第七章 半導體存儲器

存儲器、復雜可編程邏輯器和現(xiàn)場可編程門陣列7.1只讀存儲器7.2隨機存取存儲器7.3復雜可編程邏輯器件*7.4現(xiàn)場可編程門陣列*7.5用EDA技術和可編程器件的設計例題教學基本要求：掌握半導體存儲器字、位、存儲容量、地址等基本概念。掌握RAM、ROM的工作原理及典型應用。了解存儲器的存儲單元的組成及工作原理。概述半導體存貯器能存放大量二值信息的半導體器件?？删幊踢壿嬈骷且环N通用器件，其邏輯功能是由用戶通過對器件的編程來設定的。它具有集成度高、結(jié)構靈活、處理速度快、可靠性高等優(yōu)點。存儲器的主要性能指標取快速度——存儲時間短存儲數(shù)據(jù)量大——存儲容量大7.1只讀存儲器7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構7.1.2兩維譯碼7.1.3可編程ROM7.1.4集成電路ROM7.1.5ROM的讀操作與時序圖7.1.6ROM的應用舉例存儲器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)RAM(隨機存取存儲器):在運行狀態(tài)可以隨時進行讀或?qū)懖僮?。存儲的?shù)據(jù)必須有電源供應才能保存,一旦掉電,數(shù)據(jù)全部丟失。ROM(只讀存儲器)：在正常工作狀態(tài)只能讀出信息。斷電后信息不會丟失，常用于存放固定信息（如程序、常數(shù)等）。固定ROM可編程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：靜態(tài)RAMDRAM(DynamicRAM)：動態(tài)RAM7.1只讀存儲器幾個基本概念：存儲容量（M)：存儲二值信息的總量。字數(shù)：字的總量。字長（位數(shù)）：表示一個信息多位二進制碼稱為一個字，字的位數(shù)稱為字長。存儲容量（M)＝字數(shù)×位數(shù)地址：每個字的編號。字數(shù)=2n（n為存儲器外部地址線的線數(shù)）

只讀存儲器，工作時內(nèi)容只能讀出，不能隨時寫入，所以稱為只讀存儲器。(Read-OnlyMemory)ROM的分類按寫入情況劃分

固定ROM可編程ROMPROMEPROME2PROM按存貯單元中器件劃分

二極管ROM三極管ROMMOS管ROM7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構存儲矩陣地址譯碼器地址輸入7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構數(shù)據(jù)輸出控制信號輸入輸出控制電路地址譯碼器存儲矩陣輸出控制電路

例如：容量為256×1的存儲器地址譯碼器8根列地址選擇線32根行地址選擇線32×8=256個存儲單元譯碼方式單譯碼雙譯碼---n位地址構成2n條地址線。若n=10，則有1024條地址線---將地址分成兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器共同譯碼其輸出為存儲矩陣的行列選擇線，由它們共同確定欲選擇的地址單元。若給出地址A7-A0=00100001，將選中哪個存儲單元讀/寫？

若容量為256×4的存儲器，有256個字，8根地址線A7-A0，但其數(shù)據(jù)線有4根，每字4位。8根列地址選擇線32根行地址選擇線1024個存儲單元

若給出地址A7-A0=00011111，哪個單元的內(nèi)容可讀/寫？

1）ROM（二極管PROM）結(jié)構示意圖存儲矩陣位線字線輸出控制電路M=44地址譯碼器字線與位線的交點都是一個存儲單元。交點處有二極管相當存1，無二極管相當存0當OE=1時輸出為高阻狀態(tài)000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0內(nèi)容當OE=0時字線存儲矩陣字線與位線的交點都是一個存儲單元。交點處有MOS管相當存0，無MOS管相當存1。7.1.2兩維譯碼該存儲器的容量=?以上兩種稱為掩膜ROM，其存儲矩陣中的內(nèi)容在出廠時已被固定，用戶不能修改。

PROM字線位線熔斷絲

將熔絲燒斷，字線、位線在此交叉，該單元變成“0”。

PROM是一種可編程序的ROM，采用熔絲結(jié)構，只給用戶一次編程機會。在出廠時全部存儲“1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為“0”。7.1.4集成電路ROMAT27C010，128K′8位ROM

工作模式A16~A0VPPD7~D0讀00XAiX數(shù)據(jù)輸出輸出無效X1XXX高阻等待1XXAiX高阻快速編程010AiVPP數(shù)據(jù)輸入編程校驗001AiVPP數(shù)據(jù)輸出7.1.5ROM的讀操作與時序圖（2）加入有效的片選信號（3）使輸出使能信號有效，經(jīng)過一定延時后，有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上；（4）讓片選信號或輸出使能信號無效，經(jīng)過一定延時后數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)，本次讀出結(jié)束。（1）欲讀取單元的地址加到存儲器的地址輸入端；（1）用于存儲固定的專用程序（2）利用ROM可實現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能－－查某個角度的三角函數(shù)

把變量值（角度）作為地址碼，其對應的函數(shù)值作為存放在該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，這稱為“造表”。使用時，根據(jù)輸入的地址(角度)，就可在輸出端得到所需的函數(shù)值，這就稱為“查表”。

碼制變換－－把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應存儲單元中的內(nèi)容即可。7.1.6ROM的應用舉例CI3I2I1I0二進制碼O3O2O1O0格雷碼CI3I2I1I0格雷碼O3O2O1O0二進制碼000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010用ROM實現(xiàn)二進制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的電路C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)二進制碼O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷碼C(A4)I3I2I1I0(A3A2A1A0)格雷碼O3O2O1O0(D3D2D1D0)二進制碼000000000100000000000010001100010001000100011100100011000110010100110010001000110101000111001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010C=A4I3I2I1I0=A3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D0用ROM實現(xiàn)二進制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的電路

7.2隨機存取存儲器（RAM）7.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)7.2.2同步靜態(tài)隨機存取存儲器（SSRAM）7.2.4存儲器容量的擴展7.2.3動態(tài)隨機存取存儲器7.2隨機存取存儲器（RAM）7.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)1SRAM的本結(jié)構CE

OE

WE

=100高阻CE

OE

WE

=00X輸入CE

OE

WE

=010輸出CE

OE

WE

=011高阻SRAM的工作模式

工作模式

CE

WE

OE

I/O0~I/Om-1

保持(微功耗)

1

X

X

高阻

讀

0

1

0

數(shù)據(jù)輸出

寫

0

0

X

數(shù)據(jù)輸入

輸出無效

0

1

1

高阻

QQT1~T4

構成基本R-S觸發(fā)器六管存儲單元T5、T6為門控管T7、T8為數(shù)據(jù)線控制管1、靜態(tài)RAM存儲單元（1）寫操作Xi=1有效，T5，T6開通；Yj有效T7，T8開通。數(shù)據(jù)(D=1)被寫入存儲單元。（2）讀操作Xi有效，T5，T6開通；Yj有效T7，T8開通。數(shù)據(jù)(Q=1)從存儲單元讀出。1010010111QQ原存儲Q=0（a）（b）

2.SRAM的讀寫操作及時序圖讀操作時序圖2.SRAM的寫操作及時序圖寫操作時序圖7.2.2同步靜態(tài)隨機存取存儲器（SSRAM）SSRAM是一種高速RAM。與SRAM不同,SSRAM的讀寫操作是在時鐘脈沖節(jié)拍控制下完成的。寄存地址線上的地址寄存要寫入的數(shù)據(jù)ADV=0:普通模式讀寫ADV=1:叢發(fā)模式讀寫=0:寫操作=1:讀操作

寄存各種使能控制信號，生成最終的內(nèi)部讀寫控制信號；2位二進制計數(shù)器,處理A1A0ADV=0:普通模式讀寫片選無效=0:寫操作WE=1:讀操作WE普通模式讀寫模式:在每個時鐘有效沿鎖存輸入信號,在一個時鐘周期內(nèi),由內(nèi)部電路完成數(shù)據(jù)的讀(寫)操作。讀A1地址單元數(shù)據(jù)I/O輸出A1數(shù)據(jù);開始讀A2數(shù)據(jù)I/O輸出A2數(shù)據(jù);開始讀A3數(shù)據(jù)I/O輸出A6數(shù)據(jù);開始讀A7數(shù)據(jù)開始讀A4地址單元數(shù)據(jù)I/O輸入A5數(shù)據(jù);開始寫A6數(shù)據(jù)I/O輸出A4數(shù)據(jù);開始寫A5數(shù)據(jù),讀A2地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+2中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+3中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式重新讀A2中的數(shù)據(jù)

ADV=1:叢發(fā)模式讀寫叢發(fā)模式讀寫模式：在有新地址輸入后,自動產(chǎn)生后續(xù)地址進行讀寫操作,地址總線讓出讀A1地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+2中的數(shù)據(jù)在由SSRAM構成的計算機系統(tǒng)中，由于在時鐘有效沿到來時，地址、數(shù)據(jù)、控制等信號被鎖存到SSRAM內(nèi)部的寄存器中，因此讀寫過程的延時等待均在時鐘作用下，由SSRAM內(nèi)部控制完成。此時，系統(tǒng)中的微處理器在讀寫SSRAM的同時，可以處理其他任務，從而提高了整個系統(tǒng)的工作速度。

SSRAM的使用特點：

1、動態(tài)存儲單元及基本操作原理

T

存儲單元寫操作:X=1=0T導通，電容器C與位線B連通輸入緩沖器被選通，數(shù)據(jù)DI經(jīng)緩沖器和位線寫入存儲單元如果DI為1，則向電容器充電，C存1;反之電容器放電,C存0。

-

刷新R行選線X讀/寫輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B7.2.3動態(tài)隨機存取存儲器讀操作:X=1=1T導通，電容器C與位線B連通輸出緩沖器/靈敏放大器被選通，C中存儲的數(shù)據(jù)通過位線和緩沖器輸出

T

/

刷新R行選線X輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B每次讀出后，必須及時對讀出單元刷新，即此時刷新控制R也為高電平，則讀出的數(shù)據(jù)又經(jīng)刷新緩沖器和位線對電容器C進行刷新。7.2.4存儲器容量的擴展位擴展可以利用芯片的并聯(lián)方式實現(xiàn)?！ぁぁE┇A11A0···WED0D1

D2

D3WECEA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CEA0A114K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3WE1.字長（位數(shù)）的擴展---用4KX4位的芯片組成4KX16位的存儲系統(tǒng)。7.2.4RAM存儲容量的擴展2.字數(shù)的擴展—用用8KX8位的芯片組成32KX8位的存儲系統(tǒng)。RAM1D0D7A0A12CE1芯片數(shù)=4RAM1D0D7A0A12CE1RAM1D0D7A0A12CE1RAM1D0D7A0A12CE1系統(tǒng)地址線數(shù)=15系統(tǒng):A0~A14

A13~A14?2000H2001H2002H┇3FFFH4000H400H4002H┇5FFFH6000H6001H6002H┇7FFFH0000H0001H0002H┇1FFFH芯片:A0~A12

32K×8位存儲器系統(tǒng)的地址分配表各RAM芯片譯碼器有效輸出端擴展的地址輸入端A14A138K×8位RAM芯片地址輸入端

A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0對應的十六進制地址碼

Ⅰ

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0

0

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100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

10000H0001H0002H┇1FFFH

Ⅱ

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