第七章 存儲器、復雜可編程器件

1、數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件第七章第七章 存儲器、存儲器、復雜可編程器件復雜可編程器件7.0 概述（概述（summary）7.2 隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAM）7.3*可編程邏輯器件（可編程邏輯器件（PLD）7.1 只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件 基本要求基本要求 1、掌握、掌握RAM的電路結(jié)構(gòu)、工作原理，了的電路結(jié)構(gòu)、工作原理，了解靜態(tài)解靜態(tài)RAM和動態(tài)和動態(tài)RAM的存儲原理、使用的存儲原理、使用方法；方法；2、掌握各種、掌握各種ROM的工作原理

2、和使用方法；的工作原理和使用方法；3、了解了解簡單簡單PLD的結(jié)構(gòu)、編程原理，為以的結(jié)構(gòu)、編程原理，為以后學習復雜可編程邏輯器件打下基礎(chǔ)。后學習復雜可編程邏輯器件打下基礎(chǔ)。 數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件7.0 概述（概述（summary）一、用一、用SSI和和MSI構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)存在的問題構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)存在的問題體積大體積大重量大重量大功耗高功耗高 成本高成本高可靠性差可靠性差數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件 二、二、LSI的現(xiàn)狀和前景的現(xiàn)狀和前景 目前，在單塊硅片上集成十萬個元件、器件的大規(guī)目

3、前，在單塊硅片上集成十萬個元件、器件的大規(guī)模集成電路已廣泛應(yīng)用到各種電子儀器和設(shè)備中。集成模集成電路已廣泛應(yīng)用到各種電子儀器和設(shè)備中。集成電路已進入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段，如電路已進入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段，如lattics公司的公司的Flex10K10系列，等效門數(shù)為系列，等效門數(shù)為10000門，另外還有門，另外還有Flex10K100系列，等效門數(shù)為系列，等效門數(shù)為100000門。門。 近年來，隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展，以及可近年來，隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展，以及可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，使電子電路設(shè)計方法和手段編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，使電子電路設(shè)計方法和手段都得到了不斷的改進和創(chuàng)

4、新，也為大規(guī)模集成電路的應(yīng)都得到了不斷的改進和創(chuàng)新，也為大規(guī)模集成電路的應(yīng)用開辟了新的途徑?？梢灶A見，大規(guī)模集成電路必將越用開辟了新的途徑。可以預見，大規(guī)模集成電路必將越來越廣泛地應(yīng)用于通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技來越廣泛地應(yīng)用于通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等領(lǐng)域中，術(shù)等領(lǐng)域中，PLD的原理和應(yīng)用是每個電子工程師必備的原理和應(yīng)用是每個電子工程師必備的一門技術(shù)。大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)都的一門技術(shù)。大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)都得到了飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。得到了飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲

5、器和可編程邏輯器件（1）密度越來越高）密度越來越高 單片密度已達十萬、幾十萬、甚至幾百萬門，已進單片密度已達十萬、幾十萬、甚至幾百萬門，已進入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段。入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段。（2）用戶可編程且擁有多種編程技術(shù)）用戶可編程且擁有多種編程技術(shù)（3）設(shè)計工具不斷完善）設(shè)計工具不斷完善 現(xiàn)有的設(shè)計自動化軟件即支持功能完善硬件描述語現(xiàn)有的設(shè)計自動化軟件即支持功能完善硬件描述語言如言如VHDL、Verilog等作為文本輸入，又支持邏輯電等作為文本輸入，又支持邏輯電路圖、工作波形圖等作為圖形輸入。路圖、工作波形圖等作為圖形輸入。 本章主要介紹半導體存貯器的分類方法、電路結(jié)構(gòu)和本章主要介紹半

6、導體存貯器的分類方法、電路結(jié)構(gòu)和工作原理，了解簡單工作原理，了解簡單PLD的結(jié)構(gòu)、編程原理。的結(jié)構(gòu)、編程原理。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件 存儲器存儲器用以存儲二進制信息的器件。按集成度分，半用以存儲二進制信息的器件。按集成度分，半導體存貯器屬于大規(guī)模集成電路。導體存貯器屬于大規(guī)模集成電路。 半導體存儲器的分類：半導體存儲器的分類： 根據(jù)使用功能的不同，半導體存儲器可分為兩大類：根據(jù)使用功能的不同，半導體存儲器可分為兩大類： （1）隨機存取存儲器（）隨機存取存儲器（RAM）也叫做讀）也叫做讀/寫存儲器。既能寫存儲器。既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，

7、又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。RAM的缺的缺點是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。點是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。 （2）只讀存儲器（）只讀存儲器（ROM）。其內(nèi)容只能讀出不能寫入。）。其內(nèi)容只能讀出不能寫入。 存儲的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，即具有非易失性。存儲的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，即具有非易失性。 存儲器的容量：存儲器的容量存儲器的容量：存儲器的容量=字長（字長（n）字數(shù)（字數(shù)（m） 存儲器的基本概念存儲器的基本概念 三、存儲器（三、存儲器（ memory ）數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯

8、器件半導半導體存體存儲器儲器RAM（讀寫存（讀寫存儲器）儲器） ROM（只讀存（只讀存貯器）貯器）靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）：）：數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)能永久保存。憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)能永久保存。動態(tài)動態(tài)RAM（DRAM）：）：數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)由MOS管管柵極電容存貯，存貯單元有三管和單管兩種。柵極電容存貯，存貯單元有三管和單管兩種。固定固定ROM（掩模（掩模ROM）PROM（一次可編程）（一次可編程）EPROM（光可擦除可（光可擦除可編程）編程）E2PROM（電可擦除可（電可擦除可編程）編程）快閃存儲器快閃存儲器可編程可編程ROM半導體存儲器的分類：半導體存儲器的分類：數(shù)

9、字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件7.1 只讀存儲器只讀存儲器ROM定義：定義：只讀存儲器只讀存儲器ROM（ReadOnly memory）是存儲固定信息的存儲器件，即）是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息和數(shù)據(jù)寫入到存儲器中，在正常工先把信息和數(shù)據(jù)寫入到存儲器中，在正常工作時它存儲的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，作時它存儲的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，不能迅速寫入，故稱為只讀存儲器。不能迅速寫入，故稱為只讀存儲器。特點：特點：掉電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。掉電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編

10、程邏輯器件ROM（按使用的器件的類型）（按使用的器件的類型）ROM的分類的分類二極管二極管ROM 雙極型三極管雙極型三極管ROM MOS管管ROM數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件固定固定ROM： 出廠時已完全固定下來，使用時無法再更出廠時已完全固定下來，使用時無法再更 改，也稱掩模編程改，也稱掩模編程ROM?？删幊炭删幊蘎OM： PROM： 允許用戶根據(jù)需要寫入，但只能寫一次。允許用戶根據(jù)需要寫入，但只能寫一次。 EPROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入，：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入， 但但 操作復雜、費時。操作復雜、

11、費時。EEPROM： 允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫 入，入，操作比較簡便、快捷。操作比較簡便、快捷?？扉W存儲器：仍是快閃存儲器：仍是ROM，兼有，兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特點，既有存儲內(nèi)容非丟失性，又有的特點，既有存儲內(nèi)容非丟失性，又有快速擦快速擦寫和寫和 讀取的特性。讀取的特性。按數(shù)據(jù)的寫入方式（存貯內(nèi)容的存入方式）按數(shù)據(jù)的寫入方式（存貯內(nèi)容的存入方式）數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件ROM的用途：的用途：1、存儲各種程序代碼；、存儲各種程序代碼；2、實現(xiàn)多輸入、多輸出邏輯函數(shù)真

12、值表；、實現(xiàn)多輸入、多輸出邏輯函數(shù)真值表；3、代碼的變換、符號和數(shù)字顯示等有關(guān)數(shù)、代碼的變換、符號和數(shù)字顯示等有關(guān)數(shù)字電路及存儲各種函數(shù)等。字電路及存儲各種函數(shù)等。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件1、ROM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輸入驅(qū)動器：輸入驅(qū)動器：起著緩沖的作用，且生成互補的輸入信號。起著緩沖的作用，且生成互補的輸入信號。輸出緩沖器：輸出緩沖器：既有緩沖作用，有可以提供不同的輸出結(jié)既有緩沖作用，有可以提供不同的輸出結(jié) 構(gòu)，構(gòu)， 如三態(tài)輸出、如三態(tài)輸出、OC輸出等。輸出等。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器

13、件2 、EPROM 在研制一個數(shù)字系統(tǒng)的過程中，用戶常常希望能夠按在研制一個數(shù)字系統(tǒng)的過程中，用戶常常希望能夠按照自己的需要對照自己的需要對ROM 進行編程，這樣的進行編程，這樣的ROM叫做可編叫做可編程程ROM或或EPROM。 PROM在出廠時，制作的是一個完整的二極管或三極在出廠時，制作的是一個完整的二極管或三極管存儲單元矩陣，相當于所有的存儲單元全部存入管存儲單元矩陣，相當于所有的存儲單元全部存入1。在。在每個單元的三極管發(fā)射極上都接有快速熔絲，它是用低熔每個單元的三極管發(fā)射極上都接有快速熔絲，它是用低熔點的合金或很細的多晶硅導線制成的。點的合金或很細的多晶硅導線制成的。 寫操作：寫操作

14、：在寫入數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)找出要寫入的單元在寫入數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)找出要寫入的單元地址，并輸入相應(yīng)的地址碼，使相應(yīng)的字線輸出高電平，地址，并輸入相應(yīng)的地址碼，使相應(yīng)的字線輸出高電平，然后在相應(yīng)的位線上按規(guī)定加入高電壓脈沖，使穩(wěn)壓管然后在相應(yīng)的位線上按規(guī)定加入高電壓脈沖，使穩(wěn)壓管導通，寫入放大器的輸出呈低電平、低內(nèi)阻狀態(tài)，相應(yīng)導通，寫入放大器的輸出呈低電平、低內(nèi)阻狀態(tài)，相應(yīng)存儲單元的三極管飽和導通，有較大的脈沖電流流過熔存儲單元的三極管飽和導通，有較大的脈沖電流流過熔絲，并將其熔斷。絲，并將其熔斷。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件讀操作：讀操作： 先讀熔

15、絲未熔斷的，相應(yīng)字線為高電平，先讀熔絲未熔斷的，相應(yīng)字線為高電平，再讀熔絲再讀熔絲 熔斷的。熔斷的。 顯然，顯然，PROM的有關(guān)存儲單元的數(shù)據(jù)一經(jīng)寫的有關(guān)存儲單元的數(shù)據(jù)一經(jīng)寫好后，就不能作任何更改，所以使用的靈活性受好后，就不能作任何更改，所以使用的靈活性受到一定限制。到一定限制。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件3 、EPROM： 采用浮柵型采用浮柵型MOS器件作為存儲單元的一個元件，需器件作為存儲單元的一個元件，需紫外線照射才能擦除，大概需要紫外線照射才能擦除，大概需要1030分鐘，可擦除分鐘，可擦除上萬次。上萬次。4 、EEPROM： 同樣

16、采用浮柵工藝，但可利用一定寬度電脈沖擦除。同樣采用浮柵工藝，但可利用一定寬度電脈沖擦除。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件可讀可寫可讀可寫讀寫方便讀寫方便所存儲信息會因斷電而丟失所存儲信息會因斷電而丟失7.3 隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAM）（讀寫存儲器）（讀寫存儲器）（Random Access Memory）用途：用途：特點：特點：常用來放一些采樣值、運算的中間常用來放一些采樣值、運算的中間 結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖等。結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖等。RAM（讀寫存（讀寫存儲器）儲器）靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）：）：數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷數(shù)據(jù)

17、由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)能永久保存。所用管子多，功耗大，集成度受限制。電，數(shù)據(jù)能永久保存。所用管子多，功耗大，集成度受限制。動態(tài)動態(tài)RAM（DRAM）：）：數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)由MOS管柵極電容存貯，數(shù)管柵極電容存貯，數(shù)據(jù)必須定期刷新，常見的存貯單元有三管和單管兩種。為提據(jù)必須定期刷新，常見的存貯單元有三管和單管兩種。為提高集成度，目前大容量存貯單元普遍采用單管結(jié)構(gòu)。高集成度，目前大容量存貯單元普遍采用單管結(jié)構(gòu)。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件RAM的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖1、RAM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)地址線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制線控制線數(shù)字電子技術(shù)第八章第八

18、章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件存儲矩陣存儲矩陣地址譯碼器地址譯碼器讀寫控制電路（輸入讀寫控制電路（輸入/輸出控制電路）輸出控制電路）（1）存儲矩陣）存儲矩陣 一個存貯器由許多存貯單元組成，每個存儲單元能存放一個存貯器由許多存貯單元組成，每個存儲單元能存放一位二值信息。存儲器的容量是指存儲單元的數(shù)目。一位二值信息。存儲器的容量是指存儲單元的數(shù)目。存儲容量存儲容量=存儲單元的數(shù)目存儲單元的數(shù)目=行數(shù)行數(shù)*列數(shù)列數(shù)=字數(shù)字數(shù)*位數(shù)位數(shù) 存貯器的容量越大，意味著存貯器存貯的數(shù)據(jù)越多。存貯器的容量越大，意味著存貯器存貯的數(shù)據(jù)越多。RAM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)3類信號線：地址線、數(shù)據(jù)線

19、、控制線。類信號線：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件 （2）地址譯碼）地址譯碼 一個一個RAM由若干字和位組成。由若干字和位組成。通常信息的讀出和寫入是以字為單位進行的。為了區(qū)分通常信息的讀出和寫入是以字為單位進行的。為了區(qū)分不同的字，將存放同一個字的各個存儲單元編為一組，不同的字，將存放同一個字的各個存儲單元編為一組，并賦予一個號碼，稱為地址。并賦予一個號碼，稱為地址。 地址的選擇是借助于地址譯碼器實現(xiàn)的。容量小地址的選擇是借助于地址譯碼器實現(xiàn)的。容量小的可以只用一個譯碼器，容量大的通常采用雙譯碼結(jié)的可以只用一個譯碼器

20、，容量大的通常采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，即將輸入地址分為兩部分，分別由行譯碼器和列構(gòu)，即將輸入地址分為兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器進行譯碼。行列譯碼器的輸出即為存儲矩陣的譯碼器進行譯碼。行列譯碼器的輸出即為存儲矩陣的字線和位線，由它們共同確定欲選擇的存儲單元。只字線和位線，由它們共同確定欲選擇的存儲單元。只有被行地址選擇線和列地址選擇線同時選中的單元，有被行地址選擇線和列地址選擇線同時選中的單元，才能被訪問。才能被訪問。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件（3）輸入）輸入/輸出控制電路輸出控制電路 在系統(tǒng)中為了便于控制，電路中不僅有讀在系統(tǒng)中為了便于控制

21、，電路中不僅有讀/寫控制信寫控制信號號R/W，還有片選控制信號，還有片選控制信號CS。當片選信號有效時，芯。當片選信號有效時，芯片被選中，可進行讀片被選中，可進行讀/寫操作，否則芯片不工作。片選信寫操作，否則芯片不工作。片選信號僅解決芯片是否工作問題，而芯片的讀、寫操作由讀號僅解決芯片是否工作問題，而芯片的讀、寫操作由讀/寫控制信號決定。寫控制信號決定。 在半導體存貯器中采用了按地址存放數(shù)據(jù)的方法，只在半導體存貯器中采用了按地址存放數(shù)據(jù)的方法，只有那些被地址代碼指定的存貯單元才能與輸入有那些被地址代碼指定的存貯單元才能與輸入/輸出端接輸出端接通，可以對這些被指定的單元進行讀通，可以對這些被指定

22、的單元進行讀/寫操作。而輸入寫操作。而輸入/輸輸出端是公用的。為此存貯器的電路結(jié)構(gòu)中必須包含地址譯出端是公用的。為此存貯器的電路結(jié)構(gòu)中必須包含地址譯碼器、存貯矩陣和輸入碼器、存貯矩陣和輸入/輸出電路（或讀輸出電路（或讀/寫控制電路）這寫控制電路）這三個組成部分。三個組成部分。數(shù)字電子技術(shù)第八章第八章 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件2、RAM存儲容量的擴展存儲容量的擴展 在一片存貯器芯片的存貯容量不夠用時，可以將多片在一片存貯器芯片的存貯容量不夠用時，可以將多片存貯器芯片組合起來，構(gòu)成一個更大容量的存貯器。當每存貯器芯片組合起來，構(gòu)成一個更大容量的存貯器。當每片存貯器的

23、字數(shù)夠用而每個字的位數(shù)不夠用時，應(yīng)采用位片存貯器的字數(shù)夠用而每個字的位數(shù)不夠用時，應(yīng)采用位擴展的聯(lián)接方式；當每片的字數(shù)不夠用而每個字的位數(shù)夠擴展的聯(lián)接方式；當每片的字數(shù)不夠用而每個字的位數(shù)夠用時，應(yīng)采用字擴展的聯(lián)接方式；當每片的字數(shù)和位數(shù)都用時，應(yīng)采用字擴展的聯(lián)接方式；當每片的字數(shù)和位數(shù)都不夠用時，則需同時采用位擴展和字擴展的聯(lián)接方式。不夠用時，則需同時采用位擴展和字擴展的聯(lián)接方式。（1）字長（位數(shù)）的擴展）字長（位數(shù)）的擴展 通常通常RAM芯片的字長多設(shè)計成芯片的字長多設(shè)計成1位、位、4位、位、8位等，當位等，當實際的存儲器系統(tǒng)的字長超過實際的存儲器系統(tǒng)的字長超過RAM芯片的字長時，需要對芯片的字長時，需要對RAM實行位擴展。實行位擴展。 位擴展可以利用芯片的并聯(lián)方式實現(xiàn)。位擴展可以利用芯片的并聯(lián)方式實現(xiàn)。連接的方法是連接的方法是將各片的地址線、讀將各片的地址線、讀/寫控制線（寫控制線