件的总称。 与门 阵列 乘积项 PLD主体 输入 电路 输入信号 互补 输入 输出函数 反馈输入信号 可由或阵列直接输出， 构成组合； 通过寄存器输出， 构成时序方式输出。 可直接 输出 也可反馈到输入 输出既可以是低电平有 效，又可以是高电平有效。 或门 阵列 和项 输出 电路 PLD的结构框图 9.4.1 PLD的结构框图 31F2=B+C+D 1. 输入缓冲器表示方法 A A A2. 与门和或门的表示方法 固定连接 编程连接 F1=ABC PLD中常用逻辑符号的含义： 9.4.1 PLD的结构框图 32 9.4.2可编程只读存储器 (1)一次编程性只读存储器（PROM） 厂家制造PR
15、OM时，使存储矩阵（“或”阵列）的 所有存储单元的内容全为“1”（或“0”），用户可根 据自己的需要自行确定存储单元的内容。 由二极管和熔断丝构成的存储单元 熔断丝 位线 字线 存储“1” 存储“0” 33 PROM的阵列图 A2 11 A1 1 A0 & & & & & & & & 1 D2D1 1 D0 1 “或“阵列 “与“阵列 WO W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 固定“与” 阵列 可编程“或” 阵列 9.4.2可编程只读存储器 34 例: 试用PROM产生一组逻辑函数。 解：(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。
16、9.4.2可编程只读存储器 35 (2)由Y0 Y2最小项画出PROM的编程阵列图 9.4.2可编程只读存储器 36 固定“与” 阵列 A 1 1 B 1 C 1 D Y0 Y1 Y2 m2m3m6m7m10m12m13m14 可编程“或” 阵列 9.4.2可编程只读存储器 37 (2)紫外线擦除可编程只读存储器(EPROM） PROM只能一次编程，而EPROM则可多次 擦去并重新写入新内容。 擦除方法：在EPROM器件外壳上有透明的 石英窗口，用紫外线（或X射线）照射，即可 完成擦除操作。 (3)电可改型只读存储器(EEPROM） 尽管EPROM能实现擦除重写的目的，但由于 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，为此，又产生了EEPROM。 9.4.2可编程只读存储器 38 PLA与PROM的结构相似，其区别在于PLA 译码器部分也可
