第七章存儲器、復(fù)雜可編程器件

第七章存儲器、復(fù)雜可編程器件7.0

概述（summary）7.2隨機(jī)存取存儲器（RAM）7.3*可編程邏輯器件（PLD）7.1只讀存儲器（ROM）

基本要求

1、掌握RAM的電路結(jié)構(gòu)、工作原理，了解靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM的存儲原理、使用方法；2、掌握各種ROM的工作原理和使用方法；3、了解簡單PLD的結(jié)構(gòu)、編程原理，為以后學(xué)習(xí)復(fù)雜可編程邏輯器件打下基礎(chǔ)。7.0

概述（summary）一、用SSI和MSI構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)存在的問題體積大重量大功耗高

成本高可靠性差

二、LSI的現(xiàn)狀和前景

目前，在單塊硅片上集成十萬個元件、器件的大規(guī)模集成電路已廣泛應(yīng)用到各種電子儀器和設(shè)備中。集成電路已進(jìn)入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段，如lattics公司的Flex10K10系列，等效門數(shù)為10000門，另外還有Flex10K100系列，等效門數(shù)為100000門。

近年來，隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展，以及可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，使電子電路設(shè)計方法和手段都得到了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，也為大規(guī)模集成電路的應(yīng)用開辟了新的途徑。可以預(yù)見，大規(guī)模集成電路必將越來越廣泛地應(yīng)用于通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等領(lǐng)域中，PLD的原理和應(yīng)用是每個電子工程師必備的一門技術(shù)。大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)都得到了飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）密度越來越高單片密度已達(dá)十萬、幾十萬、甚至幾百萬門，已進(jìn)入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段。（2）用戶可編程且擁有多種編程技術(shù)（3）設(shè)計工具不斷完善現(xiàn)有的設(shè)計自動化軟件即支持功能完善硬件描述語言如VHDL、Verilog等作為文本輸入，又支持邏輯電路圖、工作波形圖等作為圖形輸入。本章主要介紹半導(dǎo)體存貯器的分類方法、電路結(jié)構(gòu)和工作原理，了解簡單PLD的結(jié)構(gòu)、編程原理。存儲器——用以存儲二進(jìn)制信息的器件。按集成度分，半導(dǎo)體存貯器屬于大規(guī)模集成電路。半導(dǎo)體存儲器的分類：根據(jù)使用功能的不同，半導(dǎo)體存儲器可分為兩大類：（1）隨機(jī)存取存儲器（RAM）也叫做讀/寫存儲器。既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。RAM的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)易失，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。（2）只讀存儲器（ROM）。其內(nèi)容只能讀出不能寫入。存儲的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，即具有非易失性。存儲器的容量：存儲器的容量=字長（n）×字?jǐn)?shù)（m）存儲器的基本概念

三、存儲器（memory）半導(dǎo)體存儲器RAM（讀寫存儲器）

ROM（只讀存貯器）靜態(tài)RAM（SRAM）：數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)能永久保存。動態(tài)RAM（DRAM）：數(shù)據(jù)由MOS管柵極電容存貯，存貯單元有三管和單管兩種。固定ROM（掩模ROM）PROM（一次可編程）EPROM（光可擦除可編程）E2PROM（電可擦除可編程）快閃存儲器可編程ROM半導(dǎo)體存儲器的分類：7.1

只讀存儲器ROM定義：只讀存儲器ROM（Read—Onlymemory）是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息和數(shù)據(jù)寫入到存儲器中，在正常工作時它存儲的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，不能迅速寫入，故稱為只讀存儲器。特點(diǎn)：掉電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。ROM（按使用的器件的類型）ROM的分類二極管ROM

雙極型三極管ROM

MOS管ROM固定ROM：

出廠時已完全固定下來，使用時無法再更改，也稱掩模編程ROM?？删幊蘎OM：

PROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，但只能寫一次。

EPROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入， 但操作復(fù)雜、費(fèi)時。EEPROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入，操作比較簡便、快捷。快閃存儲器：仍是ROM，兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特點(diǎn)，既有存儲內(nèi)容非丟失性，又有快速擦 寫和讀取的特性。按數(shù)據(jù)的寫入方式（存貯內(nèi)容的存入方式）ROM的用途：1、存儲各種程序代碼；2、實(shí)現(xiàn)多輸入、多輸出邏輯函數(shù)真值表；3、代碼的變換、符號和數(shù)字顯示等有關(guān)數(shù)字電路及存儲各種函數(shù)等。1、ROM的結(jié)構(gòu)輸入驅(qū)動器：起著緩沖的作用，且生成互補(bǔ)的輸入信號。輸出緩沖器：既有緩沖作用，有可以提供不同的輸出結(jié)構(gòu)，如三態(tài)輸出、OC輸出等。2、EPROM

在研制一個數(shù)字系統(tǒng)的過程中，用戶常常希望能夠按照自己的需要對ROM進(jìn)行編程，這樣的ROM叫做可編程ROM或EPROM。

PROM在出廠時，制作的是一個完整的二極管或三極管存儲單元矩陣，相當(dāng)于所有的存儲單元全部存入1。在每個單元的三極管發(fā)射極上都接有快速熔絲，它是用低熔點(diǎn)的合金或很細(xì)的多晶硅導(dǎo)線制成的。

寫操作：在寫入數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)找出要寫入的單元地址，并輸入相應(yīng)的地址碼，使相應(yīng)的字線輸出高電平，然后在相應(yīng)的位線上按規(guī)定加入高電壓脈沖，使穩(wěn)壓管導(dǎo)通，寫入放大器的輸出呈低電平、低內(nèi)阻狀態(tài)，相應(yīng)存儲單元的三極管飽和導(dǎo)通，有較大的脈沖電流流過熔絲，并將其熔斷。讀操作：先讀熔絲未熔斷的，相應(yīng)字線為高電平，再讀熔絲熔斷的。顯然，PROM的有關(guān)存儲單元的數(shù)據(jù)一經(jīng)寫好后，就不能作任何更改，所以使用的靈活性受到一定限制。3、EPROM：

采用浮柵型MOS器件作為存儲單元的一個元件，需紫外線照射才能擦除，大概需要10——30分鐘，可擦除上萬次。4、EEPROM：

同樣采用浮柵工藝，但可利用一定寬度電脈沖擦除?？勺x可寫讀寫方便所存儲信息會因斷電而丟失7.3

隨機(jī)存取存儲器（RAM）（讀寫存儲器）（RandomAccessMemory）用途：特點(diǎn)：常用來放一些采樣值、運(yùn)算的中間結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖等。RAM（讀寫存儲器）靜態(tài)RAM（SRAM）：數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)能永久保存。所用管子多，功耗大，集成度受限制。動態(tài)RAM（DRAM）：數(shù)據(jù)由MOS管柵極電容存貯，數(shù)據(jù)必須定期刷新，常見的存貯單元有三管和單管兩種。為提高集成度，目前大容量存貯單元普遍采用單管結(jié)構(gòu)。RAM的結(jié)構(gòu)框圖1、RAM的結(jié)構(gòu)地址線數(shù)據(jù)線控制線存儲矩陣地址譯碼器讀寫控制電路（輸入/輸出控制電路）（1）存儲矩陣一個存貯器由許多存貯單元組成，每個存儲單元能存放一位二值信息。存儲器的容量是指存儲單元的數(shù)目。存儲容量=存儲單元的數(shù)目=行數(shù)*列數(shù)=字?jǐn)?shù)*位數(shù)存貯器的容量越大，意味著存貯器存貯的數(shù)據(jù)越多。RAM的結(jié)構(gòu)3類信號線：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線。

（2）地址譯碼一個RAM由若干字和位組成。通常信息的讀出和寫入是以字為單位進(jìn)行的。為了區(qū)分不同的字，將存放同一個字的各個存儲單元編為一組，并賦予一個號碼，稱為地址。

地址的選擇是借助于地址譯碼器實(shí)現(xiàn)的。容量小的可以只用一個譯碼器，容量大的通常采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，即將輸入地址分為兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器進(jìn)行譯碼。行列譯碼器的輸出即為存儲矩陣的字線和位線，由它們共同確定欲選擇的存儲單元。只有被行地址選擇線和列地址選擇線同時選中的單元，才能被訪問。（3）輸入/輸出控制電路在系統(tǒng)中為了便于控制，電路中不僅有讀/寫控制信號R/W，還有片選控制信號CS。當(dāng)片選信號有效時，芯片被選中，可進(jìn)行讀/寫操作，否則芯片不工作。片選信號僅解決芯片是否工作問題，而芯片的讀、寫操作由讀/寫控制信號決定。在半導(dǎo)體存貯器中采用了按地址存放數(shù)據(jù)的方法，只有那些被地址代碼指定的存貯單元才能與輸入/輸出端接通，可以對這些被指定的單元進(jìn)行讀/寫操作。而輸入/輸出端是公用的。為此存貯器的電路結(jié)構(gòu)中必須包含地址譯碼器、存貯矩陣和輸入/輸出電路（或讀/寫控制電路）這三個組成部分。2、RAM存儲容量的擴(kuò)展

在一片存貯器芯片的存貯容量不夠用時，可以將多片存貯器芯片組合起來，構(gòu)成一個更大容量的存貯器。當(dāng)每片存貯器的字?jǐn)?shù)夠用而每個字的位數(shù)不夠用時，應(yīng)采用位擴(kuò)展的聯(lián)接方式；當(dāng)每片的字?jǐn)?shù)不夠用而每個字的位數(shù)夠用時，應(yīng)采用字?jǐn)U展的聯(lián)接方式；當(dāng)每片的字?jǐn)?shù)和位數(shù)都不夠用時，則需同時采用位擴(kuò)展和字?jǐn)U展的聯(lián)接方式。（1）字長（位數(shù)）的擴(kuò)展通常RAM芯片的字長多設(shè)計成1位、4位、8位等，當(dāng)實(shí)際的存儲器系統(tǒng)的字長超過RAM芯片的字長時，需要對RAM實(shí)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展可以利用芯片的并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)。連接的方法是將各片的地址線、讀/寫控制線（R/W）、片選線（CS）分別并聯(lián)起來。如果每一片輸出的數(shù)據(jù)是m位，則按上述方法用n片組合成的存貯器將有m×n位數(shù)據(jù)輸出。（2）字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展如果一片存貯器的數(shù)據(jù)位數(shù)夠用而字?jǐn)?shù)不夠用時，應(yīng)采用字?jǐn)U展的聯(lián)接方式。字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展可以利用外加譯碼器控制芯片的片選輸入端來實(shí)現(xiàn)。連接的方法是將各片的地址線、讀/寫控制線（R/W）、數(shù)據(jù)輸出線分別并聯(lián)起來，然后通過