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1、中职 数字与脉冲电路（第2版）第6章电子教案 高教版 第第6章章 半导体存储器与可编程器件半导体存储器与可编程器件 l第1节 半导体存储器l第2节 可编程逻辑器件第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l存储器按存储介质分类，有半导体存储器、磁表面存储器、光盘存储器等。其中，半导体存储器按使用功能又分为，随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）两类。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAM随机存取存储器又称随机存储器、读/写存储器，是能够在存储器中任意指定位置输入（又称存入、写入），或者输出（取出、读出）信息
2、的存储器。RAM有双极型和单极型两类。双极型RAM存取速度快，但集成度低，功耗大，成本高。单极型MOS RAM集成度高，功耗小，价格便宜，但速度比双极型低。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构RAM由存储矩阵、地址译码器、读写电路（其中包括读/写控制器、输入/输出电路和片选控制器）组成。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构l1.存储矩阵存储矩阵是存储器的核心，由许多存储单元按矩形阵列排列组成。每个存储单元存放着由若干位二进制数码组成的一组信息。存储单元个数越多，存储器存储信息量越多，即存储容量越大。存储容量是存储器最重要的
3、指标之一，用所能存储的（字数）（字长）表示，或表示成KB、MB、GB等，B（Byte）称为字节，8位二进制数是1个字节，即1 B8 b，b是位bit的缩写。此外，1K2101 024。例如，容量为1 0242的存储器，共有1 024个存储单元，即能存储1 024个字，每字2位。又如容量为64 MB的存储器，共包含64 MB641 024 KB641 024 1 024 B641 0241 0248 b，即536 870 912个存储位。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构l2.地址译码器为了能够对存储矩阵中某个选定存储单元进行信息存取（又称访问），必须对每个
4、存储单元的位置编制惟一确定的地址，这些地址的编码称为地址码。这样，当输入一个地址码时，利用地址译码器，就可以在存储矩阵中找出惟一相应的一个存储单元，对其进行访问。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构l3.读/写控制器用于控制存储器进行写入，或者读出操作。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构l4.输入/输出电路（I/O电路）I/O电路是数据进、出存储矩阵的通道。写入时，写入数据先经输入缓冲器放大，再进入存储矩阵；读出时，读出数据经输出缓冲器放大再输出。输入、输出缓冲器常采用三态电路，这样可以将几片存储器的输入/输出数据线并联
5、，以扩充存储容量。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（一）RAM基本结构l5.片选控制器大容量存储系统，往往是由多片RAM构成的，在进行读/写操作时一般只对其中一片进行信息存取。片选控制器使得只有在该片存储器被选中时，才进行读出或写入操作。而其余未被选中的各片，I/O线呈高阻状态，不能与外部交换数据。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（二）地址译码方式l1.单译码结构（又称字结构）第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（二）地址译码方式l2.双译码结构（又称字位结构）第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（三）RAM基本存储单元存
6、储位RAM的1位数据存储电路简称为存储位电路。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（三）RAM基本存储单元存储位1.静态存储位电路 六管MOS存储单元+VDDV1列选择线V2V3V4QV5V6XiYj1EN1EN1ENG3G2G1djDjDjV8V7dj(I/O)j位线至相同Y地址的其它基本单元位线字选择线至相同X地址的其它基本单元QWE第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（三）RAM基本存储单元存储位2.动态存储位电路 所谓动态存储是相对静态而言，静态存储只要不断电，信息就可永久保存，而动态存储则不然。由于动态存储是以MOS管栅极电容为保存信息的主要元件，因此
7、信息只能保存很短时间。为了长久保存信息，必须及时给电容补充电荷，通常称该操作为刷新或再生。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（三）RAM基本存储单元存储位2.动态存储位电路 图示为四管MOS动态存储位电路+VDDV1V2V3V4DjDjV5V6YjC1C2C V7CV8dj刷新电路预充脉冲dj位线位线四管存储单元XiQ Q第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（三）RAM基本存储单元存储位2.动态存储位电路 单管MOS动态存储位电路 I/OVC1读出放大器位线字线列线C第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（四）RAM的使用1.操作方式 以6264
8、为例。CS方式功能0110写I/O0I/O7输入信息写入A0A12指定单元0101读A0A12对应单元内容输出到I/O0I/O7端1非选I/O0I/O7端呈高阻0第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（四）RAM的使用2.扩展存储容量分为位扩展和字扩展。（1）位扩展时将各芯片的地址线、读/写控制线、片选线对应并联在一起，而各片输入/输出线作为字的各个位线。例如：用2片2114扩展为容量1K8的RAM，接法如图。I/O0A9A0I/O0I/O3CSWEA9A0I/O0I/O3CSWEI/O7A0A9WECS第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l一、RAMl（四）RAM的使用2.扩
9、展存储容量分为位扩展和字扩展。（2）字扩展时需要外加译码器，将地址高位送译码器输入，译码器输出作为每片RAM片选信号。例如，图示是用6116组成8K8存储器。A112-4线译码器CS2K8Y1Y2Y3Y4A12A10A9A0CEOEI/O7I/O1I/O0CS2K8CS2K8CS2K8WE第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMRAM只能暂存信息，因为它们都具有易失性，一旦断电，存储的信息便随之消失。在数字系统中，常常需要存储一些固定不变的信息，如常数表、数据转换表、字库或固定程序等，这就需要用ROM。ROM的内容是在制造过程中写入（又称编程）的，或者用专门设备由使用者写入。一旦写入
10、，便只能读出，而不能在运行程序时予以改变。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROM根据电路工作特点，ROM属于组合逻辑电路，给定一组输入（地址），存储器便给出一种输出（1个存储单元内容）。但就其组成而言，它和RAM又有许多相似之处，它由地址译码器、存储矩阵和输出电路等三部分组成。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介根据存储内容写入方法，ROM分为掩模型ROM、可编程PROM、可擦除可编程ROM等。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l1掩模型ROM掩模ROM中的信息，是制造厂家在生产时用掩模技术写入的。双极型RO
11、M速度较快，但功耗大，只用在速度要求较高的系统中。MOS型掩模ROM功耗小，但速度较慢。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l1掩模型ROM图示是用二极管构成的双极型掩模ROM。所存储数据如下表所示。W0W1W2W3 A1A0 A1A0 A1A0 A1A0字地址译码器 A0 A1D3D2D1D0RLRLRLRL地址数据A1A0D3D2D1D0001010011101100010111110第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l2可编程PROMPROM所存内容是由用户根据需要自己写入的，但只能写入一次，一经写入，存储内容即被
12、固定且不能修改。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l2可编程PROM为使用户能自己写入内容，厂家在生产PROM时，把存储矩阵中所有字线和位线交叉处，都跨接上串有熔丝的二极管，如图所示，这时全部基本存储单元内容均为1。用户编程时，只要给熔丝通以足够大的电流即可将熔丝烧断，从而将存储内容改写为0。熔丝一旦烧断，便无法恢复。因此，当某一位写入0后，就不能再改写为1。字线W位线D熔丝第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l3可擦除可编程只读存储器目前使用的可擦除可编程只读存储器有以下几种：EPROM，EEPROM，Flash RO
13、M。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l3可擦除可编程只读存储器（1）可擦除可编程只读存储器EPROM的内容可多次修改，也可长期保存。修改时，在芯片上方的石英玻璃窗口处，用紫外线灯照射1030分钟，芯片中原保存信息将全部丢失，然后用专用编程器写入新的内容。为使写好的信息不丢失，通常在窗口上都贴有不干胶避光纸，以防止外界紫外线照射。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l3可擦除可编程只读存储器（2）电擦除可编程只读存储器EEPROM又记作E2PROM，是从EPROM发展来的，它针对EPROM不能按单元修改及不能电擦除的缺点
14、而改进。E2PROM擦除和写入实际是同一过程，擦除实为改写。改写时需要加高压电源。早期生产的E2PROM改写高压电源要外接，使用时由用户提供。现在生产的E2PROM改写高压由芯片内部自行产生，于是在使用上就基本与RAM相同了，只是写入速度较慢，无论改写1个单元，还是整片改写，所需时间均是10 ms。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（一）各类ROM简介l3可擦除可编程只读存储器（3）Flash Memory又记作Flash ROM，称为闪速存储器或快闪存储器，是电擦除可编程存储器。擦写时为分区擦写（每区的字节数由生产商规定）或整片擦写。与E2PROM相比，其优点是单位体积容量
15、大，因此，单位体积容量成本低。第第1节节 半导体存储器半导体存储器 l二、ROMl（二）用ROM实现组合逻辑函数ROM的地址译码器是由很多与门构成的阵列，称之为与阵。如果将地址译码器的地址输入看作是组合逻辑电路的输入变量，则地址译码器输出的各条字线便是全部输入变量的各个最小项。ROM的地址译码器是由很多与门构成的阵列，称之为与阵。如果将地址译码器的地址输入看作是组合逻辑电路的输入变量，则地址译码器输出的各条字线便是全部输入变量的各个最小项。在图中，将地址A0和A1作为输入变量，地址译码器输出分别为ROM的存储矩阵是一个或门阵列，称之为或阵。它的各个位线输出使上述最小项之间构成一定的或逻辑关系。
16、在图中有W0W1W2W3 A1A0 A1A0 A1A0 A1A0字地址译码器 A0 A1D3D2D1D0RLRLRLRL综上所述，可以把ROM看作是一个与或阵列，如下图所示。其中，图（a）为ROM组成框图，图（b）为ROM阵列示意图。图（b）中，与阵中的“”表示对应的逻辑变量参与与运算，或阵中的“”表示对应的最小项参与或运算。因此有与阵列W0W1W2W3或阵列D0D1D2D3A1A0（a）1A0A1A0 A0 A11 A1W0W1W2W3D0D1D2D3（b）例 根据图示与或阵列图，写出逻辑函数F1，F2表达式。解：根据图中与阵图可得根据或阵图可得AABBm0m1m2m3F1F2第第2节节 可
17、编程逻辑器件可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD是一种由用户编程完成逻辑功能的器件，按构成分为可编程ROM，可编程阵列逻辑PAL、可编程逻辑阵列PLA、通用阵列逻辑GAL及现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD等。由于PLD集成度远大于中小规模TTL或CMOS电路，每片可达几百门，数千门，甚至上万门；具有变换正负逻辑、三态输出和存储功能等；可借助计算机软件对器件进行编程，用编程器构造器件。因而，用PLD实现逻辑功能，设计方便，速度快，功耗低，可靠性高，节省成本，是目前构成数字系统的理想器件。第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l一、PLD一般组成与电路表示法l1PLD一般组成输
18、入电路输入变量互补输入变量与阵列或阵列输出电路与项或项输出变量第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l一、PLD一般组成与电路表示法l2PLD电路表示法固定连接编程连接不连接第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l二、可编程阵列逻辑PALPAL器件的基本结构是可编程与阵和固定的或阵。图示是双极型PAL原理图，它与PROM一样，利用烧断熔丝进行编程。P01111F2ABP1P2P3F1BBAA第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l二、可编程阵列逻辑PAL图示PAL阵列图中，每条横线对应一个与项，称为与线；竖线对应一个输入变量的原变量或反变量，称为输入线。若与线与输入线交叉处熔丝保留，则该
19、条与线对应的与项中包含输入线所对应的变量；若熔丝烧断，则该与项与输入线所对应的变量无关。111&1F2AB&F1AABB第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l二、可编程阵列逻辑PAL图示是PAL熔丝全部保留的简化符号。&第第2节节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l二、可编程阵列逻辑PALPAL器件有多种型号，它们的与阵结构相同，规模略有不同，输出结构不相同，常见的输出结构有以下两种：l（1）组合型。这种输出结构适合构成组合逻辑电路。常见的有或门输出，或非门输出，以及带互补输出端的或门等。具有三态特性的输出端还能兼做输入端用。l（2）寄存型。这种输出结构适于构成时序电路。第第2节节 可编程逻辑
20、器件可编程逻辑器件l三、PLD的开发PLD之所以能够迅速发展和得到普遍应用，是因为可借助丰富的计算机辅助设计软件对其进行设计和编程。PLD的开发主要经过以下步骤：l（1）根据设计要求写出真值表和最简逻辑表达式。l（2）选择所需芯片型号。l（3）根据所选PLD芯片给各管脚赋以相应的逻辑引线名称。l（4）在计算机上按支撑软件要求编写编程文件，并运行所使用的软件工具。l（5）将计算机接上PLD编程器，编程器按照软件运行结果对PLD编程（所谓编程就是将PLD芯片中的交叉线按照功能要求接通或断开）。应当指出，不同软件和编程器有不同的使用方法和要求，具体操作时，应按照所用软件和编程器的使用要求进行操作。第第6章总结章总结l1半导体存储器分为ROM和RAM。根据存储特点，存取速度，集成度及价格，各种存储器用于不同场合。l2PLD基本构成是与阵和或阵，ROM与阵不可编程，或阵可编程，适用于与项多的逻辑函数。PAL与阵可编程，或阵不可编程，输出结构有多种形式，使用方便。