电子技术（第5版）课件 第9章 半导体存储器件与可编程逻辑器件

第9章半导体存储器与可编程逻辑器件第9章半导体存储器与可编程逻辑器件9.1只读存储器9.2随机存取存储器9.3可编程逻辑器件第9章半导体存储器与可编程逻辑器件本章要求1.了解ROM,RAM,PROM,EPROM和ROM的结构和工作原理及功能的区别2.了解常用可编程逻辑器件在实际中的应用3.会用可编程逻辑器件构成简单的逻辑函数（1）定义半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路（2）优点

集成度高、功耗小、可靠性高、价格低、体积小、外围电路简单、便于自动化批量生产等（3）按存取方式分类1）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）2）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）ROM存放固定信息，只能读出信息，不能写入信息。当电源切断时，信息依然保留RAM可以随时从任一指定地址读出数据，也可以随时把数据写入任何指定的存储单元9.1只读存储器1.大规模集成电路分类和指标（4）按制造工艺分类1）双极型半导体存储器双极型触发器为基本存储单元，特点速度快、功耗大、价格较高，用于速度要求较高场合2）MOS型半导体存储器

以MOS触发器或电荷存储结构为基本

存储单元，具有集成度高、功耗小工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统中，如在计算机中用作主存储器（1）存储容量

指存储器所能存放的二进制信息的总量（2）存取时间通常用读（或写）周期描述，连续两次（读或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期1.大规模集成电路分类（6）主要技术指标（5）ROM按数据的写入方式分类1）固定ROM2）可编程ROM9.1只读存储器2.只读存储器ROM

2）存储阵列输出有m根位线，则每个存储单元有m位，一个字有m位二进制信息组成

3）存储器的容量定义为

字数×位数（2n×m）1）地址译码器为二进制译码器，即全译码结构（地址线为n根，译码器输出为2n根字线，存储阵列中有2n个存储单元（2）ROM工作原理

地址数据A1

A0

Y0Y1Y2Y30001000110011001101100109.1只读存储器（1）ROM结构A0A1An-1地址译码器存储阵列

2n×m（N×M）W0W1W2n-1Y0Y1Ym-1字线位线地址输入线……1A11A0&&&&W0W1W2W3Y0Y1Y2Y3位线字线（2）ROM工作原理

1）W0~W3为地址译码器的输出

Wi=mi

（mi为地址码组成的最小项）

2）

当A1A0=00时，W0=1,

Y0Y1Y2Y3=0100（一个字）当A1A0=01时，W1=1,

Y0Y1Y2Y3=1001（一个字）当A1A0=10时，W2=1,

Y0Y1Y2Y3=0110（一个字）当A1A0=11时，W3=1,

Y0Y1Y2Y3=0010（一个字）2.只读存储器ROM9.1只读存储器

3）将地址输入和Yi间关系填入真值表ROM实际是一种组合电路结构Y0=A1A0Y1=A1A0+

A1A0Y3=A1A04）由表可得

5）阵列图与阵列：表示译码器或阵列：表示存储阵列存储容量为：4×41A11A0&&&&≥1≥1≥1≥1Y0Y1Y2Y3m0m1m2m3（2）ROM工作原理2.只读存储器ROM9.1只读存储器Y2=A1A0+

A1A0

地址数据A1

A0

Y0Y1Y2Y3000100011001100110110010根据编程和擦除的方法不同，ROM可分为1）掩膜ROM2）可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）3）可擦除可编程只读存储器EPROM（ErasableProgrammableROM）4）电可擦除只读存储器EEPROM5）快闪存储器（FlashMemory）（4）ROM的应用例题1：试用ROM实现下列逻辑函数：解：（1）将函数化为标准与-或式（2）确定存储单元内容。由函数最小项表达式知函数有4个存储单元为1，有5个存储单元为1（3）

画出用ROM实现的逻辑图，如图所示（3）ROM分类2.只读存储器ROM9.1只读存储器ABCABCABCABCABCABCABCABCABC地址译码器Y1

Y2例题1：试用ROM实现下列逻辑函数逻辑图2.只读存储器ROM9.1只读存储器3．集成电路ROM（1）常用的EPROM典型芯片有2716（2K×8）、2732A（4K×8）2764（8K×8）、27128（16K×8）27256（32K×8）27512（64K×8）等（2）E2PROM芯片有2864（8K×8）28C010（1兆）、28C020（2兆）（3）EPROM基本电路结构的差别不大，现以Intel2716为例，介绍集成电路ROM的结构及其工作原理2.RAM结构......A0A1An-1地址译码器存储矩阵W0W1Wn-1字线地址线读写/控制电路读写/控制(R/W)片选(CS)数据输入/输出（I/O）RAM按工艺分为双极型；场效应管型场效应管型分为静态；动态（1）作用RAM可在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的写入和读出操作（2）优点

RAM比ROM存取方便，使用灵活（3）缺点

缺点是一旦断电，所存内容全部丢失1）当片选信号CS无效时，I/O对外呈高阻2）当片选信号CS有效时，由R/W信号决定读或写3）根据地址信号，通过I/O输出或输入（I/O为双向三态结构）ENEN11I/ODR/W1.RAM特点9.2随机存取存储器3.RAM工作原理（1）SRAM基本存储单元

（以6管NMOS静态存储单元为例）XiYjI/OI/OUCCQQT6T4T3T1T2T5T7T8位线Bj位线Bj存储单元（2）DRAM基本存储单元DRAM基本存储电路由动态MOS基本存储单元组成。DMOS基本存储单元通常利用MOS管栅极电容或其它寄生电容的电荷存储效应来存储信息（以单管动态存储单元为例）位线数据线（D）字选线TCSCD输出电容门控管11I/OI/OQQ单管MOS存储单元9.2随机存取存储器（2）DRAM基本存储单元3）特点*当不读信息时，电荷在电容CS上保存时间约为数毫秒到数百毫秒*当读出信息时，由于要对CD充电，使CS上的电荷减少，为破坏性读出*通常在CS呈现的1和0信号电平值相差不大，故信号较弱

（以单管动态存储单元为例）位线数据线（D）字选线TCSCD输出电容门控管1）写操作字线为高电平T导通若位线为高电平1，则CS充电若位线为低电平0，则CS放电2）读操作字线为高电平T

导通若电容CS的端电压US=1，则CS向CD放电，使UD=1若US=0，则UD=0因CD>>CS

，在完成读操作后，则有

需要高灵敏度读出器，每次读出后需进行“刷新”（很小）9.2随机存取存储器3.RAM工作原理常用的集成静态存储器SRAM典型芯片有

2114（1K×4）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等4.

集成静态存储器SRAM读/写控制电路&&…………3A4A5A6A7A8A0A1A2A0/OI3/OI2/OI1/OI1G2G0X1X…63XCSWR/行地址译码器…9A0Y1Y15Y列地址译码器2114内部结构框图（1）电路结构（2114A为例）2114A型引脚排列图181211141312345678UCCA19101615GNDA217A0A3A4A5A7A6A8A9CSI/O4I/O2WR/I/O3I/O12114A9.2随机存取存储器表8.22114A的工作方式输入00写操作输出10读操作高阻×1未选中工作方式扩展方法主要有位扩展和字扩展两种1）位扩展方式

存储器的字数够用，而每个字的位数不够用时，通过将地址线并接进行位扩展2）字扩展方式

当存储芯片每个字的位数够用，而字数不够时，进行字扩展（3）RAM容量的扩展和举例数字系统或计算机中，单片存储器芯片往往不能满足存储容量的要求，可把若干存储器芯片进行组合，扩展成大容量存储器*

地址线、读/写控制线、片选线并联*输入/输出线分开使用例题1：用2片2114扩展为1K×8位的RAM。（2）工作方式4.

集成静态存储器SRAM9.2随机存取存储器I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/WI/O1I/O2I/O3I/O4…A0A1A9R/WCSI/O1I/O2I/O3I/O4I/O4I/O5I/O6I/O7A9A0A1…CSR/W2114×1（1）2114×1（2）解：（1）位扩展逻辑图如图所示I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/WI/O1I/O2I/O3I/O4…A0A1A9R/WA10I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/W2114×1（1）2114×1（2）1-2译码器解：（2）字扩展逻辑图如图所示位扩展逻辑图字扩展逻辑图4.

集成静态存储器SRAM9.2随机存取存储器例题2：将2114扩展为2K×4位的RAM。RAM2114字扩展...2114（1）I/O（2）I/O（3）I/O（4）I/OA11A10A11A102/4线译码器R/WA0A9I/O3I/O2I/O1I/O0A11A10A11A10A11A10A9…A0R/WCSA9…A0R/WCSA9…A0R/WCSA9…A0R/WCS（2）字扩展例题3：A11~A0十二根地址线，组成4096字

4位的RAM。解：逻辑图如图所示当A11A10=00时，则仅有A11A10=0，译码器其与输出端均为1。因此，仅有2114（1）选中，片（2）~（4）全部被封锁0004.

集成静态存储器SRAM9.2随机存取存储器（1）PLD的特点

1）作为通用型器件生产的，具有批量大、成本低的特点

2）逻辑功能可由用户通过对器件编程自行设定，且体积小、可靠性高的优点

3）改变了传统数字系统采用通用型器件实现系统功能的设计方法

4）增强了设计的灵活性，减轻了电路图和电路板设计的工作量和难度，提高了工作效率

5）PLD在计算机硬件、工业控制、现代通信、智能仪表和家用电器等领域得到广泛应用每个芯片集成的逻辑门数大约在1000门以下可编程只读存储器（PROM）可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray，简称PLA）可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，简称PAL）通用阵列逻辑（GenericArrayLogic，简称GAL)（2）低密度PLD（SPLD）1.

可编程只读存储器9.3可编程逻辑器件（PLD）（3）高密度PLD▽

每个芯片集成的逻辑门数达数千~万个，具有在系统可编程或现场可编程特性，可用实现

较大规模的逻辑电路▽

可擦除的可编程逻辑器件（ErasableProgrammableLogicArray，简称EPLD）▽

复杂的可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicArray，简称CPLD）▽

现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，简称FPGA）（4）与或阵列结构（乘积项结构）

输入输出输入电路与阵列或阵列输出电路PLD与或阵列结构框图

互补输入项与项或项反馈项1.

可编程只读存储器9.3可编程逻辑器件

（5）PLD分为三种基本结构1）与阵列固定，或阵列可编程型结构，如可编程只读存储器PROM特点：与阵列规模大，速度较低

2）与、或阵列均可编程型结构，PLA(ProgrammableLogicArray)属于这种结构特点：速度快，设计逻辑函数可用最简结构，芯片内部资源利用率高。但编程难度大，缺乏质高价廉的开发工具3）或阵列固定，与阵列可编程型结构。PAL(ProgrammableArrayLogic)属于这种结构特点：速度快，费用低，易于编程。当前许多PLD器件都采用这种结构（3）查找表（Look-Up-Table,LUT）结构和原理*

用存储逻辑的存储单元来实现逻辑运算。FPGA是属于此类器件*RAM存储器预先加载要实现的逻辑函数真值表，输入变量作为地址用来从RAM存储器中选择输出逻辑值*

类似于用ROM实现组合逻辑电路1.

可编程只读存储器9.3可编程逻辑器件2．可编程器件PLD表示方法逻辑电路通常用逻辑图表示，但传统表示法对大规模集成电路的描述很困难。因此在PLD器件中有专用简化表示方法注意：1）点

•表示该点为固定连接点，用户不能改变2）叉点

表示该点为用户定义编程点，出厂时此点是接通的,用户可

根据需要断开或保持接通3）既无

•也无

时，表示该点是断开的或编程时擦除

PLD阵列中的逻辑符号ABC&YY=ACACB≥1YY=A+C1YY1=AY2=AAY1Y2（a）三输入与门（b）三输入或门（c）缓冲器3.一次编程性只读存储器（PROM）熔断丝位线字线存储“1”存储“0”二极管和熔断丝构成的存储单元（d）固定连接（e）可编程连接（f）不连接9.3可编程逻辑器件A211A11A0&&&&&&&&≥1D2D1≥1D0≥1或阵列与阵列W0W1W2W3W4W5W6W7PROM的阵列图固定与阵列可编程或阵列PROM是由地址译码器和可编程的存储矩阵组成。对应每种可能的输入组合，即可得到一组独立编程输出。其由一个固定的与阵列（地址译码器）和一个可编程的或阵列（存储矩阵）构成。画一次编程型PROM的阵列图时，可将不能编程的地址译码器用方框表示，存储矩阵输出端的或门符号也不必画出来，可使画PROM的阵列图时更加简便3．一次编程性只读存储器（PROM）9.3可编程逻辑器件例题1:试用PROM产生一组逻辑函数：解：（1）因PROM地址译码器为固定最小项与阵列，需将Y0~Y2各式化为最小项形式（2）由Y0~

Y2最小项画出PROM编程阵列图A11B1C1Dm2m3m6m7m10m12m13m14Y0Y1Y2可编程或阵列固定与阵列9.3可编程逻辑器件4．可编程逻辑阵列（PLA）PLA是由可编程与阵列（形成选通字线）和可编程或阵列（形成选通位线）组成，其基本结构与PROM的结构相似，不同之处在于地址译码器仅选择需要的最小项译出，使得译码器矩阵大幅度压缩可编程或阵列可编程与阵列1A21A11A0&&&&&&≥1D2D1≥1D0≥1PLA阵列图9.3可编程逻辑器件例题2:试用PLA产生例题1的一组逻辑函数：解：由PLA与阵列和或阵列均可编程。需将Y0~Y2与或逻辑式化简，再分别对对其与、或阵列进行编程1A1B1C1DY0Y1Y2可编程与阵列可编程与阵列可见：PLA与PROM阵列编程相比PLA

的编程简捷得多9.3可编程逻辑器件4．可编程逻辑阵列（PLA）图1PAL基本结构111&&&&≥1≥1A0A1A2Y1Y0*PAL由可编程与阵列和固定或阵列构成，但其输出方式固定而不能重新组态。PLA是一种低密度、一次性可编程逻辑器件，使用起来有很大局限性，与PLA基本门阵列相似*PAL有许多型号，不同型号的与阵列结构基本相同，但输出结构不同，常见有：*PAL比中小规模组合逻辑器件通用性好，可更加灵活的设计和使用，速度较快，但由多数使用双极型熔丝工艺，只能实现一次编程专用输出结构、可编程I/O结