存储器和可编程逻辑器件

存储器和可编程逻辑器件第1页/共51页学习目的与要求了解

存储器的主要性能指标存储器的分类及各类存储器特点熟悉半导体存储器的功能半导体存储器的使用方法掌握可编程逻辑器件的类型和编程方式

可编程逻辑器件的工作原理第2页/共51页6.1存储器概述

存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。

存储器容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。显然，计算机对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用主存储器、高速缓冲存储器和外存储器。第3页/共51页6.1.1存储器的定义

能够用来存储大量的二值信息（或二值数据）的半导体器件，称为存储器。6.1.2.存储器的分类

存储器按存取方式的不同可分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。随机存储器RAM又称读写存储器，是能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。只读存储器ROM在计算机系统的在线运行过程中，是只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。第4页/共51页6.1.3存储器的主要性能指标

存储器中可容纳的二进制信息量称为它的存储容量。二进制数的最基本单位是“位”，是存储器存储信息的最小单位，8位二进制数称为一个“字节”，存储容量的大小通常都是用字节来表示的。由于存储器容量一般都很大，因此字节的常用单位还有KB、MB和GB。其中1KB=1024字节，1MB=1024KB，1GB=1024MB。存储器容量越大，存储的信息量也越大，计算机运行的速度也就越快。内存的最大容量是由系统地址总线决定的，内存的大小反映了实际装机容量。例如一个Pentium4计算机，其地址总线为36位，决定了内存允许的最大容量为236=64GB。计算机技术发展很快，目前内存的实际装机容量通常只有256MB或512MB，剩余容量可为今后的发展留有余地。（1）存储容量第5页/共51页

计算机内存的存取速度取决于内存的具体结构及工作机制。存取速度通常用存储器的存取时间或存取周期来描述。所谓存取时间，就是指启动一次存储器从操作到完成操作所需要的时间；存取周期是指两次存储器访问所需的最小时间间隔。存取速度是存储器的一项重要参数。一般情况下，存取速度越快，计算机运行的速度才能越快。（2）存取速度

实际应用中，在一个存储器中要求同时兼顾存储容量、存取速度和制造成本是有一定困难的。为解决这方面的矛盾，目前在计算机数字系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用主存储器、高速缓冲存储器和外存储器。这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。

第6页/共51页一种新款电脑的硬盘存储容量是20GB，它相当于多少千字节？目前使用的半导体存储器，按其存储信息的功能通常分为哪几类？各有何特点？

何谓存储器的存储容量？存储容量的大小通常用什么来表示？检验学习结果存储器的存取速度是如何定义的？第7页/共51页

只读存储器ROM的结构方框图与RAM相似。ROM将RAM的读写电路改为输出电路；ROM的存储单元由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。6.2.1ROM的结构与功能

只读存储器在工作时只能进行读出操作，结构原理如下：存储单元矩阵地址译码n2n“位”mm数据I/O地址码“字”输出电路

只读存储器ROM的特点是：存储单元简单，集成度高，且掉电时数据不会丢失。6.2只读存储器第8页/共51页1、ROM的结构组成

A0~An－1为地址输入线，共n根，其代码是按二进制数进行编码，称为地址码。通过地址译码器译出相应地址码的字线为W0~Wm-1共计m根，字线的下标对应地址译码器输出的十进制数，字线与地址码的关系是m=2n。位线上的数据输出是被选中存储单元的数据。第9页/共51页2、各部分的功能地址译码器：其功能是根据输入的地址代码，从n条地址线中选择一条字线，以确定与该字线地址相对应的一组存储单元的位置。选择哪一条字线，取决于输入的是哪一个地址代码。任何时刻，只能有一条字线被选中。于是，被选中的那条字线所对应的一组存储单元中的各位数码，经位线传送到数据线上输出。n条地址输入线可得到N=2n个可能的地址。第10页/共51页存储矩阵：存储矩阵是ROM的核心部件和主体，内部含有大量的存储单元电路。存储矩阵中的数据和指令都是用一定位数的二进制数表示的。存储器中存储1位二值代码（0或1）的点称为存储单元，存储器中总存储单元数即为ROM的存储容量。例如图所示ROM中，假设通过地址译码器输出的字线数2n＝210＝1024根，因为位线＝8，所以，总存储容量应是1024×8＝8192个存储单元，简称8KB。第11页/共51页读写控制电路：读/写控制电路也称为输出缓冲器，它是为了增加ROM的带负载能力，同时提供三态控制，将被选中的M位数据输出至位上，以便和系统的总线相连。

第12页/共51页6.2.2ROM的工作原理

只读存储器ROM存入数据的过程称为“编程”。根据编程方式的不同，可分为内容固定的ROM，一次性编程的PROM、可多次编程的EPROM和电改写的E2PROM。早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单元利用其内部熔丝是否被烧断来写入数据的，因此只能写入一次，使其应用受到很大限制。字线位线写“0”：烧断熔丝写“1”：不烧断熔丝一次性编程字线位线出厂时全部写“0”写“1”：二极管永久击穿第13页/共51页

图中存储矩阵有4条字线W0～W3和4条位线D0～D3，共有16个交叉点，每个交叉点都可看作是一个存储单元。交叉点处接有二极管时相当于存入“1”，没有接二极管时相当于存入“0”。例如，字线W0与位线有四个交叉点，其中只有两处接有二极管。当W0为高电平、其余字线为低电平时，使位线D0和D2为“1”，这相当于交叉点处的存储单元存入了“1”，另外两个交叉点由于没有接二极管，位线D1和D3为“0”，相当于交叉点处的存储单元存入了“0”。第14页/共51页

图中存储矩阵有4条字线W0～W3和4条位线D0～D3，共有16个交叉点，每个交叉点都可看作是一个存储单元。交叉点处接有二极管时相当于存入“1”，没有接二极管时相当于存入“0”。例如，字线W0与位线有四个交叉点，其中只有两处接有二极管。当W0为高电平、其余字线为低电平时，使位线D0和D2为“1”，这相当于交叉点处的存储单元存入了“1”，另外两个交叉点由于没有接二极管，位线D1和D3为“0”，相当于交叉点处的存储单元存入了“0”。第15页/共51页ROM中存储的信息究竟是“1”还是“0”，通常在设计和制造时根据需要已经确定和写入了，而且当信息一旦存入后就不能改变，即使断开电源，所存信息也不会丢失。图示电路中，输入地址码是A1A0，输出数据是D3D2D1D0。输出缓冲器用的是三态门，三态门有两个作用，一是提高带负载能力；二是实现对输出端状态的控制，以便和系统总线的连接。第16页/共51页

图中地址译码器中的“与”门阵列的输出表达式如下：

W0＝A1A0

W1＝A1A0W2＝A1A0W3＝A1A0

存储矩阵是一个“或”门阵列，每一列可看作一个二极管“或”门电路，“或”门输出表达式为：

D0＝W0＋W2D1＝W1＋W2＋W3D2＝W0＋W2＋W3D3＝W1＋W3

第17页/共51页ROM输出信号真值表A1A0D3D2D1D0001110010111101010110101

从存储器角度看，A1、A0是地址码，D3D2D1D0是数据。地址编号00中存放的数据是1110；地址编号01中存放的数据是0111；地址编号10中存放的是1010；地址编号11中存放的是0101。从函数发生器角度看，A1A0是两个输入变量，D3D2D1D0是4个输出函数。当变量A1A0取值为00时，函数D3D2D1D0＝1110；当变量A1A0取值01时，函数D3D2D1D0＝0111；当变量……。从译码编码角度看，“与”门阵列先对输入的二进制代码A1A0进行译码，得到4个输出信号W0、W1、W2、W3，再由“或”门阵列对W0～W34个信号进行编码，得到相应地址编号存入存储单元中。其中W0的编码是0101；W1的编码是1010；W2的编码是0111；W3的编码是1110。第18页/共51页

简化的ROM矩阵阵列图第19页/共51页

前面所讲电路用简化符号表示后为：第20页/共51页6.2.3ROM的分类1、掩膜只读存储器

在采用掩模工艺制作ROM时，其存储数据是由制作过程中使用的掩模板决定的，存入数据的过程称为“编程”。掩膜编程是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作出的一种固定ROM，因此在出厂时内部存储的数据就已经“固化”在存储器中，用户无法改变所存储的数据。掩模固定存储器ROM的电路结构很简单，且性能可靠，所以集成度可以做得很高，由于成本较低，一般都是批量生产。但是，掩模的ROM由于使用时只能读出，不能写入，所以只能存放固定数据、固定程序或函数表等。第21页/共51页2、现场编程PROM

在开发数字电路新产品的过程中，设计人员往往需要按照自己的构思迅速得到存有所需内容的ROM，这时就可通过现场编程得到要求的ROM，这种现场编程的ROM被称为PROM。PROM的结构组成如图所示PROM的阵列结构第22页/共51页

任意一个逻辑函数都可以写成与-或表达形式，因此可编程逻辑器件PROM的与阵列可采用一个有2n个地址译码的与门阵列，分别对应一组特定的输入A1~An-1，或阵列中的每一个或门均对应2n根字线的可编程交叉点，如图示：与阵列O2O1O0A2A0A1或阵列简化阵列图A2A1A0O2O1O0RRR第23页/共51页

前面已经讲到，PROM可编程逻辑器件的存储单元利用其内部熔丝是否被烧断来写入数据的，因此只能写入一次。目前使用的EPROM可多次写入，其存储单元是在MOS管中置入浮置栅的方法实现的。

左图是浮置栅型PMOS管的结构原理图，浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之中。写入时，在漏极和衬底之间加足够高的反向脉冲电压把PN结击穿，雪崩击穿产生的高能电子穿透二氧化硅绝缘层进入浮置栅中。脉冲电压消失后，浮置栅中的电子无放电回路而被保留下来。P+P+N型衬底SD浮置栅

浮置栅EPMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使EPMOS管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该单元位线即为低电平；若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅EPMOS管截止，位线为高电平。3、可编程可擦除的EPROM第24页/共51页字线浮置栅MOS管位线+UDD

当改写存储单元中的内容时，要用紫外线或X射线照射擦除，使浮置栅上注入的电荷形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未写入时的状态，因此又可重新写入新信息。27系列EPROM是美国Intel公司研制的，型号有2716、27512等。EPROM采用紫外线照射改写数据，时间大约需要30min，所需时间较长。第25页/共51页EPROM利用光照抹掉写入内容大约需要30min左右时间。为了缩短抹去时间，人们研制出了电擦除方式。电擦除的速度一般为ms数量级，其擦除的过程就是改写的过程，电改写以字为单位进行，电改写的E2PROM既可以在掉电时不丢失数据，又可以随时改写写入的数据，重复擦除和改写的次数高达1万次以上2816AE2PROM写入和擦除数据均采用电信号：既可以整片擦除、写入，也可以字节为单位擦除和写入。4、电可擦除可编程的E2PROM第26页/共51页5、快闪存储器FMROMFMROM是通过二氧化硅形状的变化来记忆数据的。由于二氧化硅稳定性大大强于磁存储介质，使得快闪存储器（U盘）存储数据的可靠性大大提高。同时二氧化硅还可以通过增加微小的电压来改变形状，从而达到反复擦写的目的。快闪存储器的工作原理和磁盘、光盘完全不同。如果使用的FlashMemory材质品质优良，一个U盘甚至能够达到擦写百万次的寿命。作为新一代的存储设备，快闪存储器FMROM具有很好地发展前景。第27页/共51页6.2.4ROM的应用例试用ROM实现逻辑函数ABC●●●●●●●●●与阵列Y3Y2Y1●●●●●●●或阵列解第28页/共51页ROM有哪些种类？试述各种类型ROM的特点。

有一个存储体的地址线为A11～A0，输出数据位线有8根分别输出D7～D0，问该存储体的存储容量为多少？思考与问题

ROM和RAM的主要区别是什么？各用于何种场合？第29页/共51页6.3随机存取存储器（RAM）6.3.1RAM的结构与功能

存储矩阵是RAM的主体，含有大量的基本存储单元，每个存储单元可存储1位二进制数。RAM的存储容量是用字数和字长的乘积来表示的。存储矩阵中的二进制数称为字数，字的位数称为字长。若RAM的字数是32，字长为8，则它的存储容量为:

32×8＝256A0A1An-1I/O1R/WCSI/O2······

I/On-1RAM中的存储单元按一定规则排列起来构成的阵列称为存储矩阵。由于RAM中的存储单元是用触发器构成的，所以一旦掉电，RAM中存放的数据将全部丢失。第30页/共51页

为区分存储矩阵的每个存储单元，首先要为这些存储单元进行编号，即分配给各存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。I/O1R/WCSI/O2······

I/On-1

存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。双译码是将地址译码器分成两部分，X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号，适用于大容量译码器。A0A1An-1第31页/共51页片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。

各列位线经过读/写控制器与外部数据线相连。I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。A0A1An-1I/O1R/WCSI/O2······

I/On-1读/写控制端片选控制端第32页/共51页RAM(RandomAccessMemory)意指随机存取存储器，其工作特点是：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读/写操作。读写存储器分为静态RAM与动态RAM两种。6.3.2RAM的存储单元

存储单元是RAM的核心部分，RAM字中所含的位数是由具体的RAM器件决定的，可以是4位、8位、16位和32位等。RAM中每个字都是按地址存取的。一般的操作顺序是：先按地址选中要进行读或写操作的字，再对找到的字进行读或写操作。打一比方：存储器好比一座宿舍楼，地址对应着房间号，字对应着房间内住的人，位对应床位。第33页/共51页存储数据输出T1QQ+UDD1位线(1)静态RAM存储单元0位线行选择线T2T3T4T6T5

图中T1和T2、T3和T4分别构成两个反相器。两个反相器交叉耦合又构成了基本触发器，作为储存信号的单元，当Q＝１时为“1”态，Q＝0时为“0”态。T5和T6是门控管，其导通和截止均受行选择线控制。当行选择线为高电平时，T5T6导通，触发器输出端与位线接通1当行选择线为低电平时，T5T6截止，存储单元和位线断开。导通导通0截止截止保持原态不变10第34页/共51页动态RAM存储单元(2)动态RAM存储单元C

一个MOS管和一个电容即可组成一个最简单的动态存储单元电路。

由于C和数据线的分布电容C0相并，因此C要损失部分电荷。为保持原有信息不变，使放大后的数据同时回送到数据线上，对C应进行重写，称为刷新。对长时间无读/写操作的存储单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进行刷新，这是动态存储器的特点。

字选线TC0数据线

当存储单元未被选中时：

当存储单元被选中时：0截止隔离

写入时，送到数据线上的二进制信号经T存入C中；读出时，C的电平经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。1导通读/写操作第35页/共51页6.3.3集成RAM简介6116管脚排列图集成RAM6116功能表CSWROEA0～A10D0～D7工作方式1×××高阻态低功耗维持010稳定输出读00×稳定输入写CMOSRAM集成芯片6116的引脚A0～A10是地址码输入端，D0～D7是数据输出端，CS是选片端，OE是输出使能端，WE是写入控制端。

表中所示是集成RAM芯片6116的工作方式与控制信号之间的关系，读出和写入线是分开的，而且写入优先。第36页/共51页6.3.4RAM的容量扩展

RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此常用的容量扩展法有位扩展、字扩展和字位扩展三种形式。16片1024字×1位的RAM构成1024字×16位的RAM。地址码A0~A9CSI/O16••••••••••••••••••片1片16片2I/O2I/O1

如果一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可采用位扩展连接方式解决。其数据位的扩展方法是：将各个RAM的地址码并联片选端并联即可。RAM的位扩展第37页/共51页RAM的字扩展

下图所示为RAM字扩展的典型实例：利用两片1024字×4位的RAM器件构成2048字×4位的RAM。A0~A9A10片

1片

2I/O1~4CS1CS

利用地址码的最高位A10控制RAM器件的片选CS端，以决定哪一片RAM工作。地址码的低A0~A9并联接到两片RAM的地址输入端。两片RAM的数据输入/输出端（I/O1~4）按位对应地并联使用。第38页/共51页字、位同时扩展16片1024×4位的RAM和3线－8线译码器74LS138相接可扩展三个地址输入端，构成一个8K×4位的RAM。74LS138译码器A10A11A12A0A9R/WY0Y7I/00I/01I/02I/03第39页/共51页RAM有几种类型的存储单元？各适用于什么场合？什么是随机存储器？随机存储器有何特点？多看多练多做

存储器的容量由什么来决定？在工作过程中，既可方便地读出所存信息，又能随时写入新的数据的存储器称为随机存储器，随机存储器。其特点是在系统工作时，可以很方便地随机地对各个存储单元进行读/写操作，但发生掉电时数据易丢失。检验学习结果按功能不同可分为静态和动态两类，按所用元件可分为双极型和单极型双极型存储器适用于存取速度要求高的场合，单极型的存储器适用于容量大、低功耗，对速度要求不高的场合。存储器的容量是由地址码的位数n和字长的位数m共同决定的。第40页/共51页6.4可编程逻辑器件6.4.1可编程逻辑器件概述

可编程控制器（PLD）的编程软件功能强、操作简便，利用开发系统几小时就能完成其编程工作，极大地提高了设计工作的效率。目前大多采用国际、国内流行的逻辑图形符号描述PLD阵列图。

由于任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式进行描述，因此PLD能够完成各种数字逻辑功能。典型可编程逻辑器件PLD的特点是：与阵列（地址译码器）不可编程，或阵列（存储矩阵）可编程。第41页/共51页6.4.2现场可编程逻辑阵列（FPLA）特点：与阵列和或阵列都可以编程

PLA中的与阵列被编程产生所需的全部与项；PLA中的或阵列被编程完成相应与项间的或运算并产生输出，由此大大提高了芯片面积的有效利用率。例

用PLA实现4位二进制数转换为Gray码的电路。G0G1G2G3与阵列B0B0B1B1B2B2B3B3或阵列第42页/共51页6.4.3可编程阵列逻辑PALPAL结构示意图PAL的与阵列可编程，或阵列固定。PAL速度高且价格低，电路输出结构形式有多种，可以方便地进行现场编程，所以受到用户欢迎。

为实现时序逻辑电路的功能，可编程阵列逻辑PAL又设计制造了在或门和三态门之间加入D触发器，并且将D触发器的输出反馈回与阵列，从而使PAL的功能大大提高。与同样位数的PLA相比，PAL不但减少了编程点数，而且也简化了编程工作，更加有利于辅助设计系统的开发。第43页/共51页

PAL编程是按“熔丝图”进行的，下图所示为实现“异或”函数的熔丝图，图中“×”表示熔丝保留，而无“×”的交点表示熔丝烧断。≥1&&11ABABAB

由于PAL采用双极型熔丝工艺，工作速度较高，但由于与阵列的“熔丝”工艺，因此只能进