數(shù)字電路-分析與設(shè)計(jì)：第10章 存儲(chǔ)器及可編程器件概述

1、第10章 存儲(chǔ)器及可編程器件概述10.1 只讀存儲(chǔ)器(Read Only Memory, ROM)存儲(chǔ)器不僅能夠存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)而且還能實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)。存儲(chǔ)器分只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM?？删幊踢壿嬈骷?Programmable Logic Device)是在存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能讀取、不能改寫的存儲(chǔ)器叫做只讀存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱ROM。其內(nèi)容是在工廠里事先做好的。7/21/20221北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.1.1 ROM結(jié)構(gòu)與原理譯碼器輸入為n位地址碼，輸出為2n條“與”線(n個(gè)地址變量相“與”)，它們對(duì)應(yīng)2n個(gè)最小項(xiàng)mi。7/21/20222北京理工大學(xué) 信息科

2、學(xué)學(xué)院若“與線”與縱線的交叉點(diǎn)無(wú)NMOS管，則該條縱線電平為“1”，經(jīng)過(guò)反相器輸出邏輯“0”。 7/21/20223北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院若“與線”與縱線的交叉點(diǎn)有NMOS管，則該條縱線電平取決于NMOS管柵極“與線”的電平。 7/21/20224北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院若“與線”電平為“1”，則縱線電平為“0”，輸出為“1”；若“與線”電平為“0”，則縱線電平為“1”，輸出為“0”。 7/21/20225北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院一條縱線上可能掛有若干個(gè)NMOS管，只要其中一個(gè)NMOS管導(dǎo)通，則該條縱線上的邏輯電平就是“0”。 7/21/20226北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院一條縱線對(duì)應(yīng)

3、一個(gè)數(shù)據(jù)位Di 故也稱縱線為“位線”。輸出Di與相應(yīng)縱線上掛有NMOS管所對(duì)應(yīng)的mi是“或”的關(guān)系。所以縱線也叫“或”線。例如：D4= m2 + m37/21/20227北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院虛線左邊完成(地址變量) “與”運(yùn)算，稱“與”陣列；虛線右邊完成(最小項(xiàng))“或”運(yùn)算，稱“或”陣列。一條“與”線對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的輸出，故“與”線也稱為“字線”。7/21/20228北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院一般ROM的容量為：“字線”數(shù) “位”線數(shù)。此ROM的容量(bit數(shù))為88。若地址線位數(shù)為n，數(shù)據(jù)線位數(shù)為m，則ROM的容量為：2nm。7/21/20229北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院若把A2A1A0

4、看成自變量而把D7D0看成邏輯函數(shù),則下表為一真值表。容量為238的ROM可實(shí)現(xiàn)8個(gè)3變量邏輯函數(shù)。容量為2nm的ROM可實(shí)現(xiàn)m個(gè)n變量邏輯函數(shù)。用ROM可實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。函數(shù)變量個(gè)數(shù)地址線位數(shù)。7/21/202210北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院ROM的陣列畫(huà)法：ROM的特點(diǎn)：與陣列固定，或陣列可編程。7/21/202211北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.1.2 現(xiàn)代ROM的行列譯碼結(jié)構(gòu)地址線16條，n =16；數(shù)據(jù)線8條，m = 8。ROM的容量為216 8，即：65536 8 。7/21/202212北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.1.3 PROM、EPROM、EEPROM掩膜ROM是在存

5、“1”的單元位置上放一個(gè)NMOS管，而存“0”的單元位置上則不放。這個(gè)工作叫做“編程”，只能由半導(dǎo)體廠家來(lái)做，用戶是不能做的。 為了讓用戶自己編程ROM，于是就有了PROM(Programmable ROM)。PROM的所有單元位置上都放了一個(gè)“熔絲”型NMOS管，這樣所有的單元都存入了“1”。編程時(shí)，將需要存“0”的單元位置上的NMOS管的“熔絲”燒斷。PROM只能編程一次。叫做OTP(One Time Programmable)。7/21/202213北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院為了讓用戶自己能夠改寫ROM的內(nèi)容，于是就有了EPROM (Erasable PROM)。EPROM的所有單元位置

6、上都放了一個(gè)“懸浮柵極”型NMOS管，這樣所有的單元也都存入了“1”。編程時(shí)，將需要存“0”的單元位置上的NMOS管的“懸浮柵極”注入電子。這些電子在外部柵極接高電平時(shí)阻止NMOS管的導(dǎo)通。擦除EPROM內(nèi)容時(shí)，用紫外線燈照射EPROM上的石英玻璃窗?？捎秒娦盘?hào)擦除ROM內(nèi)容的PROM，叫做EEPROM(Electrically Erasable PROM)，或叫做E2PROM。在E2PROM基礎(chǔ)之上又發(fā)展出了一種快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)，簡(jiǎn)稱閃存(Flash)。由于結(jié)構(gòu)上的不同，F(xiàn)lash比普通的E2PROM的集成度要高得多。7/21/202214北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院各種

7、類型ROM的讀寫速度比較。7/21/202215北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.1.4 ROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及ROM的擴(kuò)展CS：“片選”輸入端，低有效。一般被連接在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地址譯碼器輸出端上。 OE：“讀出控制”輸入端，低有效。一般被連接到CPU的“讀”控制線RD端上。An-1A0：n位地址線輸入端。Db-1D0：數(shù)據(jù)線輸出端。7/21/202216北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院ROM數(shù)據(jù)線的擴(kuò)展。地址線n位。數(shù)據(jù)線由8位擴(kuò)展到16位。7/21/202217北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院ROM地址線的擴(kuò)展。數(shù)據(jù)線為8位。地址線由n-3位擴(kuò)展到n位。7/21/202218北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.

8、2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(Random Access Memory)10.2.1 概述隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM分為靜態(tài)RAM(Static RAM或SRAM)和動(dòng)態(tài)RAM(Dynamic RAM或DRAM)兩大類。靜態(tài)RAM結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用芯片面積大。但維持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單可靠，只要電源不掉電，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失。動(dòng)態(tài)RAM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用芯片面積小，集成度比靜態(tài)RAM高得多。但需靠不斷刷新來(lái)維持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不丟失。7/21/202219北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院WR=1， SEL=0時(shí)，Q端的數(shù)據(jù)傳向DO端。WR=， SEL=1時(shí)，DO端輸出高阻。WR=或 SEL =時(shí)，DI端的數(shù)據(jù)鎖入Q端。10.2.2

9、 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM主要存儲(chǔ)單元是D鎖存器。WR=0、SEL=0時(shí)，DI端的數(shù)據(jù)傳向DO端。7/21/202220北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院CS：“片選”輸入端,低有效。 OE：“讀出控制”輸入端，低有效。A1A0：2位地址輸入線。DIO3DIO0：4位數(shù)據(jù)輸入/輸出線。WR：“寫入控制”輸入端，低有效。7/21/202221北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院CS=1：芯片不進(jìn)行讀寫操作，DIO3DIO0輸出高阻。CS=0、OE=0：“讀出”操作。CS=0、 WR=0：“寫入”操作。OE和WR不能同時(shí)為“0”。7/21/202222北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.2.3 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SR

10、AM字線為“1”，管子導(dǎo)通：若位線為“0”，電容放電，寫入“0”。字線為“0”：管子截止，保持電容上的電荷保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。若位線不被驅(qū)動(dòng),讀出數(shù)據(jù) 電容上的電荷。刷新操作：先讀出數(shù)據(jù)，再將讀出的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地寫入。刷新操作是按“行”執(zhí)行，以提高刷新速度?，F(xiàn)代的DRAM可每隔64 mS 刷新一次。若位線為“1”，電容充電，寫入“1”。7/21/202223北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.3可編程邏輯器件(PLD)簡(jiǎn)介可編程邏輯器件PLD是在ROM基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。在介紹PLD之前，先介紹PLD電路中門電路的慣用畫(huà)法。7/21/202224北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院當(dāng)OE=0時(shí)：10.3.1 可編

11、程陣列PLA(Programmable Logic Array)Y0=CD與陣列、或陣列均不固定，可由用戶編程。與陣列不能產(chǎn)生全部的輸入變量最小項(xiàng)。7/21/202225北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.3.1 可編程陣列PLA(Programmable Logic Array)PLA的容量由輸入變量數(shù)n、與陣列輸出端(字線)數(shù)k、或陣列輸出端(位線)數(shù)m三者的乘積 nkm 來(lái)表示。這個(gè)PLA的容量為：484 。7/21/202226北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院【例10.1】利用下圖所示PLA設(shè)計(jì)函數(shù)：O0=0，O1=1，O2=I0+I1I3+I2I3，O3=I0 +I3+I2I3 。7/21/2

12、02227北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院1個(gè)獨(dú)立與項(xiàng)2個(gè)獨(dú)立與項(xiàng)2個(gè)獨(dú)立與項(xiàng)1個(gè)獨(dú)立與項(xiàng) 7/21/202228北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院符號(hào) 表示不影響輸出的編程點(diǎn)。7/21/202229北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院10.3.2 可編程邏輯器件PAL、 GALPAL (Programmable Array Logic)的與陣列不固定，可由用戶編程，而或陣列是固定的。7/21/202230北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院7/21/202231北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院ROM、PLA、PAL三種可編程器件的特點(diǎn)：特點(diǎn)PLD類別“與”陣列“或”陣列最小項(xiàng)個(gè)數(shù)ROM固定可編程可產(chǎn)生全部最小項(xiàng)PLA可編程可編程不能產(chǎn)生全部最小項(xiàng)PAL可編程固定不能產(chǎn)生全部最小項(xiàng)7/21/202232北京理工大學(xué) 信息科學(xué)學(xué)院圖10.3.4ABT22V10A5的邏輯圖 摘自Philips數(shù)據(jù)手冊(cè)GAL(General Array Logic)是在PA