電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)(7)

1、 7.1.1 存儲器的分類 存儲器從信息存取的情況可分為只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存儲器（和隨機(jī)存儲器（RAM）。 半導(dǎo)體存儲器從制造工藝方面可分為雙極型（雙極型（TTL型）和單極性（型）和單極性（MOS型）型）。 只讀存儲器（ROM）主要由與陣列、或陣列、輸出緩沖級等部分組成，為大規(guī)模組合邏輯電路。 隨機(jī)存儲器（RAM）主要由地址譯碼器、存儲矩陣、讀/寫控制電路等部分組成，為大規(guī)模時序邏輯電路。 7.1.2 存儲器的主要技術(shù)參數(shù) 存儲器的最主要技術(shù)參數(shù)為存取速度和存儲容量。 1. ROM的特點 （1）在工作時，只能進(jìn)行讀出（取出）操作，而不能隨便進(jìn)行寫入（存入）操作。 當(dāng)ROM的

2、地址碼輸入端給定一個地址碼后，便可以在她的數(shù)據(jù)輸出端得到一個事先在其內(nèi)部存入的確定數(shù)據(jù)。 （2）ROM的存儲單元簡單，只是一些開關(guān)元件（如二極管、三極管、MOS管、熔絲等）， ROM存入數(shù)據(jù)的工作就是將作為存儲單元的開關(guān)元件設(shè)置成接通狀態(tài)或斷開狀態(tài)。 （3）ROM集成度高，且存儲具有不揮發(fā)性（不易失性），即斷電后。ROM中信息也不會丟失。 （4）屬于組合邏輯電路。2. ROM的結(jié)構(gòu)地址譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器（又稱輸出電路，通常由三態(tài)門組成）三大部分構(gòu)成。 （1）地址譯碼器 地址譯碼器負(fù)責(zé)把地址代碼已成相應(yīng)的控制信號，利用這個控制信號將存儲矩陣中的指定的存儲單元選中，并把存儲單元中的數(shù)據(jù)送

3、給輸出緩沖器。 （2）存儲矩陣 存儲矩陣包含了大量存儲單元，存儲單元由二極管、三極管或MOS管組成，每個存儲單元只能存儲一位二進(jìn)制代碼，每一個或一組存儲單元被編為一個地址。 （3）輸出緩沖器 輸出緩沖器的作用一是提高存儲器帶負(fù)載能力，二是可以實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制以便與總線連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。 3. ROM的參數(shù)存儲容量 具有n條地址線，有 條譯碼輸出線，m條數(shù)據(jù)輸出線的存儲器，其容量為 （字位） n2mn2 3. ROM的應(yīng)用 只讀存儲器ROM是用以存儲固定信息的存儲部件，存儲的信息一旦寫入，就只能讀出，不能隨意更改，且即便沒有電源，存儲的數(shù)據(jù)也不會丟失。ROM主要用于存放需要長期保存的數(shù)據(jù)

4、、表格、程序、函數(shù)和字符等等固定不變的信息?？梢杂脕懋a(chǎn)生組合邏輯函數(shù)、制成波形發(fā)生器、用作各種數(shù)據(jù)表和“字典”。 7.2.2 各種ROM的工作原理、特點 ROM存入數(shù)據(jù)的過程稱為對ROM的“編程”，根據(jù)編程方式的不同，可以將ROM分成內(nèi)容固定的ROM、一次性可編程的PROM和可多次編程的EPROM和 EEPROM。 1. 內(nèi)容固定的ROM 在半導(dǎo)體器件廠生產(chǎn)內(nèi)容固定的ROM時，根據(jù)ROM的存儲內(nèi)容，設(shè)計成相應(yīng)的“掩膜”。這種按特制掩膜做成的ROM制成后，其存儲內(nèi)容是不能改變的。內(nèi)容固定的ROM適用于批量很大的產(chǎn)品，如漢字庫、函數(shù)表等。 （1）電路組成 ROM屬于組合邏輯電路。其地址譯碼器是一個

5、與門的陣列（與陣）存儲矩陣是一個或門矩陣（或陣）。 ROM存儲數(shù)據(jù)的真值表 輸出實現(xiàn)如下邏輯函數(shù)0101323010130201012110101013200AAAAWWDAAAAWWDAAAAWWDAAAAAAWWWD ROM的地址譯碼器（與陣）是不可編程的?？删幊痰闹皇谴鎯仃嚕ɑ蜿嚕?。 如果將前圖中有二極管的位置都換成NMOS管，就可以構(gòu)成MOS管ROM存儲電路。該MOS管的ROM的存儲內(nèi)容與前圖二極管的ROM相同，工作原理基本也一樣。 2. 一次性可編程的PROM 一次性可編程的PROM也稱為可編程只讀存儲器，只能由用戶進(jìn)行一次編程，這類產(chǎn)品在出廠時，所有的存儲單元均存為“1”或存為“

6、0”，使用者根據(jù)需要將其中某些單元改寫為“0”或“1”。 PROM的電路結(jié)構(gòu)和固定ROM基本相同，所不同的只是在每一個存儲單元中都串接了一個熔絲，如圖所示。沒有編程時，所有熔絲都是連通的，全部存儲器單元相當(dāng)于都存儲。用戶在編程時可以根據(jù)要求，借助于編程工具將不需要的存儲單元的熔絲燒斷。當(dāng)然熔絲燒斷后市不可恢復(fù)的，因此這種可編程只讀存儲器只能進(jìn)行一次性編程。使用時，只能讀出而不能寫入。 3. 可多次編程的EPROM和 EEPROM （1）EPROM 可多次編程的EPROM也就是可抹可編程只讀存儲器，EPROM是可以進(jìn)行多次改寫的只讀存儲器。通過紫外線光的照射可將EPROM存儲的內(nèi)容擦除，然后再用

7、編程器寫入新的信息。 EPROM的存儲單元是由浮置柵雪崩注入型MOS管構(gòu)成的，浮置柵雪崩注入型MOS管符號示意圖如圖所示。 EPROM器件的外形如圖所示。其上方有一個石英窗口，以便用紫外線照射來抹去信息。正常運用時，應(yīng)用黑膠帶將石英窗口遮蓋，以防止柵上電荷（信息）丟失。 EPROM查處或全“1”狀態(tài)后，可以再根據(jù)需要，用編程器將某寫存儲單元寫成“0”，即將對應(yīng)MOS管的柵上積累上電荷來實現(xiàn)編程。 （2）EEPROM EEPROM稱為電抹可編程只讀存儲器。它的存儲單元是具有兩個柵極的NMOS管，MOS管符號示意圖為 （3）閃速存儲器 閃速存儲器是新型的ROM，它與EEPROM都是電抹可編程的，但

8、是擦除器件中信息的時間要比EEPROM短得多；容量也比EEPROM大。隨機(jī)存儲器RAM也是電子計算機(jī)中的重要部件，它能夠存儲數(shù)據(jù)、指令和中間運算的結(jié)果。RAM是一種能夠選擇任一存儲單元寫入（存入）或讀出（取出）數(shù)據(jù)的存儲器。讀出操作時，原信息保留；寫入操作時，新信息取代原信息；不進(jìn)行讀寫操作時，RAM將保留它所存儲的信息。 7.3.1 RAM的特點、結(jié)構(gòu)、參數(shù)及分類 1. RAM的特點 （1）具有讀出和寫入功能。隨機(jī)存儲器的“讀寫”是指RAM具有將信息寫入存儲器，也有從RAM中將其存儲的信息讀出來的功能。 （2）具有斷電易失性。當(dāng)電源一旦被切斷，RAM中保存的信息將會全部丟失，所以RAM是揮發(fā)

9、性的存儲器。 （3）屬于時序邏輯電路。RAM具有記憶作用的功能與基本寄存器并無本質(zhì)區(qū)別，可以把RAM看成是有許許多多基本寄存器組合起來構(gòu)成的大規(guī)模集成電路。如果把基本寄存器比作暫存處，那么RAM就是大倉庫了。 RAM的最大優(yōu)點是讀寫方便，使用靈活，缺點是斷電易失性。 2. RAM的結(jié)構(gòu) RAM是按“字”存儲信息的,一個“字”中所含的“位”數(shù)是由具體的RAM器件決定的，可以是1位、4位、8位等。每個“字”是按“地址”存放的，也是按“地址”對RAM進(jìn)行讀和寫操作的。根據(jù)“地址”選中欲進(jìn)行讀或?qū)懙摹白帧?，實現(xiàn)“隨機(jī)”地存取所選定的“字”的目的?？梢詫⒋鎯ζ骱帽纫蛔奚針?，“地址”是對應(yīng)的房間號，“字

10、”對應(yīng)著房間里住的人。由于RAM的地址碼和所存的“字”常常都是二進(jìn)制數(shù)，容易將二者混淆，使用RAM時，必須注意它們的區(qū)別。 RAM的結(jié)構(gòu)方框圖，圖中地址碼為n位，經(jīng)地址譯碼器變成 位選擇線（或稱“字選線”）。n2 3.RAM的參數(shù) （1）RAM的容量 （2）RAM的時間參數(shù) RAM的時間參數(shù)分別為讀取時間和讀寫時間。讀取時間反映了從RAM中讀出信息所需的等待時間；讀寫周期反映了兩次連續(xù)訪問RAM所需要的最小時間間隔。 RAM的容量和工作速度是其最主要的技術(shù)參數(shù)。 4.RAM的分類 目前RAM主要是MOS器件，按照其存儲單元的類型有紛飛靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)。 7.3.2

11、靜態(tài)RRAM和動態(tài)RAM的工作原理及特點1.靜態(tài)RAM的工作原理及特點 一個六管CMOS靜態(tài)存儲單元如圖所示，圖中T1、T2和T3、T4兩個CMOS反相器輸出和輸入交叉耦合組成的基本觸發(fā)器，可以用來存儲一位二進(jìn)制信息。T5、T6為由行線X控制的門控管，T7、T8為由列線Y控制的門控管。 （1）讀操作 在X=1、Y=1時，T5、T6和T7、T8都導(dǎo)通，觸發(fā)器和位線接通，數(shù)據(jù)線和位線也接通，這時，觸發(fā)器中存儲的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線讀出。 （2）寫操作 2.動態(tài)RAM的工作原理及特點 一個單管CMOS動態(tài)存儲單元如圖7.3.3所示，它是由一個MOS管T1和存儲電容組成。 當(dāng)字線為低電平時，T1管截止，利用

12、電容Cs上是否存有電荷來代表存儲的數(shù)據(jù)是1還是0。 (1)寫操作 字線加高電平，T1導(dǎo)通，位線上的信息通過T1存儲到電容Cs上。 （2）讀操作 3.靜態(tài)RAM與動態(tài)RAM的特點比較（1）靜態(tài)RAM：信息是存儲在觸發(fā)器中，只要供給電源，存儲器的信息就不會丟失，它無需刷新，存取速度高，因此使用方便，適用于小容量存儲。但是由于一個存儲單元由六個MOS管組成，存儲容量小，功耗大。 （2）動態(tài)RAM：它是利用MOS管的柵極電容來存儲信息，由于電容存在漏電，它存儲的信息難以長期保存，需要定時刷新，因此外圍電路復(fù)雜，使用不是很方便。但是由于組成存儲單元的元件少、電路簡單（一個存儲單元就一個MOS管），所以集

13、成度高，存儲容量大，功耗低，適用于大容量存儲。 7.3.3 RAM的容量擴(kuò)展 1.RAM的位擴(kuò)展 位擴(kuò)展時，地址線的個數(shù)不變。 2.RAM的字?jǐn)U展 字?jǐn)U展時，輸出位線的個數(shù)不變。 3.如果字?jǐn)?shù)和位數(shù)都不夠用時，則可以將字?jǐn)?shù)和位數(shù)同時進(jìn)行擴(kuò)展，組成大容量的RAM。 1. 可編程邏輯器件PLD的分類 可編程邏輯器件PLD是一種可由用戶對其進(jìn)行編程的大規(guī)模通用集成電路。 常用的PLD器件有可編程陣列邏輯PAL 可編程邏輯陣列PLA 通用陣列邏輯GAL 在系統(tǒng)可編程邏輯器件isp-PLD 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。 復(fù)雜的PLD稱為CPLD，它和FPGA可統(tǒng)稱為大容量的PLD，即HCPLD。 2. 可

14、編程邏輯器件PLD的優(yōu)點 3.PLD器件的表示方法 由于PLD器件所用的門電路輸入端可以很多，再用前面學(xué)習(xí)的門電路符號表示PLD器件內(nèi)部電路并不合適，所以在介紹PLD器件之前先給出目前被廣泛采用的一些邏輯表示方法。 （1）輸入和輸出緩沖器的邏輯表示 輸入/輸出緩沖器的常用結(jié)構(gòu)有互補(bǔ)輸出門和三態(tài)門電路，如圖所示。它們都有一定的驅(qū)動能力，所以稱為緩沖器。 （2）陣列交叉連接的邏輯表示PLD器件陣列交叉連接方式如圖所示。圖（a）表示永久性連接，又稱為硬線連接或固定連接；圖（b）表示編程連接，連接狀態(tài)由編程決定，是可編程的；圖（c）表示交叉二線沒有任何連接，稱為斷開連接。（3）與門和或門的邏輯表示 為

15、了方便邏輯圖的表達(dá)，PLD器件中與門和或門的邏輯符號表示如圖所示。 ABCY CBAY 7.4.1可編程邏輯陣列PLA 按照最簡與或表達(dá)式編程的器件稱為可編程邏輯陣列PLA，它的與陣和或陣都是可編程的。 7.4.2 可編程陣列邏輯PAL 與陣可編程而或陣不可編程的器件稱為可編程陣列邏輯PAL， 它是采用熔絲工藝的一次可編程邏輯器件。編程時按照需要將與陣中的某些熔絲燒斷，也就是說，編程是按“熔絲圖”進(jìn)行的。 編程以后的PAL電路結(jié)構(gòu)圖中有“”的交點表示熔絲保留，無“”的交點表示熔絲燒斷。以下熔絲圖實現(xiàn)輸出的邏輯函數(shù)為BCCBYBACABYBABAY012 (a)編程前的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b) 編程后的

16、內(nèi)部結(jié)構(gòu)BCCBYBACABYBABAY012 PAL的熔絲一旦燒斷便不能恢復(fù)，即一旦編程后便不能修改，因此PAL是一次性編程器件，并且需要在專用的編程器上進(jìn)行編程。由于其輸出方式固定而不能重新組態(tài)，因此它的使用也有較大的限制。PAL的品種較多，比較典型的是PAL 16L8和PAL 16R6。 7.4.3 通用陣列邏輯GAL 通用陣列邏輯GAL出現(xiàn)于80年代初，其基本結(jié)構(gòu)與PAL相同，有一個可編程的與陣和一個不可編程的或陣，但它又與PAL有所不同，GAL是EEPROM工藝的、可多次編程的器件，因此它具有可改寫性，從而降低了設(shè)計風(fēng)險；而且為了通用，GAL在或陣之后接了一個輸出邏輯宏單元OLMC。

17、 在OLMC中包含了或門、寄存器和可編程的控制電路，通過對OLMC進(jìn)行編程，可以組態(tài)出多種不同的輸出結(jié)構(gòu)（組合電路型輸出模式、寄存器輸出模式等），幾乎涵蓋了PAL的各種輸出結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成多種組合電路或時序電路。因此GAL的功能更強(qiáng)大，使設(shè)計更加靈活，器件的選擇也更方便，增強(qiáng)了器件的通用性。此外，GAL編程時需利用專用的編程器進(jìn)行編程，且在編程時可以通過設(shè)置GAL的加密位來防止非法復(fù)制，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。GAL的品種較多，比較典型的是GAL 16V8和GAL 20V8。 7.5.1 ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與或式 前面討論的PROM、EPROM、EEPROM是屬于用戶編程的邏輯器件，它們可以實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，其與陣（即地址譯碼器）是不可編程的，或陣（即存儲矩陣）是可編程的，ROM存儲了組合邏輯的真值表，或者說，ROM按標(biāo)準(zhǔn)與或式（最小項之和形式）編程。 例7.5.1 試用PROM構(gòu)成一個全加器。 用PROM實現(xiàn)的全加器如圖所示