《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第5版》 課件 第8章 存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件

1第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件2目錄8.1概述8.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器8.2.1存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)8.2.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器8.2.3只讀存儲(chǔ)器8.2.4存儲(chǔ)器擴(kuò)展8.2.5綜合應(yīng)用8.3可編程邏輯器件

38.1存儲(chǔ)器概述按讀寫功能分為：只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器ROM固定ROM（又稱掩膜ROM）可編程ROM可編程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）電子可擦除EPROM（E2PROM）快閃存儲(chǔ)器RAM靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）4按信息的可保存性分為：易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。對(duì)存儲(chǔ)器的操作（也稱為訪問）通常分為兩類：讀操作和寫操作。讀操作是從存儲(chǔ)器中取出其存儲(chǔ)信息的過程；寫操作是把信息存入到存儲(chǔ)器的過程。8.1存儲(chǔ)器概述58.2.1存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)主要包括存儲(chǔ)容量、存取速度、可靠性、功耗、工作溫度范圍和體積等。存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，單位為位或比特（bit）。存儲(chǔ)器中的一個(gè)基本存儲(chǔ)單元能存儲(chǔ)1bit的信息，也就是可以存入一個(gè)0或一個(gè)1，所以存儲(chǔ)容量就是該存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)單元的總數(shù)。6一個(gè)內(nèi)有8192個(gè)基本存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為8kbit（1k=210=1024）；一個(gè)存儲(chǔ)器有10根地址線，如果每次可以讀（寫）8位二值碼，說明它可以存儲(chǔ)1k個(gè)字，每字為8位，這時(shí)的存儲(chǔ)容量也可以用1k

8位來表示。也就是說，n根地址線，m位數(shù)據(jù)線的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為2nm位。8.2.1存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)78.2.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，又稱為讀寫存儲(chǔ)器。在工作過程中，既可從RAM的任意單元讀出信息，又可以把外部信息寫入任意單元。它具有讀、寫方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于具有易失性，所以不利于數(shù)據(jù)的長期保存。8根據(jù)存儲(chǔ)單元工作原理的不同，RAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAMSRAM的數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)就能保存，但其集成度受到限制。DRAM一般采用MOS管的柵極電容來存儲(chǔ)信息，必須由刷新電路定期刷新，但集成度高。8.2.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器91.RAM的結(jié)構(gòu)RAM電路通常由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路3部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。102114RAM的結(jié)構(gòu)框圖：10根地址線，4根數(shù)據(jù)線1.RAM的結(jié)構(gòu)112114RAM的工作模式122.靜態(tài)存儲(chǔ)單元RAM的存儲(chǔ)單元分為靜態(tài)存儲(chǔ)單元和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元兩種。靜態(tài)存儲(chǔ)單元是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成的。靜態(tài)存儲(chǔ)單元又分為MOS型和雙極型兩類。由于CMOS集成電路最顯著的特點(diǎn)是靜態(tài)功耗小，因此其存儲(chǔ)單元在RAM中得到了廣泛應(yīng)用。136管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元

V1、V2和V3、V4組成的基本RS觸發(fā)器，用以存儲(chǔ)二值信息。V5、V6、V7和V8為門控管。當(dāng)X、Y都為1時(shí)，門控管導(dǎo)通，此單元被選中，并與數(shù)據(jù)線接通，可以執(zhí)行讀/寫操作。靜態(tài)存儲(chǔ)單元存在的問題：1）是靠觸發(fā)器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，功耗較大。2）由于每個(gè)單元要用多個(gè)管子，芯片的面積較大。144管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元（1）電路組成數(shù)據(jù)信息以電荷的形式存儲(chǔ)在柵極電容C1和C2上，它們的電壓控制V1和V2的導(dǎo)通和截止，以決定存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)1或存儲(chǔ)0。

V5、V6是位線上分布電容預(yù)充電的門控開關(guān)。15寫操作時(shí)，當(dāng)X、Y同時(shí)為高電平，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)通過V7和V8管傳到位線上，再經(jīng)過V3、V4管將數(shù)據(jù)存入C1和C2中。00011（2）工作原理1）寫操作

16（2）工作原理2）讀操作

17假設(shè)存儲(chǔ)單元為0狀態(tài)，即V1導(dǎo)通，V2截止，D1輸出為0，D2輸出為1，這時(shí)CB放電，使位線B變?yōu)榈碗娖?。同時(shí)，另一位線保持高電平不變。這樣，就把存儲(chǔ)單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)線D上。位線的預(yù)充電非常重要。00（2）工作原理2）讀操作

188.2.3只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM是存儲(chǔ)固定信息的存儲(chǔ)器件，在正常工作時(shí)ROM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)固定不變，只能讀出，不能隨時(shí)寫入，故稱為只讀存儲(chǔ)器。ROM為非易失性器件，當(dāng)器件斷電時(shí)，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。只讀存儲(chǔ)器按數(shù)據(jù)的寫入方式分為固定ROM、可編程ROM（PROM）和可擦除可編程ROM（EPROM）。19固定ROM所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)已由生產(chǎn)廠家在制造時(shí)用掩模板確定，用戶無法進(jìn)行更改，所以也稱掩模編程ROM。可編程ROM在出廠時(shí)，存儲(chǔ)內(nèi)容全為1或全為0，用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行編程，但只能寫入一次，一旦寫入則不能再修改。EPROM具有較強(qiáng)的靈活性，它存儲(chǔ)的內(nèi)容既可按用戶需要寫入，也可以擦除后重新寫入。包括用紫外線擦除的PROM、電信號(hào)擦除PROM和快閃存儲(chǔ)器。8.2.3只讀存儲(chǔ)器201.ROM的結(jié)構(gòu)ROM具有與RAM相似的電路結(jié)構(gòu)，一般而言，它由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和輸出緩沖器3部分組成。ROM存儲(chǔ)單元可以由二極管、雙極型晶體管或者M(jìn)OS管構(gòu)成。21二極管ROM具有2位地址輸入和4位數(shù)據(jù)輸出的二極管ROM電路如圖所示D0～D3：位線（數(shù)據(jù)線）A1、A0：地址線W0～W3：字線輸出端采用三態(tài)緩沖器22二極管ROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表00W0=1D’0=1D’3=001010101地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D00

00

11

01

10

1

0

11

0

1

10

1

0

11

1

0

023在存儲(chǔ)矩陣中字線與位線的每一個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)存儲(chǔ)單元，在交叉點(diǎn)上接有二極管相當(dāng)于存儲(chǔ)1，沒有接二極管則相當(dāng)于存儲(chǔ)0。交叉點(diǎn)的數(shù)目也就是存儲(chǔ)單元數(shù)，即為存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為22×4。二極管ROM242.可編程ROMPROM出廠時(shí)，制作的是一個(gè)完整的二極管或晶體管存儲(chǔ)矩陣，圖中所有的存儲(chǔ)單元相當(dāng)于全部存入1。在編程時(shí)，如果需要某存儲(chǔ)單元存入0，可通過編程器熔化該存儲(chǔ)單元的熔絲。PROM為一次性編程器件，一旦編程后不可再進(jìn)行修改。X253.EPROM當(dāng)需要對(duì)ROM進(jìn)行多次編程時(shí)，可采用的器件為可擦除可編程ROM，即EPROM。EPROM一般指用紫外線擦除的可編程ROM（UVEPROM）EPROM芯片的封裝外殼通常裝有透明的石英蓋板。不裝透明石英蓋板EPROM，只能寫入一次，也稱一次性編程存儲(chǔ)器OTPROM。264.E2PROMUVEPROM其擦除操作復(fù)雜、需離線進(jìn)行，并且擦除速度慢。E2PROM可以用電信號(hào)擦除，而可在線重新寫入，并且也具有非易失性。E2PROM其擦除和寫入的時(shí)間仍很長，芯片正常工作時(shí)仍只能用作ROM。275.快閃存儲(chǔ)器閃存是目前最常見的EPROM，它已廣泛用于計(jì)算機(jī)主板、顯卡及網(wǎng)卡等擴(kuò)展卡的BIOS存儲(chǔ)器上。而現(xiàn)在各種郵票尺寸的存儲(chǔ)卡，包括CF，SM，MMC，MS，還有各種鑰匙鏈大小的USB移動(dòng)硬盤/USBDrive/優(yōu)盤，內(nèi)部用的都是閃存。閃存采用快閃疊柵MOS管作為存儲(chǔ)單元。286.ROM的應(yīng)用舉例由于ROM是一種組合邏輯電路，因此可以用它來實(shí)現(xiàn)各種組合邏輯函數(shù)，特別是多輸入、多輸出的邏輯函數(shù)。設(shè)計(jì)方法列出其真值表或?qū)⒈磉_(dá)式轉(zhuǎn)換成最小項(xiàng)的和的形式將ROM地址線作為輸入，數(shù)據(jù)線作為輸出，根據(jù)表達(dá)式接入存儲(chǔ)器件。298.2.3只讀存儲(chǔ)器6.ROM的應(yīng)用舉例

【例8-1】用ROM實(shí)現(xiàn)以下多輸出函數(shù)，并畫出其存儲(chǔ)矩陣連接圖。30ROM是一種多輸入多輸出組合邏輯電路，其輸出為輸入的最小項(xiàng)，因此可以用它來實(shí)現(xiàn)任何組合邏輯函數(shù)。設(shè)計(jì)方法列出其真值表或?qū)⒈磉_(dá)式轉(zhuǎn)換成最小項(xiàng)的和的形式將ROM地址線作為邏輯函數(shù)的輸入，數(shù)據(jù)線作為邏輯函數(shù)的輸出，根據(jù)表達(dá)式接入存儲(chǔ)器件。6.ROM的應(yīng)用舉例

31【例題】用ROM實(shí)現(xiàn)以下多輸出函數(shù)，并畫出其存儲(chǔ)矩陣連接圖。6.ROM的應(yīng)用舉例（1）選用合適的ROM多輸出函數(shù)：4個(gè)輸入變量和2個(gè)輸出變量選用24×2位的ROM來實(shí)現(xiàn)該電路。32【例題】用ROM實(shí)現(xiàn)以下多輸出函數(shù)，并畫出其存儲(chǔ)矩陣連接圖。6.ROM的應(yīng)用舉例（2）將函數(shù)表示成最小項(xiàng)的和的形式33（3）畫出ROM存儲(chǔ)矩陣連接圖6.ROM的應(yīng)用舉例以圓點(diǎn)代替存儲(chǔ)器件，當(dāng)接入存儲(chǔ)器件時(shí)代表存入1，未接入器件代表存入0。6.ROM的應(yīng)用舉例用ROM設(shè)計(jì)兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)的全減器，如何選用ROM？兩個(gè)一位二進(jìn)數(shù)的全減器：3個(gè)輸入變量和2個(gè)輸出變量選用23×2位的ROM來實(shí)現(xiàn)該電路。358.2.4存儲(chǔ)器擴(kuò)展當(dāng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種方式。位擴(kuò)展是對(duì)數(shù)據(jù)線數(shù)目進(jìn)行擴(kuò)展。字?jǐn)U展是對(duì)地址線數(shù)目進(jìn)行擴(kuò)展。361.存儲(chǔ)器位擴(kuò)展當(dāng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)位數(shù)不滿足要求時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行位擴(kuò)展，即增加I/O線數(shù)量。位擴(kuò)展方法1）將其讀/寫信號(hào)控制線、片選線和地址線連接在一起。2）將數(shù)據(jù)線并行輸出。37【例8-2】2764為8k×8位EPROM。

試用2764存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)一片8k×16位的EPROM。兩者具有相同數(shù)量的地址線后者的數(shù)據(jù)線比前者多1倍。因此采用2片2764進(jìn)行位擴(kuò)展，便可獲得所需要的EPROM。1.存儲(chǔ)器位擴(kuò)展382片2764EPROM實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展接線圖1.存儲(chǔ)器位擴(kuò)展392.存儲(chǔ)器字?jǐn)U展當(dāng)存儲(chǔ)器的地址線數(shù)量不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用字?jǐn)U展方式，即增加地址線數(shù)量。字?jǐn)U展方法1）將各芯片數(shù)據(jù)線、讀/寫控制線、低位地址線連接在一起2）要增加的高位地址線，通過譯碼電路進(jìn)行譯碼后分別接至各片的片選控制端3)位線連接在一起40【例8-3】

試用圖2764設(shè)計(jì)一片16k×8位EPROM。2.存儲(chǔ)器字?jǐn)U展418.2.4存儲(chǔ)器擴(kuò)展【例8-4】2114是1k×4位SRAM，試用該器件設(shè)計(jì)一片2k×8的SRAM。當(dāng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種方式。位擴(kuò)展是對(duì)數(shù)據(jù)線數(shù)目進(jìn)行擴(kuò)展。字?jǐn)U展是對(duì)地址線數(shù)目進(jìn)行擴(kuò)展。423.存儲(chǔ)器字和位同時(shí)擴(kuò)展當(dāng)存儲(chǔ)器的地址線和數(shù)據(jù)線數(shù)量均不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可同時(shí)對(duì)其進(jìn)行字和位進(jìn)行擴(kuò)展。【例8-4】2114是1k×4位SRAM，試用該器件設(shè)計(jì)一片2k×8的SRAM。分析：所設(shè)計(jì)的SRAM地址線比2114多一根，數(shù)據(jù)線比2114多一倍。因此，需進(jìn)行字和位的同時(shí)擴(kuò)展。共需2114芯片數(shù)量為：434片2114實(shí)現(xiàn)字和位擴(kuò)展的接線圖用2114（1k×4）如何設(shè)計(jì)4k×43.存儲(chǔ)器字和位同時(shí)擴(kuò)展443.存儲(chǔ)器字和位同時(shí)擴(kuò)展當(dāng)存儲(chǔ)器的地址線和數(shù)據(jù)線數(shù)量均不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可同時(shí)對(duì)其進(jìn)行字和位的擴(kuò)展。【例8-4】2114是1k×4位S