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1、第5章半导体存储器和可编程电路半导体存储器是计算机的重要硬件之一。可编程逻辑器件（PLD）是在ROM功能基础上开发出新型逻辑器件。第1节半导体存储器半导体存储器是当前各类计算机的主要记忆体，是与中央处理器（CPU）配合工作的重要部件。按照计算机的运行需要，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）都是不可缺少的。一、随机存储器（RAM）随机存储器（Random Access Memory简称RAM）在加电状态下，允许随时对其中任意一个存储单元进行读、写操作，断电后信息便完全消失。在计算机中，RAM用于存放随时可能更换的程序和数据。随机存储器集成电路通常由存储单矩阵（称为存储体）以及地址译码器、
2、读写控制电路3个基本部分组成。图5-1RAM的内部结构存储体是存储器的主体，存储器的存储单元数量M与外接地址线数N相对应，它们的关系是MN2（有的存储器产品为减少电路引出线，将地址信号分两次输入，M22N）。译码电路的作用是把地址线的2N种信号组合译成2N个独立的信号，指向2N个存储单元。读写控制电路用于控制数据线对信号的传输方向。读操作时，数据由地址信号选定的存储单元送到数据线上传向芯片外，存储单元内的信息保持原状态不受影响。写操作时，数据信号由数据线传入，地址信号选定的存储单元内的原有信息被新内容所覆盖。计算机中传输数据信号的数据总线是分时双向的。1、静态RAM（SRAM）静态RAM的存储
3、体用第4章介绍的数据锁存器构成。这种RAM存储信息稳定，在正常加电状态下可永久不变，读写速度能与高速CPU的动作匹配。2114静态RAM芯片的内部结构图图5-22114静态RAM内部结构图图5-3用NMOS管构成的静态存储单元触发器也可以用MOS管构成。NMOS管构成的一位静态存储体，其中T1T4组成基本RS触发器，记录1位二进制代码，其它都是门控管，控制数据传输方向。2、动态RAM（DRAM）动态RAM的存储功能是利用场效应管栅极的电容效应实现的。由于电容充电后会通过相关电路逐渐放电，使信息不能长久保持，所以需要不断刷新。电容的充放电动作使得动态RAM的读、写操作速度较静态RAM慢得多，但电
4、路结构简单，集成度高，功耗小。图5-4动态RAM的存储电路在现代微型计算机中，使用动态RAM制作的大容量存储器以满足计算机对存储空间的需求，又使用静态RAM作为高速缓冲存储器（Cache）以解决动态RAM与CPU的速度匹配问题。二、只读存储器（ROM）根据计算机的运行需要，支持机器启动的基础软件及一些重要信息应能在加电后自行恢复，这就需要一种能在断电状态下不丢失信息的存储器，这种存储器的内容平时只能进行读操作，称为只读存储器（ReadOnlyMemory简称ROM）。只读存储器有掩膜型ROM（简称ROM）、可编程ROM（简称PROM）、紫外线擦除的可编程ROM（简称EPROM）、电擦除的可编程
5、ROM（简称EEPROM）或E2PROM）等。当前各类计算机系统普遍使用的闪速存储器也是一种E2PROM。1、掩膜式ROM图5-5二极管ROM的结构示意图地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110存储体实质是个编码器，数据线的原状态都是低电平“0”，高电平的数位由二极管跨接到字线上拉为高电平“1”。表5-1图73ROM的数据表2、可编程的ROM（PROM）PROM的存储体结构原理与掩膜ROM相似，仍是用地址译码器的输出线（字线）与数据线（位线）的交叉网络及连接件构成存储体，在PROM中数据是未知的，要在位线与字线的所有交叉点上都要设置连接件，常用的连接件有
6、二极管或熔断器。编程原理是将二极管击穿或把熔丝烧断。二极管击穿和熔丝烧断都不能再恢复原状，所以，PROM只能写入一次，适用于保存调试定型的软件或数据。在PROM中，二极管反向偏置的，这种PROM芯片出厂时存储单元各位都是0。写入数据时，数据为0的位，二极管不动（位线和字线为不连接状态）;数据为1的位，用高电压（称为写入电压）将二极管击穿，使位线跟字线连接，数据就变为1。用熔断器构成连接件的PROM存储体的初值全为1，写入数据时将熔丝烧断，数据变为0。图5-6熔断器式PROM3、可擦除的可编程ROM（EPROM）若在位线跟地线之间接一个可编程的开关器件，就可控制位线电平状态，字线只作为对存储单元
7、的选择，这就是可编程存储器的结构基础。在EPROM结构中，使用具有特殊栅极结构的MOS管作为可控制开关。这种特殊结构的MOS管有浮置栅和叠栅两种。图5-7叠栅和浮置栅结构的MOS管及存储体结构这两种特殊结构的栅极能长久保存电荷，又能在较强的紫外线照射下释放电荷，实现擦除信息的效果。这种特殊结构的MOS管在栅极带有足够的电荷时呈导通状态，电荷释放后呈截止状态。EPROM实际产品2716的外形、引脚信号分布及内部结构，用于紫外线照射的石英玻璃窗口是EPROM的标志性装置。图5-82716EPROM芯片2716EPROM以8位（一个字节）为一个存储单元，共2048个存储单元（位容量为20488bit
8、）。编程的高压为25V，每个字节的写入时间为50ms。4、电擦除的可编程ROM（EEPROM）现代计算机技术的发展，需要具有RAM和ROM双重功能的存储器的场合越来越多，显然EPROM不能适应这种需要，应运而生的是电擦除的可编程ROM（EEPROM或E2PROM）。在E2PROM的存储体中使用了浮栅隧道氧化层MOS管的器件。图5-9浮栅隧道氧化层MOS管及E2PROM存储体结构浮栅隧道氧化层MOS管的栅极保持浮置栅或叠栅的性能，可以长久保存电荷，隧道氧化层结构的引入使栅极电荷的释放不再用紫外线照射，更新的E2PROM称为快闪存储器（又叫闪速存储器）。E2PROM存储体三种操作状态的加电要求。图
9、5-10E2PROM存储体三种操作状态图5-11快闪存储器所使用的MOS管及存储体电路结构三、存储芯片的引脚设置和计算机存储体的扩展1、存储芯片引脚的设置常用的RAM芯片有1位、2位、4位、8位等几种单元结构。只读存储器多采用8位结构。2、存储体的位扩展计算机使用的数据通常以字节（8位）为单位，存储器部件（俗称内存条）多用1位结构的存储芯片以位扩展方式构成8位存储体。图5-12RAM位扩展3、存储体的字扩展单片存储器的容量极为有限，为扩展存储体的总容量，就需要把多片存储器联合起来使用（又称为字扩展）。扩展接线。图5-13存储器的字扩展第2节可编程器件的基础知识随着计算机技术的高速发展，计算机电
10、路的规模不断增大，对逻辑电路进行宏观压缩和多功能性的需要成为必然，可编程逻辑器件（PLD）就是通过编程可灵活地构成多种逻辑功能的新型数字集成电路产品。一、PROM电路的结构特点及应用1、PROM电路的结构特点PROM电路结构，地址译码器是由二极管组成的与门电路，地址译码器每个输出信号各对应一个以全部地址输入信号为变量的最小项。存储体则是由二极管组成的或门电路，PROM的输出信号实际是输入信号不同组合关系的与或逻辑函数。PROM电路实际是一个输入信号相同、多输出端的与或逻辑电路群，能方便地同时实现多种组合逻辑功能，由PROM输出的是多个用标准与或表达式表示的逻辑函数。图5-14ROM的与阵列和或
11、阵列2、PROM特性的应用利用PROM的可编程特性，就可以搭接出各种功能的组合逻辑电路。配合相应的触发器还可组成时序逻辑电路。可编程逻辑器件（PLD）就是以PROM电路为基础开发出的新型逻辑电路。二、PLD电路的基本类型及特点分类与阵列或阵列输出电路可编程ROM（PROM）固定可编程固定可编程阵列逻辑（PAL）可编程固定固定通用阵列逻辑（GAL）可编程固定可组态可编程逻辑阵列（PLA）可编程可编程固定表5-2PLD产品结构分类及性能对照 对PLD编程操作和PROM一样，都要在专用的编程器上进行。1、可编程阵列逻辑电路（PAL）图5-16PAL电路可编程阵列逻辑（PAL）中只有与门阵列具有可编程
12、特性，或门阵列是固定的。图5-16b所示电路对应的逻辑函数：2、可编程逻辑阵列电路（PLA）PLA的与门阵列和或门阵列都可以编程，因此用PLA电路可以实现各种组合逻辑函数的最简结构。（1）用PLA制作组合逻辑电路图5-17所示为8421码转换为格雷码的PLA电路结构示意图，输入8421码，输出格雷码。图5-178421码转换为格雷码的PLA电路编程示意图表5-38421码转换为格雷码逻辑真值表用B3、B2、B1、B0表示8421码，格雷码用G3、G2、G1、G0表示。输入8421码输出格雷码B3B2B1B0G3G2G1G0000000000001001100100001001100100100
13、01100101111001101010011110111000100110011000逻辑表达式（经化简）如下：图5-18用PLA实现一位二进制全加器（2）用PLA制作时序逻辑电路在PLA内部，虽然与阵列和或阵列都可以编程，但信号只能从输入端传输到输出端，即只能编程生成组合逻辑电路，要制作时序逻辑电路，必须在外部添加触发器形成。图5-19可编程时序阵列逻辑电路结构和用PLA构成的十进制计数器3、通用阵列逻辑电路（GAL）GAL电路的基本结构和PAL电路一样，都由与门、或门两种阵列和输出电路组成，并且都是与门阵列可编程，或门阵列固定。所不同的是PAL电路的输出电路是固定的，用户只能对与门阵列编
14、程。16V8是GAL产品中被普遍应用的典型芯片。图5-20GAL16V8的封装外形及引脚信号分布图5-21GAL输出电路单元OLMC结构16V8有8个基本输入端（29脚），最多可扩展到16个；输出端最多为8个，芯片型号中的数字就表示它的输入、输出特性，GAL器件的其它芯片型号也是这种含义。本章小结（1）RAM和ROM是构成计算机记忆体的常用器件。RAM有静态（SRAM）和动态（DRAM）两中基本类型。ROM有掩膜式、PROM、EPROM、E2PROM和闪速存储器等5种类型。不同类型的RAM和ROM都分别有不同应用要求的电路环境。（2）计算机记忆体的构成通常有位扩展和字扩展两个步骤。（3）PROM的与阵列和或阵列结构成为可编程器件（PLD）电路基础，新型逻辑器件PAL、PLA、GAL为逻辑电路的设计展开了新的途径。（4）可编程的ROM和PLD的编程操作需要在专门的编程设备上进行。