数电电chapter半导体存储器及可编程逻辑器件

1、Chapter 10半导体器及可编程逻辑器件§10.1半导体器简介信息的器件，由许多半导体器是单元组成。每个我们身边有哪些半导体器件？10.1.1半导体器分类SAM（Sequential Access Memory，顺序RAM （Random Access Memory，随机器）器）根据分类模式ROM（ Read Only Memory，只读器）1单元都有唯一的地址代码，能一位（或一组）二进制信息。工作速度快、功耗大、价格较高主要用于对速度要求较高的场合，如数字电子计算机中的高速缓存。双极型根据器件分类集成度高、功耗小、工艺简单、价格低MOS主要用于大容量系统中，如数字电子计算机中的

2、主器（内存）。10.1.2器的技术参数有多少个单元？Capacity容量Access period周期把连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。存取周期越短，存取越快.器的基本性能指标之一。2容量 Capacity(1) Storage cell (单元）一位二进制数的单元(2) Word (字)一组单元，表示某种类型的数据或信息210 = 1024 1k ;220 1M ;230 1G .word length (字长)n-bit group8位/字,16 位/字, 32 位/字byte (字节) 缩写 B ,1 Byte = 8 bit(3) Capacity ()字数×

3、位数2K words(211个字)Capacity 2K×16字长16位16-bit group (2 bytes)常用多少字节表示容量32K 个单元 Or 4K 字节3§10.2随机器RAM(Random Access Memory)优点:缺点:既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。断电将丢失全部数据。10.2.1RAM地址译码器矩阵Memory Array矩阵Address Decoder地址译码器Address InputAddress DecoderMemory ArrayInput/Output Control输入/输出CSR /WChip SelectR

4、ead/WriteInput / Output4R/W Control1. Memory Array矩阵Memory CellRAM 的结构1024 个字排列成32×32 的矩阵编号：32行编号为X0、X1、X3132列编号为Y0、Y1、Y31每个单元都有固定的编号（Xi 行、Yj 列）即地址 Address1k×1bit 的矩阵和地址译码器52. Address Decoder地址译码器单译码双译码：将地址对应的二进制数译成行选信号和列选信号单译码n-bit2n - lines6AddressDecoder双译码将地址所对应的二进制数译成行选信号和列选信号，从而选中该单元

5、。1024 个字:210字线 (地址线): 10条地址译码器常行地址译码器:译码结构：5-32 Decoder输入: A0、A1、A4输出: X0、X1、X31；列地址译码器:5-32 Decoder输入: A5、A6、A9输出: Y0、Y1、Y31；地址: A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0= 00000 00001地址: A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0= 11111 00000行线 X1 = 1、列线 Y0 = 1行线 X0 = 1、列线 Y31 = 17能看出该器每个字有几位吗？4位地址: A7A6A5A4A3A2A1A0= 0010010A5A6A7列译码器Y0Y1Y7

6、X00A12A34X1 X2X3128*4bit该器的容量是多少？选中一个字，4位8嗫行译码器3输入/输出电路 (RAM Input/Output)G1、G2、G3 为三态门R /W = 1R /W = 0ReadWrite读/写R /W当 CS = 1时，RAM态，不进行任何操作;呈高阻片选CS Active-Low当 CS = 0时，被选通1位数据的输入/输出电路若 R /W = 1，则G2导通，G1和G3呈高阻态截止；被选中的字的单元与数据输入/ 输出端 I/O 相通，进行读操作；若R /W = 0，则G1和G3导通，G2 呈高阻态截止此时 I/O 段数据以互补形式(D, D)出现在内部

7、数据上，并被存入所选中的字的单元中，执行写操作。910.2.3 RAM简介例1.16×2 RAM容量:字数:字长:16 ×2 units16 = 242-bit地址线:数据线:4 (A3A2A1A0)2 (D1D0)A地址010A , D3101A31A00A11A2读/写读/写读/写0Æ写1Æ读1 00 0R/ WCS16×2 RAM片选DD低电平有效01数据输入/输出10例 2. RAM2114容量:1024 word × 4 bit地址:10,A0 A9，4,I/O1 I/O4数据线 (Input/Output):管脚图符号11

8、例 3. RAM 6116字:位:容量:Address line: 118 bit211words (2K)211×8 = 2K ×8= 16K units= 2K bytesCE：片选 , 低电平有效;OE: 使能端, 低电平有效;WE: 读写126116 RAM3 种工作方式写读Holding in low power loss低功耗维持CE = 0, WE = 0,OE = 1;写条件：CE = 0, WE = 1,OE = 0;读条件：CE = 1低功耗维持：此时器件电流仅 20µA 左右, 系统断电时可以用电池保持RAM内容。1310.2.4 RAM 扩

9、展(Memory Expansion）如果容量不足，可以对RAM进行级联扩展.位扩展字扩展1. 位扩展方法: 相同的RAM并行连接在一起地址线共用R /WCS14例 : 把 8×2 RAM 扩展成 8×4 RAM8 ´ 4= 2(8 ×2 RAM)8 ´ 2100110A2 A1 A0A0A1A2A0A1A20010R/WCSR/ WR/ WCS8×2 RAM8×2 RAM(2)DD0110001011D0 D1 D2 D3两个RAM同时工作, 地址范围不变, 字长扩展了.2-bit 4-bit练习15CSDD (1)012

10、. 字扩展增加地址线使用来扩展字CS共用原地址线R /W数据线16例 1. 把 32×3 RAM 扩展成 64×3 RAM.64 ´ 3= 2地址线5 6(32 ×3 RAM)32 ´ 301A5A4A010011001A0A1A2 A3 A4A0A1A2A3 A4R /W01R /WCSR /WCS(1)32×3RAM(2)32×3RAMD0D1D2DDD012D0 D1110001D2分时工作17练习A5 =1(1) 停止, (2) 工作; 地址范围 100000-111111A5 =0(1) 片工作, (2)片停止;

11、地址范围 000000-011111132 ´ 2 = 4例 2. 把 8×2 RAM 扩展成 32×2 RAM.8´ 211A41010 01A2325300110A2 A1 A0A0A1A2A0A1A2A0A1A2A0A1A20R/WR /WR /WCSR /WR /W8×2 (0)8×2 (1)8×2 (2)8×2 (3)CSCSCSDDDDDDDD0101010110D0D1(0) 00000-00111(1) 01000-01111(2) 10000-10111地址范围:练习A4A3A2A1A0(3) 1

12、1000-11111182-4Deco der3.字长和地址均扩展16 ´ 4 = 4 (8×2 RAM)例 1 . 把 8×2 RAM 扩展成 16×4 RAM.最好是先扩位，后扩字8 ´ 2每次选中2片0110A3A2 A1 A0 1 A0A1A2A0A1A2A0A1A2A0A1A2R/WR /WR /WR /WR /W08×2 (0)8×2 (1)8×2 (2)8×2 (3)CSCSCSCSDDDDDDDD01010101D0 D1 D2 D31001(0)(1): 0000 - 0111练习：地址

13、范围(2)(3): 1000 - 111119例 2 . 把 16×1 RAM 扩展成 64×3 RAM.64 ´ 3 = 12(16×1 RAM)每次选中3片16 ´ 111A5001001A0041100A3A0AAAAAA0303030R/W16×1(1)D 016×1(2)D 016×1(3)D 0R / WR / WR / WCS CS CS D0100D1D220练习：2-4Decoder10.1 现有容量为256 ´ 8 RAM一片，试回答：（1）该片RAM共有多少个单元？（2） 该片RAM

14、共有多少个字？字长多少位？（3） 该片RAM有多少条地址线？（4）该片RAM时，每次会选中几个单元？解:（1）共有256 ´ 8 2048 个单元（2）该RAM共有256个字，字长8位log 2256（3）地址线有=8条（4）该片RAM时，每次选中一个字即8位，即8个单元21 把8*2RAM扩展成16*6RAM，画出连接图，并说明各RAM的地址范围2216*6 RAM8*2 RAM每次选中3片A3 A2 A1A0A0A1A2A0A1A2A0A1A2R/WR /WR /WR /W8×2 (4)8×2 (5)8×2 (3)CSCSDDCSDDDD010101

15、D5 D4 D3 D2 D1D0A0A1A2A0A1A2A0A1A2R /WR /W8×2 (1)R /W8×2 (2)8×2 (0)CSCSDDCSDDDD010101231地址的十六进制表示法复习十六进制有16个符号:0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F.基是 16.地址标识 :每4位二进制码表示一位十六进制码后缀 H0BFH例:0000 1011 111100H 3FH地址范围:0000 0000 0011 1111地址范围:B00H BFFHA11A10A9A81 0 1 11 0 1 1A7A6A5

16、A4 0 0 0 01 1 1 1A3A2A1A0 0 0 0 01 1 1 124练习RAM2114（1k×4）组成如题所示电路。（1）确定图示电路内存单元的容量是多少？若要实现2k×8的内存，需要多少片2114？（2）写出2114(1)至2114(3)的地址范围（用十六进制表示）。001解:（1）容量是(1K×4) ×3 = 3K×42K ´ 8 = 4 片 2114 可以实现 2K×8 内存251K ´ 4001= 001Y 1 :A12 A11 A10 0010 2010040 0 000 0 00Hexa

17、decimal2400H00(2)2114(1):2400H 27FFH;2114(2):3000H 33FFH;2114(3):3C00H 3FFFH26§10.3 只读ROM器(Read Only Memory)ROM是一种或半半导体器。可以从ROM中数据，但是不能写入数据。ROM一般由断电后，数据也装置写入数据，数据一旦写入便不能随意改写，丢失。比如：计算机主板上的BIOS(Basic Input Output System)，在ROM上ROM : 由组合电路的ROM地址 变量真值表输出数据 函数用真值表来表示地址与输出数据的对应关系，比如函数表2710.3.2 ROM 结构典

18、型ROM的三个基本组成部分地址译码器阵列地址阵列W0输出缓冲A12-4decoder输入线W1A0W2W3地址译码器 : n 位输入地址码2n输出地址线111D2D1D0数据输出线28W0A12-4decoderW1A0W2W3111D2W0 =1, 二极管导通,输出 D2D1D0 =101D1D0挡 A1A0 =00时,ì D 2=A1 A 0 +A1 A0 = A1按上图ROM 实现的函数是:ï D+ A A= AA1 Aí10100ï D+ A+ A A=+ AA1 A 0A 0A 0ïî0110129ROM实现的是标准与或式2

19、. PROM(一次可编程ROM):二极管，或 晶体管，或 MOSFET熔丝每个单元字线Bit-line连接1，熔断0 :出厂时(1)，用户根据需要将需要存入0的单元上的熔丝熔断PROM一旦进行了编程，就不能再修改了。为了防止出错，可通过器进行，通过以后再进行编程3010.3.3 ROM 应用功能 (ROM 的主要功能), 也可以实现标准与或式逻辑功能1ROM 实现组合逻辑电路例 : 用ROM实现一个全加器解 :全加器真值表0001101100ROM 与译码器相同，只011100101010101能实现与或标准式S ( A, B, Ci ) = å(1,2,4,7)Ci +1 ( A,

20、 B, Ci ) = å(3,5,6,7)111101011131S ( A, B, Ci ) = å(1,2,4,7)Ci+1 ( A, B, Ci ) = å(3,5,6,7)ABCi全译码与阵列W0 W1 W23-8decoder或阵列AB CiS Ci+1W71100000011010101100001SCi+1图中 *表示连接111001010100011写入电路。32111112用于函数运算表电路例题：用ROM 为015的正整数。能实现函数 y = x2 的运算表电路，x的取值范围解：（1）分析变量 x : 015 正整数， 4 位二进制数x = X3

21、X2X1X0函数 y = x2 ，最大值 y : 152 = 225， 8 位二进制数 y = Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y033(2) 真值表012345678910111213141534（3）写标准与或表Y7 = m12 + m13 + m14 + m15Y6 = m8+ m9+ m10 + m11 + m14 + m15Y5 = m6Y4 = m4+ m7+ m5+ m10 + m11 + m13 + m15+ m7 + m9 + m11 + m12Y3 = m3Y2 = m2+ m5+ m6+ m11 + m13+ m10 + m14Y1 = 0Y0 = m1+ m3+ m5 +

22、m7 + m9+ m11 + m13 + m1535（4）画ROM矩阵节点连接图X31与门阵列X21Address decoderX11X01W0W7W8W9 W10W1W2W3W4W5W6W11 W12W13W14W15(m15 )(m0 )(m1 )YY7 6Y5 Y4 Y3 Y2 Y1Y0或门阵列36实现函数查表功能例74LS161和 PROM组成的如图电路。（1）分析74LS161功能，说明电路的计数长度M为多少。（2）写出W、X、Y、Z的函数表。（3）在CLK作用下，分析WXYZ端顺序输出的8421BCD码的状态，并说明电路的功能。111110 1234567 89ABC D EFW

23、 X YZQ Q Q Q3210LDRD74LS161CTTCTPDCBA CLK37解：（1）计数器74161计数长度M=（2）W1 Q0=0 +2Q00 +X0000Y1Q00Z0（3）WXYZ 端顺序输出 3141592653589793 的 8421BCD 码。电路为能产生十六位的函数发生器。0CLK: Q3Q2Q1Q0 =0000, W =0, X =0, Y =1, Z =1;1CLK: Q3Q2Q1Q0 =0001, W =0, X =0, Y =0, Z =1;WXYZ = 0011 3WXYZ = 0001 13838，喜爱喝酒，对学生布置作业后，上山中寺庙饮酒山颠一寺一壶酒，苦煞吾，把酒吃，酒杀尔，杀不死，乐3.1415926535897932384626小数点后22位§10.4可编程逻辑器件 Programmable Logic Device10.4.1可编程逻辑器件介绍Programmable Logic Device，简称PLD现场可编程逻辑阵列， Filed Programmable Logic ArrayFPLA可编程阵列逻辑， Programmable Array Logic PAL通用阵列逻辑， Generic Array LogicGAL复杂可编程逻辑器件， Complex