第11章存儲器

1、10/20/2021第二篇第二篇11.2 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 11.1 隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（ram）第二篇第二篇10/20/2021第二篇第二篇存儲矩陣存儲矩陣讀讀寫寫控控制制器器行行地地址址譯譯碼碼器器列地址譯碼器m位位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2nmr/wcs輸出控制輸出控制n位位地址碼地址碼第第2頁頁第第2頁頁 第第2頁頁第第2頁頁 由于集成度的限制，通常要把許多片由于集成度的限制，通常要把許多片ram組裝組裝在一起構(gòu)成一臺計算機的存儲器。當在一起構(gòu)成一臺計算機的存儲器。當cpu訪問存儲器訪問存儲器時，存儲器中只允許一片時，存儲器中只允許一片ram中的一個地址與中的一個地址與cpu交

2、換信息，其它片交換信息，其它片ram不能與不能與cpu發(fā)生聯(lián)系，所謂發(fā)生聯(lián)系，所謂片選就是實現(xiàn)這種控制的。通常一片片選就是實現(xiàn)這種控制的。通常一片ram有一根或有一根或幾根片選線，當某一片的片選線為有效電平時，則該幾根片選線，當某一片的片選線為有效電平時，則該片被選中，地址譯碼器的輸出信號控制該片某個地址片被選中，地址譯碼器的輸出信號控制該片某個地址與與cpu接通；片選線為無效電平時，與接通；片選線為無效電平時，與cpu之間呈斷之間呈斷開狀態(tài)。例如片選信號開狀態(tài)。例如片選信號cs“1”時，時，ram被禁止讀被禁止讀寫，處于保持狀態(tài)，寫，處于保持狀態(tài)，i/o口的三態(tài)門處于高阻抗狀態(tài)口的三態(tài)門處于

3、高阻抗狀態(tài)；cs“0”時，時，ram可在讀可在讀/寫控制輸入寫控制輸入r/w的作用的作用下作讀出或?qū)懭氩僮鳌Ｏ伦髯x出或?qū)懭氩僮?。第?頁頁 ram中的存儲單元因排列成矩陣形式而中的存儲單元因排列成矩陣形式而得名存儲矩陣。地址譯碼器的輸出控制存儲得名存儲矩陣。地址譯碼器的輸出控制存儲矩陣與矩陣與i/o端的連接，凡是被選中的單元就接端的連接，凡是被選中的單元就接通，沒有選中的均處于斷開狀態(tài)。通，沒有選中的均處于斷開狀態(tài)。 存儲器的容量由地址碼的位數(shù)存儲器的容量由地址碼的位數(shù)n和字長的和字長的位數(shù)位數(shù)m決定，當?shù)刂反a的位數(shù)為決定，當?shù)刂反a的位數(shù)為n、字長的位、字長的位數(shù)為數(shù)為m時，存儲器內(nèi)含時，存儲

4、器內(nèi)含2nm個存儲單元。其個存儲單元。其容量為容量為2nm 。通常。通常2101024字稱為字稱為1k個字個字節(jié)。為了方便，存儲器的容量常用幾節(jié)。為了方便，存儲器的容量常用幾k字長字長表示。表示。第第2頁頁 存儲單元是存儲單元是ram的核心部分。按功能的不同可分為靜態(tài)和的核心部分。按功能的不同可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，按所用元件的類型又可分為雙極型和單極型兩種。雙動態(tài)兩類，按所用元件的類型又可分為雙極型和單極型兩種。雙極型存儲單元速度高，單極型存儲單元功耗低、容量大。在要求極型存儲單元速度高，單極型存儲單元功耗低、容量大。在要求存取速度快的場合常用雙極型存取速度快的場合常用雙極型ram電路，但對速

5、度要求不高時電路，但對速度要求不高時，常用單極型存儲器。我們以單極型存儲器為例介紹，常用單極型存儲器。我們以單極型存儲器為例介紹ram的工的工作原理。作原理。控控制制電電路路xit6t4t3t2t1t5qqudd第第2頁頁t6t4t3t2t1t5qqudd 圖中圖中t1和和t2，t3、和、和t4分別構(gòu)成兩個分別構(gòu)成兩個反相器反相器。兩個反相器交叉耦合又構(gòu)成了兩個反相器交叉耦合又構(gòu)成了基本觸發(fā)器基本觸發(fā)器，作為儲存，作為儲存信號的單元，信號的單元，q時為時為“1”態(tài)，態(tài)，q0時為時為“0”態(tài)。態(tài)。t5和和t6是是門控管門控管，其導(dǎo)通和截止均受行選擇線控制。，其導(dǎo)通和截止均受行選擇線控制。第第2頁

6、頁t6t4t3t2t1t5qqudd 行選擇線為高電平時，行選擇線為高電平時，t5、t6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出端與位線接通，此導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出端與位線接通，此時通過位選擇線對存儲單元操作。在讀控制時通過位選擇線對存儲單元操作。在讀控制r信號作用下，可將基本觸信號作用下，可將基本觸發(fā)器存儲的數(shù)據(jù)輸出。如發(fā)器存儲的數(shù)據(jù)輸出。如q時，時，1位線輸出位線輸出1，0位線輸出位線輸出0。根據(jù)兩。根據(jù)兩條線上的電位高低就可知道該存儲單元的數(shù)據(jù)（條線上的電位高低就可知道該存儲單元的數(shù)據(jù)（0位線的電位經(jīng)非門后位線的電位經(jīng)非門后取出）。在寫控制信號取出）。在寫控制信號w作用下，需寫入的數(shù)據(jù)被送入作用下，需寫入的數(shù)據(jù)被送

7、入1位線和位線和0位線，位線，經(jīng)過經(jīng)過t5、t6加在反相器的輸入端，將基本觸發(fā)器置于所需的狀態(tài)。加在反相器的輸入端，將基本觸發(fā)器置于所需的狀態(tài)。 當行選擇線為低電平時，當行選擇線為低電平時，t5、t6截止，這時存儲單元和位線斷開，截止，這時存儲單元和位線斷開，存儲單元的狀態(tài)保持不變。存儲單元的狀態(tài)保持不變。 第第2頁頁tc0c字選線字選線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 一個一個mos管和一個電容即管和一個電容即可組成一個最簡單的動態(tài)存儲單可組成一個最簡單的動態(tài)存儲單元電路，如左圖所示。動態(tài)存儲元電路，如左圖所示。動態(tài)存儲單元電路是利用電容單元電路是利用電容c上存儲的上存儲的電壓來表示數(shù)據(jù)的狀態(tài)，電壓來表示數(shù)據(jù)的

8、狀態(tài)，t 起一起一個開關(guān)的作用。個開關(guān)的作用。 當存儲單元未被選中時，字當存儲單元未被選中時，字選線為低電平選線為低電平0，t 截止，截止，c 和和數(shù)據(jù)線之間隔離。當存儲單元被數(shù)據(jù)線之間隔離。當存儲單元被選中時，字選線為高電平選中時，字選線為高電平1時，時，t導(dǎo)通，可以對存儲單元進行讀導(dǎo)通，可以對存儲單元進行讀/寫寫操作。操作。 寫入時，送到數(shù)據(jù)線上的二進制信號經(jīng)寫入時，送到數(shù)據(jù)線上的二進制信號經(jīng)t 存入存入c中；讀出時，中；讀出時，c的電平的電平經(jīng)數(shù)據(jù)線讀出，讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)放大后，再送到輸出端。同時由于經(jīng)數(shù)據(jù)線讀出，讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)放大后，再送到輸出端。同時由于c和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)線的分布電容線的分布電

9、容c0并聯(lián)，并聯(lián)，c要放掉部分電荷。為保持原有的信息，放大后的要放掉部分電荷。為保持原有的信息，放大后的數(shù)據(jù)同時回送到數(shù)據(jù)線上，對數(shù)據(jù)同時回送到數(shù)據(jù)線上，對c進行重寫（稱為刷新）。對長時間無讀進行重寫（稱為刷新）。對長時間無讀/寫寫操作的存儲單元，操作的存儲單元，c會緩慢放電，所以存儲器必須定時對所有存儲單元進會緩慢放電，所以存儲器必須定時對所有存儲單元進行刷新，這是動態(tài)存儲器的特點。行刷新，這是動態(tài)存儲器的特點。 第第2頁頁3. ram 的的 容容 量量 擴擴 展展第第2頁頁字擴展方字擴展方式式 若每一片若每一片ram的數(shù)據(jù)位已經(jīng)夠用，但的數(shù)據(jù)位已經(jīng)夠用，但字數(shù)不夠用時，可采用字擴展連接方式

10、（或字數(shù)不夠用時，可采用字擴展連接方式（或稱為地址擴展方式）解決。由于存儲數(shù)據(jù)的稱為地址擴展方式）解決。由于存儲數(shù)據(jù)的數(shù)量增加，必然要增加地址碼的位數(shù)，如數(shù)量增加，必然要增加地址碼的位數(shù)，如1k8擴展為擴展為4k8，地址碼由，地址碼由10位變?yōu)槲蛔優(yōu)?2位，通常位，通常12位地址中的低位地址中的低10位，接各存儲器位，接各存儲器原有的地址端，高兩位經(jīng)原有的地址端，高兩位經(jīng)2線線4線譯碼器后線譯碼器后四路輸出分別連接一個存儲器的片選端。四路輸出分別連接一個存儲器的片選端。第第2頁頁字、位同時擴展字、位同時擴展 將將16片片2114(10244位的位的ram)和和3線線8線譯碼線譯碼器器74ls1

11、38接成一個接成一個8k8位的位的ram。分析：分析：2114有有10根地址線，根地址線，4根位線根位線8k8位要位要13根地址線，根地址線，8根位線根位線結(jié)論：結(jié)論：用用38譯碼器擴展譯碼器擴展3個地址輸入端接成個地址輸入端接成8k4位；位；用用2片片8k4位接成位接成8k8位。位。第第2頁頁第第2頁頁ram有幾種類型的存有幾種類型的存儲單元？各適用于什么儲單元？各適用于什么場合？場合？什么是隨機存儲器？隨什么是隨機存儲器？隨機存儲器有何特點？機存儲器有何特點？多看多練多做多看多練多做 存儲器的容量由什存儲器的容量由什么來決定？么來決定？第第2頁頁第第2頁頁 早期制造的早期制造的prom可編

12、程邏輯器件的存儲單元是利用其內(nèi)部可編程邏輯器件的存儲單元是利用其內(nèi)部的熔絲是否被燒斷來寫入數(shù)據(jù)的，因其只能寫入一次，使其應(yīng)用的熔絲是否被燒斷來寫入數(shù)據(jù)的，因其只能寫入一次，使其應(yīng)用受到很大限制。目前使用的受到很大限制。目前使用的prom可多次寫入的存儲單元是在可多次寫入的存儲單元是在mos管中置入浮置柵的方法實現(xiàn)的。管中置入浮置柵的方法實現(xiàn)的。 p+p+n型襯底型襯底s 浮置柵浮置柵 d字線字線位位線線浮置柵浮置柵mos管管udd 左圖是浮置柵左圖是浮置柵pmos管的結(jié)構(gòu)圖，管的結(jié)構(gòu)圖，浮置柵被包圍在絕緣的二氧化硅之浮置柵被包圍在絕緣的二氧化硅之中。寫入時，在漏極和襯底之間加中。寫入時，在漏極

13、和襯底之間加足夠高的反向脈沖電壓（足夠高的反向脈沖電壓（30v45v），將），將pn結(jié)擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)結(jié)擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電子穿透二氧化硅絕緣層生的高能電子穿透二氧化硅絕緣層進入浮置柵中。脈沖電壓消失后，進入浮置柵中。脈沖電壓消失后，浮置柵中的電子無放電回路而被保浮置柵中的電子無放電回路而被保留下來。帶電荷的浮置柵使浮置柵留下來。帶電荷的浮置柵使浮置柵mos管的源漏之間導(dǎo)通，當字線選管的源漏之間導(dǎo)通，當字線選中該存儲單元時，位線為低電平；中該存儲單元時，位線為低電平；若浮置柵中無電荷，浮置柵若浮置柵中無電荷，浮置柵mos管管截止，位線為高電平。截止，位線為高電平。 第第2頁頁 用戶需要改

14、寫存儲單元的內(nèi)容時，要先用紫用戶需要改寫存儲單元的內(nèi)容時，要先用紫外燈光線照射石英蓋板下集成芯片中的外燈光線照射石英蓋板下集成芯片中的famos管管，在光的作用下，浮置柵上注入的電荷就會形成光，在光的作用下，浮置柵上注入的電荷就會形成光電流而泄漏掉，電流而泄漏掉，eprom便可恢復(fù)原態(tài)。便可恢復(fù)原態(tài)。 利用光抹掉寫入的內(nèi)容需要的時間較長（利用光抹掉寫入的內(nèi)容需要的時間較長（30分分鐘以上），為了縮短抹去時間，目前通常使用電擦鐘以上），為了縮短抹去時間，目前通常使用電擦除的方式。在這種類型的存儲單元中，除的方式。在這種類型的存儲單元中，n溝道浮置溝道浮置柵柵mos管的浮置柵上面又增加一個有外接引

15、線的管的浮置柵上面又增加一個有外接引線的柵極柵極g2，稱為疊柵，稱為疊柵mos管。當浮置柵管。當浮置柵g1中注入高中注入高能電子后，能電子后，g2加正常工作電壓時，無法使疊柵加正常工作電壓時，無法使疊柵mos管導(dǎo)通；當浮置柵管導(dǎo)通；當浮置柵g1中未注入高能電子時，中未注入高能電子時，g2加正常工作電壓可使疊柵加正常工作電壓可使疊柵mos管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。第第2頁頁 p0pm-1 i0 in-1 o0 ob-1n 個輸入個輸入b 個輸出個輸出m個乘積項個乘積項與陣列與陣列或陣列或陣列 第第2頁頁與陣列與陣列 或陣列或陣列固定連接固定連接邏輯連接邏輯連接邏輯斷開邏輯斷開 由于可編程邏輯器件內(nèi)部元件數(shù)

16、量眾多，為簡化原理結(jié)構(gòu)由于可編程邏輯器件內(nèi)部元件數(shù)量眾多，為簡化原理結(jié)構(gòu)圖，常用上述符號表示連接關(guān)系。圖，常用上述符號表示連接關(guān)系。a+b+da b c d01&a b c da b c dabd邏輯關(guān)系運算符號邏輯關(guān)系運算符號第第2頁頁ng3 = b3ng2 = b3b2 + b3b2 ng1 = b2b1 + b2b1ng0 = b1b0 + b1b0 b0b0b1 b1b2 b2b3b3g0g1g2g3與陣與陣列列或陣列或陣列與或陣列都可編程。與或陣列都可編程。 plapla中的與陣列被編程中的與陣列被編程產(chǎn)生所需的全部與項；產(chǎn)生所需的全部與項； plapla中的或陣列被編程中的或陣列被編程完成相應(yīng)與項間的或運算并完成相應(yīng)與項間的或運算并產(chǎn)生輸出。產(chǎn)生輸出。 由此大大提高了芯片面由此大大提高了芯片面積的有效利用率。積的有效利用率。第第2頁頁與陣列與陣列 或陣列或陣列 與同樣位數(shù)的與同樣位數(shù)的pla相比，相比，pal不但減少了編程點不但減少了編程點數(shù)數(shù)(或陣列固定或陣列固定)，而且也簡化了編程工作，而且也簡化了編程工作(僅對與陣列僅對與陣列編程，工作單一編程，工作單一)。 這樣，更加有利于輔助設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)。這樣，更