電工學(xué)下第七版秦曾煌版存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件

1、第22章存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件 22.1 只讀存儲(chǔ)器22.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器22.3 可編程邏輯器件 本章要求1.了解ROM, RAM, PROM, EPROM 和ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理及功能的區(qū)別。第22章存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件2.了解常用可編程邏輯器件在實(shí)際中的應(yīng)用。3. 會(huì)用可編程邏輯器件構(gòu)成簡(jiǎn)單的邏輯函數(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類:按功能只讀存儲(chǔ)器(ROM 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM 按元件雙極型存儲(chǔ)器:速度快,功耗大。MOS型存儲(chǔ)器:速度較慢,功耗小,集成度高。22.1只讀存儲(chǔ)器22.1.1 ROM 的結(jié)構(gòu)框圖只讀存儲(chǔ)器(ROM ,它存儲(chǔ)的信息是固定不變的。工作時(shí),只能讀出信息,不能隨時(shí)寫入信息。

2、圖22.1.1 ROM 的結(jié)構(gòu)框圖存儲(chǔ)輸出讀出電路存儲(chǔ)矩陣地址譯碼器N ×M 位線(數(shù)據(jù)線字線(選擇線地址輸入A N-1A 1A 0.W 0W 1W nN-1D M-1D 0D 1.表示存儲(chǔ)容量ROM 主要結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)矩陣地址譯碼器1.存儲(chǔ)矩陣:由存儲(chǔ)單元構(gòu)成,一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)碼“1或“0。存儲(chǔ)器是以字為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的。圖22.1.1中有N×M 個(gè)存儲(chǔ)單元。2.地址譯碼器:為了存取的方便,給每組存儲(chǔ)單元以確定的標(biāo)號(hào),這個(gè)標(biāo)號(hào)稱為地址。圖22.1.1中,W0W N-1稱為字單元的地址選擇線,簡(jiǎn)稱字線;地址譯碼器根據(jù)輸入的代碼從WW N-1條字線中選擇一條字線,確定與地

3、址代碼相對(duì)應(yīng)的一組存儲(chǔ)單元位置。被選中的一組存儲(chǔ)單元中的各位數(shù)碼經(jīng)位線DD M-1傳送到數(shù)據(jù)輸出端。22.1.2 ROM 的工作原理圖22.1.2二極管ROM 電路11A 0A 1字線位線讀出電路地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)輸出地址輸入W 0W 1W 2W 3D 0D 1D 2D 3A 1A 0+U A 0A 1存“1存“0(1 存儲(chǔ)矩陣22.1.2 ROM 的工作原理1. 二極管構(gòu)成的ROM 的工作原理圖中的存儲(chǔ)矩陣有四條字線和四條位線。共有十六個(gè)交叉點(diǎn),每個(gè)交叉點(diǎn)都可看作一個(gè)存儲(chǔ)單元。交叉點(diǎn)處接有二極管時(shí),相當(dāng)于存“1;交叉點(diǎn)處沒有接二極管時(shí),相當(dāng)于存“0;如:字線W 0與位線有四個(gè)交叉點(diǎn),其中

4、與位線D 0和D 2交叉處接有二極管。當(dāng)選中W 0(為高電平字線時(shí),兩個(gè)二極管導(dǎo)通,使位線D 0和D 2為“1,這相當(dāng)于接有二極管的交叉點(diǎn)存“1。22.1.2 ROM的工作原理交叉點(diǎn)處沒有接二極管處,相當(dāng)于存“0;位線D1和D3為“0,這相當(dāng)于沒接有二極管的交叉點(diǎn)存“0。ROM的特點(diǎn):存儲(chǔ)單元存“0還是存“1是在設(shè)計(jì)和制造時(shí)已確定,不能改變;而且存入信息后,即使斷開電源,所存信息也不會(huì)消失,所以ROM 也稱固定存儲(chǔ)器。(2 地址譯碼器圖中是一個(gè)二極管譯碼器,兩位地址代碼A1A0可指定四個(gè)不同的地址。22.1.2 ROM 的工作原理四個(gè)地址的邏輯式分別為:10A A W =011A A W =0

5、12A A W =013A A W =地址譯碼器特點(diǎn):(1N 取一譯碼:即N 條字線中,每次只能選中一條字線。圖示電路為四選一譯碼。(2最小項(xiàng)譯碼:n 個(gè)地址輸入變量A 0A n 最小項(xiàng)的數(shù)目為N=2n 。圖示電路最小項(xiàng)為四個(gè)。地址譯碼器是一個(gè)“與”邏輯陣列22.1.2 ROM 的工作原理表22.1.1 N 取一譯碼及ROM 存儲(chǔ)內(nèi)容地址碼01A A A 0A 10 00 1 1 01 1最小項(xiàng)及編號(hào)N 取一譯碼存儲(chǔ)內(nèi)容W 0W 1W 2W 3D 0D 1D 2D 3m 0m 1m 2m 301A A 01A A 01A A 0 0 0 1 0 1 0 10 0 10 1 0 1 10 10

6、0 0 1 0 010 0 0 1 1 1 0從圖22.1.2中可看出:地址譯碼器是一個(gè)“與”邏輯陣列010A A W =011A A W =012A A W =013A A W =11A 0A 1字線位線讀出電路地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣地址輸入W 0W 1W 2W 3D 0D 1D 2D 3A 1A 0+UA 0A 122.1.2 ROM 的工作原理000 0 01導(dǎo)通0 1 0 1導(dǎo)通22.1.2 ROM 的工作原理存儲(chǔ)矩陣是一個(gè)“或”邏輯陣列100W W D +=311W W D +=320W W W D +=2313W W D +=W 3=A 1A 0m 3m 2W 2=A 1Am 1W 1

7、=A 1A 0m 0W 0=A 1A 0A 0A 1地址譯碼器D 3D 2D 1D 0圖22.1.3 簡(jiǎn)化的ROM 存儲(chǔ)矩陣陣列圖有二極管無二極管2. 雙極型晶體管和MOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的存儲(chǔ)矩陣圖22.1.4 雙極型存儲(chǔ)矩陣存“1存“0D 3D 2D 1D 0W 2W 1W 0+U DDW 32. 雙極型晶體管和MOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的存儲(chǔ)矩陣1000選中1 1 0 1D D D D W 2W 1W 0+U DDW 3導(dǎo)通1 D31D21D11D0W0 W1 W2 W3負(fù)載管+U DD 圖22.1.5 MOS型存儲(chǔ)矩陣1000選中0 0 1 01 1 0 1導(dǎo)通1. ROM 構(gòu)成的全加器在數(shù)字

8、系統(tǒng)中ROM 的應(yīng)用十分廣泛,如組合邏輯、波形變換、字符產(chǎn)生以及計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)等。輸入變量A 加數(shù)B 加數(shù)C 0 低位進(jìn)位數(shù)輸出變量S 本位和C 0 向高位進(jìn)位數(shù)A B C0十進(jìn)制最小項(xiàng)被選中字線最小項(xiàng)編號(hào)位線S C0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 101234567A B C0A B C0ABA C0AC0B C0BC0A BB C0AC0BAW0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70 01 01 00 11 00 10 11 1表22.1.2全加器邏輯狀態(tài)及三變量最小項(xiàng)編碼

9、根據(jù)表22.1.2可得:74210000m m m m C B A C B A C B A C B A S +=+=76530000m m m m C B A C B A C B A C B A C +=+=W O m 0W 1m 1W 2m 2W 3m 3W 4m 4W 5m 5W 6m 6W 7m 7S CAB C最小項(xiàng)譯碼器0C B A 0C B A 0C B A 0C B A 0C B A 0C B A 0C B A 0C B A 圖22.1.6 ROM 構(gòu)成的全加器地址輸入A n-1A 0A 1地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣數(shù)據(jù)線讀寫/控制電路讀/寫控制(R /W 片選(CS 輸入/輸出I/O.

10、22.2.1 RAM 的結(jié)構(gòu)和工作原理圖22.2.1 RAM 的結(jié)構(gòu)框圖1. 存儲(chǔ)矩陣:由存儲(chǔ)單元構(gòu)成,一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)碼“1或“0。與ROM不同的是RAM存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)不是預(yù)先固定的,而是取決于外部輸入信息,其存儲(chǔ)單元必須由具有記憶功能的電路構(gòu)成。2. 地址譯碼器:也是N取一譯碼器。3. 讀/寫控制電路:當(dāng)R/W=1時(shí),執(zhí)行讀操作,R/W=0時(shí),執(zhí)行寫操作。4. 片選控制:當(dāng)CS=0時(shí),選中該片RAM工作,CS=1時(shí)該片RAM不工作。22.2.2 2114靜態(tài)RAMMOS型RAM 靜態(tài)RAM:管子數(shù)目多,功耗大,但只要不斷電,信息就永久保存。動(dòng)態(tài)RAM:集成度高,功耗小,但必須定

11、期給電容補(bǔ)充電荷,以防存儲(chǔ)信息的丟失。一般情況下,大容量的存儲(chǔ)器使用動(dòng)態(tài)RAM;小容量的存儲(chǔ)器使用靜態(tài)RAM。9GNDCS8A 27A 16A 05A 34A 43A 52A 61I/O 0A 9A 8A 7U CC 121011141315161718I/O 1I/O 2I/O 3R/WR A M 2114圖22.2.2 RAM2114外引線排列圖容量:1024字 4位地址線:A 9A 0(210=1024數(shù)據(jù)線:I/O 3 I/O 0 圖22.2.3 RAM2114位數(shù)擴(kuò)展將幾片的地址端、R/W 端、CS 端并接在一起A 9 A 0R /W CSRAM2114(1I/O 3I/O 7I/O

12、 6I/O 2IO/5I/O 1I/O 4I/O 0A 9 A 0R /W CSI/O 3I/O 2RAM2114(2I/O 1I/O 0I/O 0I/O 3I/O 2I/O 1高四位低四位A 9A 0R/W CS 地址碼A 11 A 0組成4096字 4位的RAM圖22.2.3 RAM2114字?jǐn)?shù)擴(kuò)展.RAM 21114(1I/O (2I/O(3I/O(4I/OA 11A 10A 11A 102/4線譯碼器R/WA 0A 9I/O 3I/O 2I/O 1I/O 0A 11A 10A 11A 10A 11A 10A 9 A 0R/W CS A 9 A 0R/W CS A 9 A 0R/W CS

13、A 9 A 0R/W CS圖22.2.3 RAM2114字?jǐn)?shù)擴(kuò)展.RAM 21114(1I/O (2I/O(3I/O (4I/OA 11A 10A 11A 102/4線譯碼器R /WA 0A 9I/O 3I/O 2I/O 1I/O 0A 11A 10A 11A 10A 11A 10A 9 A 0R /W CS A 9 A 0R /W CS A 9 A 0R /W CSA 9 A 0R /W CS選中可編程邏輯器件(PLD 它是由用戶自行定義功能(編程的一類邏輯器件的總稱。圖22.3.1 PLD 的結(jié)構(gòu)框圖輸入電路"與"陣列"或"陣列輸出電路.22.3可編

14、程邏輯器件PLD 中常用邏輯符號(hào)的含義在圖(a中, 多個(gè)輸入端“與”門只用一根輸入線表示,稱乘積線。輸入變量A、B、C的輸入線和乘積線的交點(diǎn)有三種情況:(1黑點(diǎn)“表示該點(diǎn)為固定連接點(diǎn),用戶不能改變。(2叉點(diǎn)“”表示該點(diǎn)為用戶定義編程點(diǎn),出廠時(shí)此點(diǎn)是接通的, 用戶可根據(jù)需要斷開或保持接通。(3既無黑點(diǎn)“也無叉點(diǎn)“”時(shí),表示該點(diǎn)是斷開的或編程時(shí)擦除的,其對(duì)應(yīng)的變量B不是“與”門的輸入量。A B C&YY=AC(aA CB1Y(bY=A+C1Y(cY1=A Y2=AAY1Y2圖22.3.2 PLD 陣列中的邏輯符號(hào)22.3.1 可編程只讀存儲(chǔ)器1.一次編程性只讀存儲(chǔ)器(PROM 廠家制造PR

15、OM時(shí),使存儲(chǔ)矩陣(“或”陣列的所有存儲(chǔ)單元的內(nèi)容全為“1(或“0,用戶可根據(jù)自己的需要自行確定存儲(chǔ)單元的內(nèi)容。字線存儲(chǔ)“1熔斷絲存儲(chǔ)“0位線圖22.3.3 由二極管和熔斷絲構(gòu)成的存儲(chǔ)單元圖22.3.4 PROM 的陣列圖A 211A 11A 0&&&&&&&&1D 2D 11D 01"或"陣列"與"陣列W O W 1W 2W 3W 4W 5W 6W 7固定“與”陣列可編程“或”陣列例1: 圖22.3.5是用PROM 構(gòu)成的階梯波信號(hào)發(fā)生器,輸出電壓u 0的波形由P 圖。ROM 存儲(chǔ)的內(nèi)容決

16、定。今需生產(chǎn)圖22.3.6所示階梯波信號(hào),試列出PROM 的編碼表并畫出PROM 的編程陣列。說明:圖中電子開關(guān)由PROM 位線電平控制,當(dāng)D=1時(shí),開關(guān)接基準(zhǔn)電壓-U R ;當(dāng)D=0時(shí),開關(guān)接地。解:(1根據(jù)反相加法運(yùn)算電路可得出階梯波電壓u 024(8I0I1I2I3u u u u +-=248(I0I1I2I30u RR u R/R u R/R u R/R u +-=R012324(8U D D D D +-=u 10R R /2u 11R /4u 12R /8u 13A 0D 0D 1A 1D 2A 2D 3A 3PROM 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器C U R R R 2+-u 0R D電子開關(guān)圖2

17、2.3.5 用PROM 構(gòu)成階梯波發(fā)生器u O102345678910111213141516C4U R8U R 圖22.3.6 階梯波u o C 01234567A 0表22.3.1 PROM 的編程表91011128A 1A 2A 3D 0D 1D 2D 30 0 0 0 0 1 0 00 0 0 1 0 1 0 10 0 1 0 0 1 1 00 0 1 1 0 1 1 10 1 0 0 1 0 0 00 1 0 1 0 1 1 10 1 1 0 0 1 1 00 1 1 1 0 1 0 11 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 01

18、0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 04U R 5U R 6U R 7U R 8U R 7U R 6U R 5U R 4U R 2U R 1U R 03U R (2由電壓u 0的關(guān)系式及其波形列出PROM 的編程表1 1 1 1m 151 1 1 0m 14 1 1 0 1m 13 1 1 0 0m 12 1 0 1 1m 111 0 1 0m 101 0 0 1m 91 0 0 0m 80 1 1 1m 70 1 1 0m 60 1 0 1m 50 1 0 0m 40 0 1 1m 30 0 1 0m 20 0 0 1m 10 0 0 0m 0A 3A 2A 1A 0D

19、3D 2D 1D 0地址譯碼器圖22.3.7 PROM 陣列圖(3由PROM 編程表畫出PROM 的編程陣列圖例2:試用PROM 產(chǎn)生一組邏輯函數(shù)。C A Y =0CB A Y =1DC BD C B A D C B A Y +=2解:(1由于PROM 的地址譯碼器是固定的最小項(xiàng)“與”陣列,所以需將Y 0 Y 2各式化為最小項(xiàng)形式。76320(m m m m D C B A CD B A D BC A BCD A D D C B A D D BC A B B C A Y +=+=+=+=13121(m m D C B A D C B A D D C AB Y +=+=+=1410762(m m

20、 m m D BC A D ABC BCD A D C B A A A D BC BCD A D C B A Y +=+=+=(3由Y 0Y 2最小項(xiàng)畫出PROM 的編程陣列圖圖22.3.8用PROM 產(chǎn)生一組邏輯函數(shù)固定“與”陣列DC B A A 11B1C1DY 0Y 1Y 2m 2m 3m 6m 7m 10m 12m 13m 14可編程“或”陣列1312m m2. 可改寫型只讀存儲(chǔ)器(EPROMPROM只能一次編程,而EPROM則可多次擦去并重新寫入新內(nèi)容。擦除方法:在EPROM器件外殼上有透明的石英窗口,用紫外線(或X射線照射,即可完成擦除操作。3. 電可改型只讀存儲(chǔ)器(EEPROM盡管EPROM能實(shí)現(xiàn)擦除重寫的目的,但由于紫外線照射時(shí)間和照度均有