存储器和可编程逻辑器件简介课件

**

記憶體和可編程邏輯器件簡介8.1半導體記憶體

**8.1半導體記憶體

數字系統中用於存儲大量二進位資訊的器件是記憶體。穿孔卡片→紙帶→磁芯記憶體→半導體記憶體半導體記憶體的優點：容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等。

半導體記憶體按照內部資訊的存取方式不同分為兩大類：

1、只讀記憶體ROM。用於存放永久性的、不變的數據。

2、隨機存取記憶體RAM。用於存放一些臨時性的數據或中間結果，需要經常改變存儲內容。**8.1.1隨機存取記憶體（RAM）

隨機存取記憶體又叫隨機讀/寫記憶體，簡稱RAM，指的是可以從任意選定的單元讀出數據，或將數據寫入任意選定的存儲單元。

優點：讀寫方便，使用靈活。

缺點：掉電丟失資訊。

返回

分類：

SRAM（靜態隨機存取記憶體）

DRAM（動態隨機存取記憶體）**1.RAM的結構和讀寫原理

（1）RAM的結構框圖圖8-1RAM的結構框圖I/O端畫雙箭是因為數據即可由此端口讀出，也可寫入**

①存儲矩陣

共有28（＝256）行×24（＝16）列共212（＝4096）個資訊單元（即字）每個資訊單元有k位二進位數（1或0）記憶體中存儲單元的數量稱為存儲容量（＝字數×位數k）。

**

②地址解碼器

行地址解碼器：輸入8位行地址碼，輸出256條行選擇線（用x表示）

列地址解碼器：輸入4位列地址碼，輸出16條列選擇線（用Y表示）**③讀寫控制電路

當R/W

=0時，進行寫入(Write)數據操作。當R/W=1時，進行讀出(Read)數據操作。

**

圖8-2RAM存儲矩陣的示意圖

2564（256個字，每個字4位）RAM存儲矩陣的示意圖。如果X0＝Y0＝1，則選中第一個資訊單元的4個存儲單元，可以對這4個存儲單元進行讀出或寫入。

**（2）RAM

的讀寫原理（以圖8－1為例）當CS=０時，RAM被選中工作。

若

A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000

表示選中列地址為A11A10A9A8=0000、行地址為A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存儲單元。此時只有X0和Y0為有效，則選中第一個資訊單元的k個存儲單元，可以對這k個存儲單元進行讀出或寫入。

**若此時R/W＝1，則執行讀操作，將所選存儲單元中的數據送到I/O端上。若此時R/W=0時，進行寫入數據操作。當CS=1時，不能對RAM進行讀寫操作，所有端均為高阻態。**

（3）RAM的存儲單元按工作原理分為：

靜態存儲單元：利用基本RS觸發器存儲資訊。保存的資訊不易丟失。

動態存儲單元：利用MOS的柵極電容來存儲資訊。由於電容的容量很小，以及漏電流的存在，為了保持資訊，必須定時給電容充電，通常稱為刷新。**2.靜態讀寫記憶體（SRAM）積體電路6264簡介

採用CMOS工藝製成，存儲容量為8K×8位，典型存取時間為100ns、電源電壓＋5V、工作電流40mA、維持電壓為2V，維持電流為2μA。

8K=213，有13條地址線A0~A12；每字有８位，有８條數據線I/O0～I/O7；圖8-36264引腳圖

四條控制線**

表8-１

6264的工作方式表

3.

Intel2114A是1K字×4位SRAM，它是雙列直插18腳封裝器件，採用5V供電，與TTL電平完全相容。

4.

Intel2116是16K×1位動態記憶體（DRAM），是典型的單管動態存儲晶片。它是雙列直插16腳封裝器件，採用+12V和±

5V三組電源供電，其邏輯電平與TTL相容。**8.1.3

記憶體的應用1.

記憶體容量的擴展

記憶體的容量：字數×位數

⑴位擴展（即字長擴展）：將多片記憶體經適當的連接，組成位數增多、字數不變的記憶體。方法：用同一地址信號控制n個相同字數的RAM。返回**例：將256×1的RAM擴展為

256×8的RAM。將8塊256×1的RAM的所有地址線和CS（片選線）分別對應並接在一起，而每一片的位輸出作為整個RAM輸出的一位。**256×8RAM需256×1RAM的晶片數為：圖8-10RAM位擴展

將256×1的RAM擴展為256×8的RAM**

⑵

字擴展

將多片記憶體經適當的連接，組成字數更多，而位數不變的記憶體。例：由1024×8的

RAM擴展為4096×8的RAM。共需四片1024×8的RAM晶片。

1024×8的

RAM有10根地址輸入線A9～A0。

4096×8的RAM有12根地址輸入線A11～A0。選用2線-4線解碼器，將輸入接高位地址A11、A10，輸出分別控制四片RAM的片選端。

**

圖8-11RAM字擴展

由1024×8的

RAM擴展為4096×8的RAM**

(3)字位擴展

例：將1024×4的RAM擴展為2048×8RAM。位擴展需2片晶片，字擴展需2片晶片，共需4片晶片。字擴展只增加一條地址輸入線A10，可用一反相器便能實現對兩片RAM片選端的控制。字擴展是對記憶體輸入端口的擴展，位擴展是對記憶體輸出端口的擴展。

**圖8-12RAM的字位擴展

將1024×4的RAM擴展為2048×8RAM**8.1.2

只讀記憶體（ROM）返回1.固定ROM

只讀記憶體所存儲的內容一般是固定不變的，正常工作時只能讀數，不能寫入，並且在斷電後不丟失其中存儲的內容，故稱為只讀記憶體。ROM組成：地址解碼器存儲矩陣輸出電路圖8-4ROM結構方框圖

**

地址解碼器有n個輸入端，有2n個輸出資訊，每個輸出資訊對應一個資訊單元，而每個單元存放一個字，共有2n個字（W0、W1、…W2n-1稱為字線）。

每個字有m位，每位對應從D0、D1、…Dm-1輸出（稱為位線）。記憶體的容量是2n×m(字線×位線)。

ROM中的存儲體可以由二極體、三極管和MOS管來實現。**圖8-5二極體ROM

圖8-6字的讀出方法

在對應的存儲單元記憶體入的是1還是0，是由接入或不接入相應的二極體來決定的。**存儲矩陣為了便於表達和設計，通常將圖8-5簡化如圖8-7所示。圖8-74×4ROM陣列圖

有存儲單元地址解碼器圖8-5二極體ROM**

在編程前，存儲矩陣中的全部存儲單元的熔絲都是連通的，即每個單元存儲的都是1。用戶可根據需要，借助一定的編程工具，將某些存儲單元上的熔絲用大電流燒斷，該單元存儲的內容就變為0，此過程稱為編程。熔絲燒斷後不能再接上，故PROM只能進行一次編程。2．可編程只讀記憶體（PROM）

圖8-8PROM的可編程存儲單元**3．可擦可編程ROM（EPROM）

最早出現的是用紫外線照射擦除的EPROM。浮置柵MOS管（簡稱FAMOS管）的柵極被SiO2絕緣層隔離，呈浮置狀態，故稱浮置柵。當浮置柵帶負電荷時，FAMOS管處於導通狀態，源極－漏極可看成短路，所存資訊是0。若浮置柵上不帶有電荷，則FAMOS管截止，源極－漏極間可視為開路，所存資訊是1。

**圖8-９

浮置柵EPROM(a)浮置柵MOS管的結構

(b)EPROM存儲單元帶負電-導通-存0不帶電-截止-存1**浮置柵EPROM出廠時，所有存儲單元的FAMOS管浮置柵都不帶電荷，FAMOS管處於截止狀態。寫入資訊時，在對應單元的漏極與襯底之間加足夠高的反向電壓，使漏極與襯底之間的PN結產生擊穿，雪崩擊穿產生的高能電子堆積在浮置柵上，使FAMOS管導通。當去掉外加反向電壓後，由於浮置柵上的電子沒有放電回路能長期保存下來，在的環境溫度下，７０％以上的電荷能保存１０年以上。如果用紫外線照射FAMOS管１０～３０分鐘，浮置柵上積累的電子形成光電流而泄放，使導電溝道消失，FAMOS管又恢復為截止狀態。為便於擦除，晶片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板。**8.1.3

記憶體的應用2．EPROM的應用

程式記憶體、碼制轉換、字元發生器、波形發生器等。例：八種波形發生器電路。

將一個週期的三角波等分為256份，取得每一點的函數值並按八位二進位進行編碼，產生256位元組的數據。用同樣的方法還可得到鋸齒波、正弦波、階梯波等不同的八種波形的數據，並將這八組數據共2048個位元組寫入2716當中。返回**圖8-13八種波形發生器電路圖

波形選擇開關256進制計數器存八種波形的數據經8位DAC轉換成模擬電壓。**S3S2S1波形A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000正弦波000H～0FFH001鋸齒波100H～1FFH010三角波200H～2FFH┇┇┇111階梯波700H～7FFH表8-2八種波形及記憶體地址空間分配情況

S1、S2和S3：波形選擇開關。兩個16進制計數器在CP脈衝的作用下，從00H～FFH不斷作週期性的計數，則相應波形的編碼數據便依次出現在數據線D0～D7上，經D/A轉換後便可在輸出端得到相應波形的模擬電壓輸出波形。**

圖8-14三角波細分圖

下麵以三角波為例說明其實現方法。三角波如圖8-14所示，在圖中取256個值來代表波形的變化情況。在水準方向的257個點順序取值，按照二進位送入EPROM2716（2K×8位）的地址端A0～A7，地址解碼器的輸出為256個（最末一位既是此週期的結束，又是下一週期的開始）。由於2716是8位的，所以要將垂直方向的取值轉換成8位二進位數。**表8-3三角波存儲表

將這255個二進位數通過用戶編程的方法，寫入對應的存儲單元，如表8-3所示。將2716的高三位地址A10A9A8取為0，則該三角波佔用的地址空間為000H～0FFH，共256個。

**8.1.4其他類型記憶體簡介1.EEPROM用電氣方法線上擦除和編程的只讀記憶體。存儲單元採用浮柵隧道氧化層MOS管。寫入的數據在常溫下至少可以保存十年，擦除/寫入次數為１萬次～10萬次。2.快閃記憶體FlashMemory

採用與EPROM中的疊柵MOS管相似的結構，同時保留了EEPROM用隧道效應擦除的快捷特性。理論上屬於ROM型記憶體；功能上相當於RAM。單片容量已達64MB，並正在開發256MB的快閃記憶體。可重寫編程的次數已達100萬次。返回**

由美國Dallas半導體公司推出，為封裝一體化的電池後備供電的靜態讀寫記憶體。它以高容量長壽命鋰電池為後備電源，在低功耗的SRAM晶片上加上可靠的數據保護電路所構成。其性能和使用方法與SRAM一樣，在斷電情況下，所存儲的資訊可保存10年。其缺點主要是體積稍大，價格較高。此外，還有一種nvSRAM，不需電池作後備電源，它的非易失性是由其內部機理決定的。已越來越多地取代EPROM，並廣泛應用於通信設備、辦公設備、醫療設備、工業控制等領域。

3.非易失性靜態讀寫記憶體NVSRAM**串行記憶體是為適應某些設備對元器件的低功耗和小型化的要求而設計的。