吕国泰《电子技术》第8章半导体存储器和可编程逻辑器

1第四节可编程逻辑器件（PLD）第三节随机存取存储器（RAM）第二节只读存储器（ROM）第一节存储器概述一、概述二、存储器的主要技术指标4第一节存储器概述2.半导体存储器——大规模集成组合逻辑电路。1.存储器——一种能存储二进制代码的器件。分类：磁存储器半导体存储器按功能只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）分类：一、概述优点：存储容量大、工作速度快、体积小、集成度高。5第一节存储器概述（1）只读存储器（ROM）(2)随机存取存储器（RAM）特点：写入的信息能长期保存，不会因断电而丢失；用途：存放固定的程序和常数。特点：能随机写入或读出信息，读/写方便；速度快。缺点：信息容易丢失，一旦断电，所存储器的信息会随之消失，不利于数据的长期保存。缺点：存储的信息是固定不变的。只能读出信息，不能随机写入信息。用途：存放现场的输入输出数据和中间运算结果。6第一节存储器概述半导体存储器的分类半导体存储器二极管掩模ROMMOS管掩模ROM固定ROM可编程PROMMOS静态RAMMOS动态RAM随机存取存储器RAM只读存储器ROM光可擦除EPROM电可擦除E2ROM一次可编程PROM快闪存储器7第一节存储器概述二、存储器的主要技术指标1.存储容量：存储器含有存储单元的数量。存储单元：能存储一位二进制数码“1”或“0”的电路。位（bit）：构成二进制数码的基本单元。字节（Bbyte）：8位组成一个字节。字（word）：一个或多个字节组成一个字。按位存储单元数表示按字节单元数表示表示方法：例:32768个位存储单元=1Kb（1024b）✕32=32Kb例:32768个位存储单元=4✕1024✕8=4KB8第一节存储器概述2.存储周期：连续两次读（写）操作间隔的最短时间。快的约纳秒极，慢的约几十毫秒。一、固定ROM二、可编程ROM三、ROM的应用实例四、逻辑门电路的简单画法10第二节只读存储器ROM的结构框图字线（选择线）位线（数据线）存储单元字单元地址输入存储输出地址译码器存储矩阵读出电路地址译码器读出电路存储矩阵N×M表示存储容量11第二节只读存储器ROM主要结构存储矩阵地址译码器1.存储矩阵：由存储单元构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。存储器以字为单位进行存储。即一组存储单元存储一个字。存放一个字长为M的字，需要M个存储单元。M个存储单元称为字单元。存储单元的总数为N字×M位，N×M为存储容量。表示信息的二进制数码称为一个字，二进制数码的位数称为一个字长M。12第二节只读存储器2.地址译码器：地址—为了存取的方便，给每个字单元确定的标号。A0~An-1分别为N个字单元的地址。字线—W0~WN-1称为字单元的地址选择线；地址译码器根据输入的代码从W0~WN-1条字线中选择一条字线。位线—D0~DM-1确定与地址代码相对应的一组存储单元位置。选中的一组存储单元中的各位数码经位线传送到数据输出端。13第二节只读存储器只读存储器ROM分类：按使用器件不同:二极管ROM双极型ROMMOS管ROM固定ROM可编程PROM按存入方式不同:光可擦可编程EPROM电可擦可编程E2PROM一次可编程PROM快闪存储器14第二节只读存储器4✕4二极管掩模ROM1.二极管掩模ROM没接二极管处表示存0接二极管处表示存1一、固定ROM片选信号154个地址的逻辑式分别为：010AAW011AAW012AAW013AAW地址译码器特点：（1）N取一译码：N条字线中，每次只能选中一条字线。图为4选1译码。（2）最小项译码：n个地址输入变量A0~An最小项的数目为N=2n。图中最小项为4个。地址译码器是一个“与”逻辑阵列两位地址代码A1A0可指定4个不同的地址。第二节只读存储器1.地址译码器16第二节只读存储器译码器4个高低电平信号2位二进制代码000000111110110110111011101111110SA0A1Y3Y2Y1Y0输入输出2-4线译码器逻辑状态表使能端输出低电平有效复习17第二节只读存储器2.存储矩阵存储矩阵有4条字线和4条位线。共有16个交叉点，每个点都是一个存储单元。字线W0与位线有4个交叉点，其中与位线D3和D0交叉处接有二极管。当选中字线W0为高电平时，两个二极管导通。18第二节只读存储器存储矩阵是一个“或”逻辑阵列100WWD311WWD320WWWD2313WWDW3=A1A0m3m2W2=A1A0m1W1=A1A0m0W0=A1A0A0A1地址译码器D3D2D1D0简化的ROM存储矩阵阵列图有二极管无二极管19第二节只读存储器例：地址码A1A0=00时，W0=1，两个二极管导通，使位线D3和D0为“1”，这相当于接有二极管的交叉点存“1”。交叉点处没有接二极管处，相当于存“0”；位线D1和D2为“0”，这相当于没接有二极管的交叉点存“0”。20第二节只读存储器4✕4二极管掩模ROM没接二极管处表示存0接二极管处表示存1片选信号,低电平有效001000110021第二节只读存储器4✕4二极管掩模ROM存储内容A1A0WiD3D2D1D000W0=1100101W1=11011地址输入字线10W2=1010011W3=11110位输出ROM的特点：存储单元存“0”还是存“1”在设计制造时已确定，不能改变；且存入信息后，即使断开电源，所存信息也不会消失。22N取一译码及ROM存储内容地址码01AAA0A100011011最小项及编号N取一译码存储内容W0W1W2W3D0D1D2D3m0m1m2m301AA01AA01AA00010101001010110100010010001110第二节只读存储器选讲23第二节只读存储器2.MOS管掩模ROM接MOS管处表示存1没接MOS管处表示存0负载管MOS管24第二节只读存储器10位地址代码A9~A0，地址线为10根，字线输出为210=1024根。为减少译码器输出线，将地址线分为两组：A4~A0为列地址译码器，译出列选择线25为X1~X31。A9~A5为行地址译码器，译出行选择线25为Y1~Y31。列选择线与出行选择线的矩阵交点共32✕32=1024。存储器存储容量为1K✕1位。25第二节只读存储器接MOS管处表示存1没接MOS管处表示存00000110000011负载管MOS管26第二节只读存储器ROM存储器的位线扩展将几片的地址端、CS端并接在一起。为扩展存储器的容量，将8片1K✕1存储器并联。27第二节只读存储器二、可编程ROM（PROM）用户可根据需要将信息存入存储单元，一旦写入，不能更改。熔丝28第二节只读存储器熔丝型PROM的存储单元编程时，字线为高电平VCC字线熔丝位线熔丝断，存储单元信息为0，位线上加入高电压脉冲，稳压管DZ导通，反相器输出低电平。编程时，位线为低电平熔丝不断，存储单元信息为1。29第二节只读存储器1.光可擦除的可编程只读存储器（EPROM）可根据需要改写多次，将存储器原有的信息抹去，再写入新的信息。擦除方式：紫外线照射。方法：采用特殊的浮置栅MOS管（简称SIMOS或叠栅MOS）。利用雪崩击穿。30第二节只读存储器PROM出厂时所有的存储单元均存入0。编程时：在器件的石英玻璃盖上用紫外线照射15秒，擦除原有信息，所有的存储单元均存入1，用户再行操作。31第二节只读存储器特点：擦除需用专用设备，操作复杂，耗时长，正常工作时不能随意改写。EPROM2716逻辑结构引脚排列32第二节只读存储器可进行在线擦除和编程，无需专用设备。擦写次数达104次以上。2.电可擦除的可编程只读存储器（E2PROM）分类：浮栅隧道氧化层MOS管双层栅介质MOS管2817E2PROM引脚排列33第二节只读存储器新一代电可擦除的可编程只读存储器。但不能按字节擦除，只可全片擦除。3.快闪读存储器存储器的容量逐年提高，可达64M位，取代PROM和E2PROM。34第二节只读存储器1.用ROM实现组合逻辑电路ROM的应用十分广泛，如组合逻辑、波形变换、字符产生以及计算机的数据和程序存储等。输入变量A——加数B——加数C0——低位进位数输出变量S——本位和C0——向高位进位数三、ROM的应用实例35第二节只读存储器AiBiCi-1SiCi全加器逻辑状态表本位和向高位的进位加数0000000110010100110110010101011100111111复习半加器构成的全加器≥1CiBiAiCOCi-1SiCOS'i低位的进位36第二节只读存储器用ROM实现组合逻辑电路:把函数自变量的不同取值作为ROM的不同地址。把每种取值对应的函数值存入ROM对应地址的存储单元。ROM成了一个函数表。加数低位的进位本位和向高位的进位ROM构成的全加器37第二节只读存储器AiBiCi-1十进制最小项被选中字线最小项编号位线SiCi00000101001110010111011101234567AiBiCi-1AiBiCi-1AiBiAiCi-1AiCi-1BiCi-1BiCi-1AiBiBiCi-1AiCi-1BiAiW0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70010100110010111全加器逻辑状态及三变量最小项编码38第二节只读存储器根据表可得：74210000mmmmCBACBACBACBAS76530000mmmmCBACBACBACBACROM构成的全加器ROM构成的全加器39第二节只读存储器2.存储数据和程序单片机EPROM2716单片机与可编程EPROM联接，用于存放程序和表格常数。40第二节只读存储器四、逻辑门电路的简单画法固定连接可编程连接断开连接硬线连接点，用户不能改变可编程连接点，用户定义编程点熔丝已烧断，断开逻辑图中连接点的简化画法“与”门输入变量A、B、C的输入线和乘积线的交点有三种情况：乘积线41DBAYCBAY与门或门互补输出的缓冲器逻辑图中门电路的简化画法一、RAM的分类二、RAM的结构和工作原理三、集成RAM存储器四、RAM存储容量的扩展43第三节随机存储存储器随机存取存储器（RAM）能随时从任一指定地址的存储单元中取出（读出）信息，也可随时将信息存入（写入）任一指定地址单元中。因此也称为读/写存储器。优点：读/写方便缺点：信息容易丢失，一旦断电，所存储器的信息会随之消失，不利于数据的长期保存。一、RAM的分类按使用器件不同:二极管RAM双极型RAMMOS管RAM静态动态44第三节随机存储存储器二、RAM的结构和工作原理地址输入数据线读/写控制电路输入/输出I/OAn-1A0A1地址译码器...读/写控制(R/W)片选(CS)...存储矩阵选择访问哪个存储单元存储0、1信息。由大量寄存器构成矩阵形式决定对选中的单元读还是写决定芯片是否工作读或写数据的通道45第三节随机存储存储器1.存储矩阵：由存储单元构成。与ROM不同的是RAM存储单元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入信息，其存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。2.地址译码器：也是N取一译码器。3.读/写控制电路：当R/W=1时，执行读操作，R/W=0时，执行写操作。读、写不会同时发生，读/写线是双向的。4.片选控制：存储器由多片RAM组成，当CS=0时，选中某片RAM工作，CS=1时某片RAM不工作。46第三节随机存储存储器三、集成RAM存储器9GNDCS8A27A16A05A34A43A52A61I/O0A9A8A7UDD121011141315161718I/O1I/O2I/O3R/WRAM2114RAM2114外引线排列图以“字”为单位：RAM中信息的读出或写入是以“字”为单位进行的，每次写入或读出一个字。容量：1024字4位=4096存储单元地址线：A9~A0(210=1024)数据线：I/O3~I/O0字数：210=1024字（1K）47第三节随机存储存储器9GNDCS8A27A16A05A34A43A52A61I/O0A9A8A7UDD1210