第9章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件

第9章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件9.1只讀存儲(chǔ)器(ROM)9.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)9.3可編程邏輯器件簡(jiǎn)介主要內(nèi)容：

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件屬于大規(guī)模集成電路，目前主要用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器及其它功能模塊，在移動(dòng)通信、移動(dòng)存儲(chǔ)器等領(lǐng)域也有很廣闊的應(yīng)用前景。本章首先學(xué)習(xí)各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)、分類，了解各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理和使用方法。最后，了解可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevices，簡(jiǎn)稱PLD)的基本知識(shí)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按存取功能分類按存儲(chǔ)原理分類按制造工藝分類ROMRAM雙極型MOS型靜態(tài)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器ROMPROMEPROME2PROMFlashROM半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖9.1只讀存儲(chǔ)器（ROM）

只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種存放固定不變的二進(jìn)制數(shù)碼的存儲(chǔ)器，在正常工作時(shí)，可重復(fù)讀取所存儲(chǔ)的信息代碼，而不能改寫(xiě)存儲(chǔ)的信息代碼。斷電后，信息不會(huì)消失。9.1.1只讀存儲(chǔ)器（ROM）框圖由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、輸出緩沖器以及芯片選擇邏輯等組成。存儲(chǔ)容量：N×M位9.1.2掩膜ROM

掩膜ROM是通過(guò)掩膜工藝制造出的一種固定ROM，用戶無(wú)法改變內(nèi)部所存儲(chǔ)的信息，它具有性能可靠，大批量生產(chǎn)時(shí)成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于在制造時(shí)需要開(kāi)膜，且費(fèi)用可觀，故只有在產(chǎn)品相當(dāng)成熟且批量很大或長(zhǎng)期生產(chǎn)時(shí)才考慮使用。9.1.3熔絲式ROM（PROM）

熔絲式ROM是由用戶用專用的寫(xiě)入器將信息寫(xiě)入。如要將某位寫(xiě)入信息為0，則將該位的熔絲燒斷。如要將某位寫(xiě)入信息為1，則將該位的熔絲保留（不燒斷）。由于熔絲燒斷后不可恢復(fù)，故只能寫(xiě)入一次。它在制造時(shí)無(wú)需開(kāi)膜，適合小批量生產(chǎn)時(shí)選用。9.1.4紫外線可擦除可編程ROM（U－EPROM）EPROM是由用戶用專用的寫(xiě)入器將信息寫(xiě)入器件的ROM。與PROM不同的是，如果要更改內(nèi)部存儲(chǔ)信息，只需將此器件置于紫外線下擦除之后，用戶又可將新的信息寫(xiě)入該器件。這種器件使用較方便，但成本略高，適合小批量生產(chǎn)時(shí)選用。EPROM器件的存儲(chǔ)單元采用了浮置柵雪崩注入MOS電路，簡(jiǎn)稱為FAMOS管。FAMOS管的柵極全部被二氧化硅包圍著，沒(méi)有引出腳，如懸浮狀態(tài)，所以稱為“浮置柵”。原始的浮置柵不帶電荷，F(xiàn)AMOS管不導(dǎo)通，位線上是高電平，存儲(chǔ)的信息為1。當(dāng)FAMOS管的源極S與襯底接地、漏極D接較高電壓（大于正常工作電壓)時(shí)，漏極PN結(jié)反向擊穿產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象，使浮置柵積累電荷，F(xiàn)AMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，位線被箝在低電平，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為0。由于浮置柵被絕緣的二氧化硅包圍，電荷不會(huì)丟失，即信息也不會(huì)丟失，這種存儲(chǔ)的信息可能安全保存20年以上，但為了防止平時(shí)日光中的紫外線的照射，在其玻璃窗口上帖上黑紙。

當(dāng)EPROM置于強(qiáng)紫外光下曝光時(shí)，產(chǎn)生的光電流使所有浮置柵上的電荷返回到襯底，電荷被清除，即所有的信息皆變?yōu)?（這一過(guò)程大約為15min）。在寫(xiě)入信息時(shí)，若要使某位信息為0，即對(duì)應(yīng)該位的存儲(chǔ)單元內(nèi)浮置柵需注入電荷，可將該位對(duì)應(yīng)的漏源極間加一定大小的高電壓，使之產(chǎn)生雪崩擊穿，產(chǎn)生的熱電子穿過(guò)薄氧化層，與此同時(shí)在柵極上加一定大小的電壓，在柵極電場(chǎng)的作用下，熱電子被注入至浮置柵上，使浮置柵帶電，也就完成了寫(xiě)入信息0的操作。要使某位信息為1，由于原先EPROM內(nèi)部所有存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的信息皆為1，故對(duì)該位無(wú)需操作。EPROM的使用

目前EPROM的規(guī)格較多，常用的有2716（2K×8位），2732（4K×8位），2764（8K×8位）以及27128（16K×8位）等等，它們的工作電壓皆為+5V，但它們的編程電壓不一定相同，芯片表面的透明石英玻璃窗專供芯片作擦除操作時(shí)紫外線照射用。由于自然光中)含有一定量的紫外線，在一定時(shí)間的作用下，可能會(huì)使芯片上部分或全部信息被擦除，所以在信息寫(xiě)入后，應(yīng)用不透光紙將石英玻璃窗覆蓋，以免信息丟失。

注意：EPROM反復(fù)擦寫(xiě)的次數(shù)是有限的。EEPROM具有在線電改寫(xiě)，每個(gè)存儲(chǔ)單元可改寫(xiě)上萬(wàn)次，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)停電后數(shù)據(jù)仍需保持的場(chǎng)合。9.1.5電可擦除可編程ROM（E2PROM）E2PROM的內(nèi)部電路與EPROM電路類似，但其FAMOS中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些調(diào)整，在浮柵上增加了一個(gè)遂道二極管（實(shí)際上是在浮置柵與N型的襯底形成一層薄薄的氧化層后形成的），在編程時(shí)可以使電荷通過(guò)它流向浮柵，而擦除時(shí)可使電荷通過(guò)它流向漏極，不需要紫外線激發(fā)放電，即擦除和編程只須加電就可以完成了，且寫(xiě)入數(shù)據(jù)的電流很小。

快閃存儲(chǔ)器采用了一種類似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元，既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)，又保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性，而且集成度可以做的很高?？扉W存儲(chǔ)器的寫(xiě)入方法和EPROM相同，即利用雪崩注入的方法使浮柵充電。它的擦除操作是利用隧道效應(yīng)進(jìn)行的，在這一點(diǎn)上又類似于E2PROM寫(xiě)入0時(shí)的操作。FlashMemory具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)我浑娫?；SOP（小殼封裝）或TSOP（薄小殼封裝）；多值技術(shù)；多功能化。9.1.6快閃存儲(chǔ)器（FlashMemory）二、ROM的結(jié)構(gòu)只讀存儲(chǔ)器(ROM)的結(jié)構(gòu)：由地址譯碼器和只讀不寫(xiě)存儲(chǔ)體組成。存儲(chǔ)容量＝字線數(shù)×位線數(shù)＝N×M（位）存儲(chǔ)單元地址(1)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖m0A0A1An-1m1mim2n-1譯碼器Z0(D0)……或門(mén)Z1(D1)……或門(mén)Zb-1(Db-1)……或門(mén)……2n個(gè)與門(mén)構(gòu)成n位二進(jìn)制譯碼器,輸出2n個(gè)最小項(xiàng)。...n個(gè)輸入變量b個(gè)輸出函數(shù)或門(mén)陣列與門(mén)陣列3線-8線譯碼器8×4存儲(chǔ)單元矩陣輸出緩沖器地址碼輸入端數(shù)據(jù)輸出端字線

由地址譯碼器選中不同的字線，被選中字線上的四位數(shù)據(jù)通過(guò)輸出緩沖器輸出。

如當(dāng)?shù)刂反aA2A1A0＝000時(shí)，通過(guò)地址譯碼器，使字線P0＝1，將字線P0上的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)0000輸出，即D0～D3＝0000。

將左圖地址擴(kuò)展成n條地址線，n位地址碼可尋址2n個(gè)信息單元，產(chǎn)生字線為2n條，其輸出若是m位，則存儲(chǔ)器的總?cè)萘繛?n×m位。00010000(2)中大規(guī)模集成電路中門(mén)電路的簡(jiǎn)化畫(huà)法連上且為硬連接，不能通過(guò)編程改變編程連接，可以通過(guò)編程將其斷開(kāi)斷開(kāi)ABDCABDY&ABCY≥1與門(mén)或門(mén)簡(jiǎn)化的門(mén)陣列見(jiàn)圖6.22（1）構(gòu)成組合邏輯電路（2）碼制變換（3）用戶程序的存貯（4）用于存儲(chǔ)固定的數(shù)據(jù)、表格三、ROM的簡(jiǎn)單應(yīng)用6ROM在組合邏輯設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

例在右表中，將輸入地址A1A0視為輸入變量，而將D3、D2、D1、D0視為一組輸出邏輯變量，則D3、D2、D1、D0就是A1、A0的一組邏輯函數(shù)。圖ROM的與或陣列圖(a)框圖；(b)符號(hào)矩陣圖ROM的與或陣列圖(a)框圖；(b)符號(hào)矩陣用ROM實(shí)現(xiàn)以下邏輯函數(shù)[例2]Y1=

m(2,3,4,5,8,9,14,15）Y2=

m(6,7,10,11,14,15）Y3=

m(0,3,6,9,12,15）Y4=

m(7,11,13,14,15）A1B1C1D1m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15Y2Y3Y4Y1與陣列或陣列3用ROM實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換。

解

(1)輸入是四位二進(jìn)制碼B3~B0，輸出是四位格雷碼，故選用容量為24×4的ROM。

(2)列出四位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的真值表，如表6.10所示。由表可寫(xiě)出下列最小項(xiàng)表達(dá)式：四位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的真值表圖四位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為四位格雷碼陣列圖

參照組合邏輯函數(shù)框圖及ROM電路框圖，ROM電路的n根地址線可看作組合邏輯函數(shù)的n個(gè)輸入變量，而M根位線可看作組合邏輯函數(shù)的M個(gè)輸出變量，由于任一組合邏輯函數(shù)均可用最小項(xiàng)與或式表示，而ROM中的地址譯碼器則形成了n個(gè)輸入變量的所有最小項(xiàng)，即實(shí)現(xiàn)了邏輯變量的“與運(yùn)算”，ROM中的存儲(chǔ)矩陣則實(shí)現(xiàn)了最小項(xiàng)的“或運(yùn)算”。所以只要將該函數(shù)最小項(xiàng)表達(dá)式中最小項(xiàng)值（1、0）寫(xiě)入ROM中的存儲(chǔ)矩陣，便實(shí)現(xiàn)了該組合邏輯函數(shù)。于是，便可用ROM電路實(shí)現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換、函數(shù)運(yùn)算、字符發(fā)生等函數(shù)。9.1.7用ROM電路實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)存儲(chǔ)器狀態(tài)表示

為了便于表示存儲(chǔ)器的狀態(tài)通常使用下圖來(lái)表示，其中小圓點(diǎn)表示該交叉點(diǎn)存放了數(shù)據(jù)，沒(méi)有小圓點(diǎn)表示沒(méi)有存放數(shù)據(jù)（存放的數(shù)據(jù)可以是0，也可以是1，不同的存儲(chǔ)器型號(hào)有所區(qū)別，下圖中對(duì)應(yīng)的小圓點(diǎn)存放的數(shù)據(jù)為1）。示例1：用ROM實(shí)現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。F3=∑m(5,6,7,8,9)

F2=∑m(1,2,3,4,9)

F1=∑m(0,3,4,7,8)

F0=∑m(0,2,4,6,8)示例1：用ROM實(shí)現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。F3=∑m(5,6,7,8,9)

F2=∑m(1,2,3,4,9)

F1=∑m(0,3,4,7,8)

F0=∑m(0,2,4,6,8)9.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）9.2.1RAM工作原理可以隨時(shí)對(duì)指定地址RAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作。RAM有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。靜態(tài)RAM：結(jié)構(gòu)類似ROM，存儲(chǔ)單元由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，一旦觸發(fā)器被置數(shù)，在不斷電情況下，它的狀態(tài)將被保持到下一次數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，在這期間，讀觸發(fā)器的狀態(tài)不會(huì)改變觸發(fā)器狀態(tài)，即它可在不斷電的情況下反復(fù)高速讀寫(xiě)，無(wú)限制。動(dòng)態(tài)RAM：存儲(chǔ)單元是由電容存儲(chǔ)電荷來(lái)記憶信息的，考慮到集成度，這些電容容量都很小，而與這些電容相連器件的輸入電阻總是一個(gè)有限的高阻，所以在這些電容上的電荷存在放電現(xiàn)象。為了維持電容上記憶的信息，需在一定的時(shí)間內(nèi)不斷刷新存儲(chǔ)單元。所以動(dòng)態(tài)RAM在使用上不如靜態(tài)RAM方便，但它的集成度比靜態(tài)RAM高，且價(jià)格相對(duì)較低。9.2.2RAM的應(yīng)用1.系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)保護(hù)

在有些應(yīng)用場(chǎng)合，不僅要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不斷變化的數(shù)據(jù)作即時(shí)記憶，并且當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)能將當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)保存下來(lái)。顯然，對(duì)于前一要求，RAM是符合的，但RAM是易失性器件，它所保存的有效信息在斷電后會(huì)立即丟失。然而由于低功耗靜態(tài)RAM的出現(xiàn)使得用鋰電池（或可充電電池）來(lái)進(jìn)行斷電數(shù)據(jù)保護(hù)成為可能（一節(jié)3V鋰電池可維持一片62256（32K×8位）芯片大約三年以上數(shù)據(jù)不丟失）。9.2.2RAM的應(yīng)用1.系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)保護(hù)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免系統(tǒng)在失電的瞬間可能對(duì)RAM的誤寫(xiě)，硬件上還需對(duì)片選端加以控制，可參閱有關(guān)資料。2.存儲(chǔ)器的擴(kuò)展使用

在實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用中，有時(shí)現(xiàn)有的單片RAM的字線或位線會(huì)不夠，這就需要用幾片RAM進(jìn)行擴(kuò)展以滿足實(shí)際的要求。擴(kuò)展有字線擴(kuò)展和位線擴(kuò)展（根據(jù)實(shí)際需要），一般用增加地址線經(jīng)譯碼后作為片選信號(hào)進(jìn)行字線的擴(kuò)展。對(duì)于位線的擴(kuò)展，可采用各單片RAM的相同地址線并聯(lián)，于是輸出線也就被擴(kuò)展了。對(duì)于ROM的擴(kuò)展，方法與RAM相同。1K×4位→2K×8位9.3可編程邏輯器件簡(jiǎn)介9.3.1概述可編程邏輯器（ProgrammableLogicDevices，簡(jiǎn)稱PLD）是一種“與或”陣列可編程器件；最終邏輯結(jié)構(gòu)和功能由用戶編程決定；分類：PROM，PAL，GAL等。

PLD器件的使用可使系統(tǒng)硬件體積大大減少，降低功耗和成本，提高系統(tǒng)可靠性，并且具有一定的保密性、靈活性；能很好地解決大規(guī)模集成電路的通用性和專用性這一對(duì)矛盾；有些PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計(jì)一般數(shù)字系統(tǒng)的需要。9.3.2可編程陣列邏輯（PAL）

將“或陣列”固定，而使“與陣列”可編程，這種器件稱為可編程陣列邏輯（ProgrammableArrayLogic，簡(jiǎn)稱PAL）。一般PAL器件只能用來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路，也有帶有觸發(fā)器和反饋線結(jié)構(gòu)的PAL器件，它可用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路。9.3.3通用陣列邏輯器件（GAL）

由于PAL器件的輸出電路結(jié)構(gòu)類型繁多，給使用者帶來(lái)不便，于是便產(chǎn)生了一種新型的通用陣列邏輯器件（GenericArrayLogic，簡(jiǎn)稱GAL）。1.GAL器件的特點(diǎn)

(1)每個(gè)輸出引腳都有輸出邏輯宏單元OLMC，允許使用者根據(jù)需要來(lái)定義每個(gè)輸出的結(jié)構(gòu)和功能。

(2)由于采用了EEPROM結(jié)構(gòu)，其重復(fù)編程次數(shù)可達(dá)100次以上，擦除和編程僅需幾秒鐘。