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第10章 半导体存储器和可编程逻辑器件学习要点：熟悉常用ROM的内部结构和使用方法熟悉常用RAM的内部结构和使用方法掌握存储器容量的扩展方法（字、位）了解可编程逻辑器件：PLD、PAL、GAL第10章 半导体存储器和可编程逻辑器件10.1 半导体存储器10.2 可编程逻辑器件退出10.1 半导体存储器10.1.1 只读存储器（ROM）10.1.2 随机存储器（RAM）10.1.3 存储器容量的扩展退出 半导体存储器是一种能存储大量二值信息（或称为二值的数据）的半导体器件。 在电子计算机以及其他的一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。 半导体存储器的种类很多，首先从存、取功能上可以分为只读存储器（Read-only Memory，简称ROM）和随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）两大类。10.1.1 只读存储器（ROM）1ROM的结构图10-1 ROM的结构主要由地址译码器、存储体及读出电路等三部分组成。 地址译码器的作用是将输入的地址译码成相应的控制信息，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到读出电路。 存储矩阵中字线和位线交叉处能存储一位二进制信息的电路叫做一个存储元。而一个字线所对应的m个存储元的总体叫作一个存储单元。ROM中的存储元不用触发器而用一个半导体二极管或三极管，但更多的是由MOS场效应管组成。这种存储元虽然写入不方便，但电路结构简单，有利于提高集成度。 读出电路的作用有两个：一是提高存储器的带负载能力；二是实现对输出状态的三态控制，以便于系统的总线联结。 通常用位（bit）和字节（Byte）作为存储器的存储单位。 位用来表示一个二进制信息的0和1，是最小的存储单位。在微型计算机中信息大多是以字节形式存放的。一个字节由8个信息位组成，字是计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传递的一组二进制位，它的长度是字长。字长是衡量计算机性能的一个重要指标 2掩模只读存储器 掩模只读存储器中的信息是在制造时存入的，存储的数据是由制作过程中使用的掩模板决定的，产品出厂后用户无法作任何的改动。 掩模只读存储器适用于需要大批量生产而使用中又不需要改动存储的信息的场合。3可改写型ROM（EPROM） EPROM器件是一种可擦除、可重新编程的只读存储器，因而在需要经常修改ROM中内容的场合，它便成为一种比较理想的器件 往EPROM写入信息时，要用专门的设备，在相关引脚加的编程电压，然后信息从编程脉冲引脚写入EPROM内部。 对已写入信息的EPROM，如须改写，可用专用的紫外线灯照射除去胶带的石英盖板，经1020min则芯片中写入的内容全部消失，又可以重新写入需要的信息。以2716芯片为例介绍它的使用方法 : 图10-2 2716的引脚图4电可改写型ROM（E2PROM） EPROM只能整体擦除，不能单一个存储单元独立地擦除，而且擦除操作较麻烦。为克服这些缺点，又研制成了可以用电信号擦除的可编程ROM，这就是通常所说的E2PROM。 在E2PROM中，Intel公司的芯片2816A、2817A和2864A等较常用。图10-3是常用E2PROM的芯片引脚图。 5快闪存储器（Flash Memory） 快闪存储器是一种快速在线电修改、且掉电非易失性存储器。 快闪存储器以供电电压的不同，大体可以分为两大类：一类是从用紫外线擦除的EPROM发展而来的需要用高压（12V）编程的器件，通常需要双电源（芯片电源、擦除/编程电源）供电，型号序列为28F系列；另一类是从5V编程、以E2PROM为基础的器件，它只需要单一电源供电，其型号序列通常为29C系列（有的序列号也不完全统一）。 6ROM在组合逻辑设计中的应用 用ROM实现组合逻辑的基本原理可从存储器和与或逻辑网络两个角度来理解。 用ROM实现组合逻辑函数时，具体的做法就是将逻辑函数的输入变量作为ROM的地址输入，将每组输出对应的函数值作为数据写入相应的存储单元中即可，这样按地址读出的数据便是相应的函数值。 从与或逻辑网络的角度看，ROM中的地址译码器形成了输入变量的所有最小项，即实现了逻辑变量的与运算。ROM中的存储矩阵实现了最小项的或运算，即形成了各个逻辑函数。 图10-4 ROM的与或阵列图（a）框图；（b）符号矩阵 如图10-4所示，其中图10-4（a）为ROM的框图，图10-4（b）为ROM的符号矩阵图。在图10-4（b）中，与阵列中的小圆点表示各逻辑变量之间的与运算，或阵列中的小圆点表示个最小项之间的或运算。 由图10-4可知，用ROM实现逻辑函数时，需列出它的真值表或最小项表达式，然后画出ROM的符号矩阵图。工厂根据用户提供的符号矩阵图，便可生产出所需的ROM。利用ROM不仅可实现逻辑函数（特别是多输出函数），而且可以用作序列信号发生器字符发生器以及存放各种数学函数表（如快速乘法表、指数表、对数表及三角函数表等）。 用ROM实现逻辑函数一般按以下步骤进行：（1）根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定ROM容量，选择合适的ROM。（2）写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROM阵列图。（3）根据阵列图对ROM进行编程。【例10-1】用ROM实现四位二进制码到格雷码的转换。 解：（1）输入是四位二进制码，输出是四位格雷码，故选用容量为的ROM。（2）列出四位二进制码转换位格雷码的真值表，如表10-2 所示。由可写出下列最小项表达式为 表10-2 四位二进制码转换为四位格雷码阵列图 （3）可画出四位二进制码格雷码转换器的ROM符号矩阵，如图10-5所示。图10-5 四位二进制码转换为四位格雷码阵列图10.1.2 随机存储器（RAM） 随机存储器与只读存储器的根本区别在于，正常工作状态下就可以随时向存储器里写入数据或从中读出数据。根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将随机存储器分为静态存储器（Static Random Access Memory，简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）。由于动态存储器存储单元的结构非常简单，所以它能达到的集成度远高于静态存储器。但是动态存储器的存取速度不如静态存储器快。 1静态随机存储器（SRAM） SRAM主要是由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成，三部分的功能和作用类似于ROM 。图10-6 SRAM的基本结构如图10-6所示 ： 称为片选信号，当 时，RAM工作；当 时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM进行读/写操作。称为读/写控制信号。当 时，执行读操作，将存储单元中的信息送到I/O端上；当时，执行 写操作，加到I/O端上的数据被写入存储单元中。 静态存储单元是靠触发器的自保功能存储数据的。 常用的典型SRAM芯片Intel6116的引脚及功能框图如图10-7所示。图10-7 6116引脚和功能框图 6116芯片的容量是2K8位，有2048个存储单元，需要11根地址线，7根用于行地址译码输入，4根用于列地址译码。6116的控制线有三条：片选 、输出允许 和读写控制 。Intel6116存储器芯片的工作过程如下： 读出时，地址输入线 送来的地址信号经译码器送到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元（其中有8个存储位），由 、 、 构成读出逻辑（ ， ， ），打开右边的8个三态门，被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到 输出。 写入时，地址选中某一存储单元的方法和读出时相同，但 、 、 。打开左边的三态门，从 端输入的数据经三态门的输入控制电路送到I/O电路，从而写到存储单元的8位存储体中。 当没有读写操作时， ，即片选处于无效状态，输入输出三态门呈高阻状态，从而使存储器芯片与系统总线隔离。 2动态随机存储器（DRAM） 动态RAM的存储矩阵由动态MOS存储单元组成。动态MOS存储单元利用MOS管的栅极电容来存储信息，但由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷，通常把这种操作称为刷新或再生，因此DRAM存储单元的结构能做得非常简单，所用原件少，功耗低，因而目前已成为大容量RAM的主流产品。 与静态RAM相比，动态RAM具有成本低、功耗小的优点，适用于需要大容量数据存储空间的场合。但动态RAM需要刷新逻辑电路，每隔一定的时间就要将所存的信息刷新一次，以保证数据信息不丢失，所以，它的使用受到一定的限制。 2006年出现了一种新型的集成动态RAM（iRAM），它将一个完整的动态RAM系统包括动态刷新硬件逻辑集成到一个芯片中，从而兼有静态RAM、动态RAM的优点。Intel公司提供的iRAM芯片有2186、2187等。10.1.3 存储器容量的扩展 在数字系统中，当使用一片ROM或RAM器件不能满足存储容量时，必须将若干片ROM或RAM连在一起，以扩展存储容量。扩展的方法可以通过增加位数或字数来实现。 1位数的扩展 存储器芯片的字长多数为一位、四位、八位等。当实际的存储系统的字长超过存储器芯片的字长时，需要进行位展。 位扩展可以利用芯片的并联方式实现 。图10-8 RAM的位扩展连接法2字数的扩展 如果每一片存储器的数据位数够用而字数不够用时，则需要采用字扩展方式，将多片存储器（RAM或ROM）芯片接成一个字数更多的存储器。 字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选（ ）输入端来实现。 图10-9 RAM的字扩展连接法 图10-9是用字扩展方式将4片2568位的RAM扩展为10248位RAM的系统框图。图中，译码器的输入是系统的高位地址 、 ，其输出是各片RAM的片选信号。若 ，则RAM（2）片的 ，其余各片RAM的 均为1，故选中第二片。如果只有第二片的信息可以读出，送到位线上，读出的内容则由低位地址 决定。显然，4片RAM轮流工作，任何时候，只有一片RAM处于工作状态，整个系统字数扩大了4倍，而字长仍为8位。 ROM的字扩展方法与上述方法相同。 如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够用，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片器件组成一个大的存储器系统，以满足对存储容量的要求。 10.2 可编程逻辑器件10.2.1 PLD的电路表示法 10.2.2 可编程阵列逻辑器件PAL10.2.3 通用阵列逻辑器件GAL 退出10.2 可编程逻辑器件 利用逻辑功能的特点将数字集成电路分类，可以分为通用型和专用型两类。 通用型也叫做标准型或者非用户定制器件，中、小规模数字集成电路（如74系列及其改进系列、CC4000系列、74HC系列等）都属于通用型数字集成电路。这类器件价格低，性能好，逻辑功能比较简单且固定不变，但因集成度低而功能有限，构成系统时灵活性差，芯片间往往有大量的连线，最终导致系统可靠性差、费用高、功耗和体积大等缺点。然而这类器件目前仍在许多场合下使用，不能完全淘汰。 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，简称PLD）属于用户半定制器件，它给数字系统设计者提供了一系列功能强、速度高和灵活性大的新型器件。1PLD器件的发展概况 PLD是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件。实际上，它主要是一种与或两级结构的器件，其最终逻辑结构和功能由用户决定。PLD器件包括PROM、可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic，简称PAL）、GAL（Generic Array Logic，简称GAL）等多种结构。 第一个PLD器件即可编程只读存储器（PROM），于20世纪70年代初期制成。至今已经历了几个发展阶段。 第一阶段的产品是把“与”阵列全部连好，而“或”阵列为可 编程的熔丝PROM；“与”阵列和“或”阵列均为可编程的PLA。 第二阶段为“与”阵列可编程，而“或”阵列为固定的可编程阵列逻辑器PAL。 第三阶段为通用阵列逻辑GAL。 第四阶段为复杂的可编程逻辑器CPLD（Complex Programmable Logic Device，简称CPLD），将简单的PLD的概念作了进一步的扩展，并提高了集成度。现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array，简称FPGA），是20世纪80年代中期发展起来的另一类型的可编程器件。2可编程逻辑器件的特点利用PLD器件设计数字系统具有以下优点：（1）减少系统得硬件规模。 （2）增强逻辑设计的灵活性。 （3）缩短系统设计周期。 （4）简化系统设计，提高系统速度。 （5）降低系统成本。 10.2.1 PLD的电路表示法PLD器件的连接表示法如图 ：图10-10 PLD的连接表示法： PLD器件图中与门的画法与传统画法不同，例如3个输入端的与门画法表示在图10-11中。 图10-11 与门画法 因为PLD器件中的与门输入端很多，一般一个与门往往要有几十个输入，传统画法已不适应，而PLD表示法更适合于“阵列图”。 PLD器件图一般将可编程的部分画成“阵列图”的形式。输入线在阵列图中往往画成列线（竖线），与门的输入线往往画成行线（横线）。图10-12所示为3端输入的“与”阵列图。图10-12 阵列图 10.2.2 可编程阵列逻辑器件PAL PAL有许多产品型号，不同型号的器件其内部与门阵列的结构基本上是相同的，但输出电路的结构和反馈方式却不相同，常见的有以下几种： （1）专用输出结构。这种结构的输出端只能输出信号，不能兼作输入。如图10-13所示：图10-13 专用输出结构 （2）可编程I/O结构。如图10-14所示： 图10-14 可编程I/O结构 （3）寄存器输出结构。寄存器输出结构如图10-15所示：图10-15 寄存器输出结构（4）异或型输出结构。异或型输出结构如图10-16所示。 图10-16 异或型输出结构 PAL具有如下的三个优点： （1）提高了功能密度，节省了空间。 （2）提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。（3）有通电复位功能和加密功能，可以防止非法复制。10.2.3 通用阵列逻辑器件GAL PLA器件的发展已经给逻辑设计带来了很大的灵活性，但它还存在着不足之处：一方面，它采用熔丝连接工艺，只能一次性编程，一旦编程后就不能改写；另一方面PLA器件输出电路结构的类型繁多，会给用户在选用最佳型号时带来不便。 通用阵列逻辑器件GAL弥补了上述不足，和PAL一样，GAL器件的与阵列是可编程的。然而和PAL不同的是GAL器件的与阵列采用电擦除、电可编程的E2COMS工艺制作，可以用电信号擦除并反复编程上百次，给使用者带来极大的方便。 GAL器件没有专门的或阵列结构，而是在输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell 简称OLMC），通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式。这样同一型号的GAL器件可以实现PAL器件所有的各种输出电路工作模式，取代了大部分PAL器件，因此称为通用可编程逻辑器件。小 结 半导体存储器是一种能存储大量数据或信号的半导体器件。采用了按地址存放数据的方法，存储器的电路结构中包含地址译码器、存储矩阵和输入/输出电路三部分。 半导体存储器有许多不同的种类。首先从读、写的功能上分成只读存储器
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