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1、1,第8章 存储器与可编程逻辑器件,内容提要： 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。 最后介绍CPLD、FPGA和在系统编程（ISP）技术。,2,8.1 存储器概述,主要内容： 存储器的分类、相关概念 存储器的主要技术指标,3,8.1.1 存储器分类,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
2、数据。 随机存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。,4,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。,5,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
3、储器中数据输入或输出采用串行方式，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。,6,8.1.2 存储器的相关概念,基本存储单元,存储单元,存储矩阵,基本存储单元存放1位二进制数据，称为一个“比特”。 每个存储器以“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”。,7,64bit存储器结构,基本存储单元,存储单元,共有16个存储单元，即16个“字”，字长为4。称为16X4,存储矩阵,
4、8,8.1.3 存储器的性能指标,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。 存储器的容量=字数（m） 字长（n）。,字长决定存储器的数据线根数； 字数决定存储器的地址线根数。,9,2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。,10,2存取速度(续) “存储周期”（memory cycle）是连续启动两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔。 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
5、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。,11,8.2 随机存取存储器（RAM）,主要内容： RAM的分类与结构 静态RAM（SRAM） SRAM的存储单元 动态RAM（DRAM） DRAM的存储单元,12,1RAM分类 按工作方式不同可分为静态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DRA
6、M都会丢失存储的数据，因此被归类为易失性内存。,8.2.1 RAM分类与结构,13,14,2RAM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所示。,15,8.2.2 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。,16,若T1导通，则A点为低电平，这样T2截止，B点为高电平，为一种稳定状态“0”； 与此相反，T1截止而T2导通时， A点为高电平B点为低电平，又是另一种稳定状态 “1”，,17,T5、T
7、6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。 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。,18,2存储矩阵,19,表8-1 6116芯片的工作方式,3静态RAM芯片举例,20,8.2.3 动态RAM（DRAM）,动态RAM也是由许多基本存储单元按行、列形式构成的二维存储矩阵。 在基本存储单元电路中，二进制信息保存在MOS管栅极电容上的，电容上充有电荷表示“1”，电容上无电荷表示“0”，即动态RAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的。,单管DRA
8、M基本存储单元,21,它存储数据的原理是电容的电荷存储效应。 当电容C充有电荷、呈现高电压时，相当于存储1值，反之为0值。 MOS管T相当于一个开关，当行线为高电平时，T导通，C与位线相通，反之则断开。,由于电路中存在漏电流，电容上存储的电荷不能长久保存，因此必须定期给电容补充电荷，以免存储数据丢失。这种操作称为刷新。,22,基本存储单元与读写控制电路的连接示意图,读/写操作原理分析,23,8.3 只读存储器（ROM）,主要内容： ROM的分类与结构 掩膜ROM及其存储单元 可编程ROM及其存储单元 可编程ROM的应用,24,8.3.1 ROM分类与结构,1ROM分类,25,2ROM的结构 R
9、OM的电路结构如图所示，由存储矩阵、地址译码器和输出控制电路三部分组成。,26,8.3.2 掩膜 ROM,掩膜式ROM通常采用MOS工艺制作。在芯片制造厂家生产时，根据用户提供的要写入ROM的数据或程序采用二次光刻板的图形（掩膜）将其直接写入（固化），因此称为掩膜ROM。掩膜ROM中的内容制成后用户则不能修改，只能读出。,掩膜ROM存储矩阵,27,掩膜ROM存储 矩阵的内容,28,掩膜式ROM的主要特点是： 存储的内容由制造厂家一次性写入，写入后便不能修改，灵活性差； 存储内容固定不变，可靠性高； 少量生产时造价较高，因而只适用于定型批量生产。,29,例8-1 利用掩膜ROM，实现4位二进制码
10、到格雷码变换编程。 解：4位二进制码变换成格雷码如表所示。,30,二进制数到格雷码变换的ROM矩阵,31,8.3.3 可编程 ROM,可编程ROM便于用户根据自己的需要来写入特定的信息，根据存储矩阵中存储单元电路的结构不同，可编程的ROM有PROM、EPROM和EEPROM等三种。,1可编程ROM（Programmable ROM，简称PROM） PROM的编程虽然是由用户而不是生产厂家完成，增加了灵活性，但编程是一次性的，且可靠性较差，目前已很少使用。,存储单元,32,2可擦可编程ROM（Erasable PROM，简称EPROM） EPROM作为一种可以多次擦除和重写的ROM，克服了掩膜式
11、ROM和PROM只能一次性写入的缺点，满足了实际工作中需要多次修改程序或数据的可能，前提条件是存储矩阵中现有的程序或数据必须首先擦除。,33,EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一定波长(如2537A)一定光强的紫外线透过窗口照射时，所有存储电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢复初态。一般照射2030分钟后，读出各单元的内容均为FFH，说明EPROM中内容已被擦除,34,EPROM的擦除和编程写入是采用专门的编程器设备完成的。因此，对于编程好的EPROM要用不透光的胶纸将受光窗口封住，以保护芯片不受荧光或太阳光的紫外光照射而造成信息丢失。 太阳光大约在一周内可擦除EPROM，而
12、室内荧光大约在三年内可擦除EPROM。,35,常用的EPROM有2716（2K8位）、2732（4K8位）、2764（8K8位）和27512（64K8位）等。,36,3电可擦可编程ROM （Electrically EPROM） EPROM虽然可以多次编程，具有较好的灵活性，但在整个芯片中即使只有一个二进制位需要修改，也必须将芯片从机器（或板卡）上拔下来利用紫外线光源擦除后重写，因而给实际应用带来不便。 电可擦除可编程只读存储器EEPROM也称E2PROM。与EPROM擦除时把整个芯片的内容全变成“1”不同，EEPROM的擦除可以按字节分别进行，这是EEPROM的优点之一。 字节的编程和擦除都
13、只需10ms，并且不需要将芯片从机器上拔下以及诸如用紫外线光源照射等特殊操作，因此可以在线进行擦除和编程写入。,37,常见的EEPROM芯片有2816、2832、2864、28256等。,38,8.3.4 可编程 ROM的应用,可编程ROM的基本结构是由一个固定连接的与门阵列（相当于一个译码器）和一个可编程的或门阵列（存储矩阵）所组成，如图所示。,n个输入为ROM的地址线， m个输出为ROM的数据线。,39,PROM的点阵表示图,其中,为固定关系；,或门阵列可由用户进行编程（即使各线的交叉点连接或不连接）来实现各数据输出Di ( i = 03 ) 与W0 、W1 、W2及 W3之间的或逻辑关系
14、。,40,例8-2 用PROM设计一个比较器，比较两个两位二进制数A1A0和B1B0的大小。,比较器真值表,41,比较器的PROM的点阵图,42,8.4 快闪存储器（Flash Memory）,主要内容: 快闪存储器的电路结构 快闪存储器芯片应用举例 快闪存储器与其它存储器的比较,43,8.4.1 快闪存储器的电路结构,快闪存储器也是一种电可擦写的存储器，有人也简称之闪存（Flash Memory）。所谓flash是指数据可以轻易地被擦除。 从基本工作原理上看，闪存属于ROM型存储器，但由于它又可以随时改写其中的信息，所以从功能上看，它又相当于随机存储器RAM。从这个意义上说，传统的ROM与R
15、AM的界限和区别在闪存上已不明显。,44,基本存储单元的等效电路,它由一个浮栅MOS管所构成，若浮栅上保存有电荷，则在源、漏极之间形成导电沟道，达到一种稳定状态，可以定义该基本存储单元电路保存信息“0”，如图(a)所示；,若浮栅上没有电荷存在，则在源、漏之间无法形成导电沟道，为另一种稳定状态，可以定义它保存信息“1”, 如图(b)所示。,45,几种典型的闪存芯片,46,闪存28F256引脚信号框图,47,8.4.2 闪存与其它存储器的比较,1闪存与ROM、EPROM和EEPROM比较 ROM是高密度、非易失性设备，但是，一旦编程后，ROM的内容就不能更改了。 EPROM也是高密度、非易失性设备
16、，虽然能改写，但必须将其移出系统并使用专用的紫外线擦除器来擦除。 EEPROM比ROM、EPROM具有更加复杂的单元结构，并且它的密度并不是太高，尽管它可以在不移出系统的情况下进行重编程，但由于它的低密度，每位的成本比ROM或者EPROM高许多。 闪存可以非常容易地在系统内部进行重新编程。本质上是一种可读/写存储器，且闪存的密度可以和ROM、EPROM媲美。闪存也是非易失性的存储器，在断电的情况下，存储的信息可以保存100年。,48,2闪存与SRAM、DRAM比较 SRAM和DRAM都是易失的读/写存储器，需要常态电源来保持它所存储的信息。除此之外，SRAM的密度相对较低；对DRAM虽然有较高的密度，但需要经常刷新来保存数据，刷新需要功耗，因此在许多应用中，为防止数据丢失，对于DRAM使用如硬盘之类的备份存储。 闪存具有比SRAM、DRAM更高的密度，并且是非易失性的，不需要刷新电路。一般来说，闪存要比等价的D
