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第 8 章 存储器和可编程逻辑器件

第 8 章 存储器和可编程逻辑器件. 8.1 存储器 8.2 可编程逻辑器件 8.3 CPLD 、 FPGA 和在系统编程技术 小结. 8.1 半导体存储器. 数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储。正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。

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第 8 章 存储器和可编程逻辑器件

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  1. 第8章 存储器和可编程逻辑器件 • 8.1 存储器 • 8.2 可编程逻辑器件 • 8.3 CPLD、FPGA和在系统编程技术 • 小结

  2. 8.1 半导体存储器 数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储。正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。 存储器是用以存储一系列二进制数码的器件。根据功能的不同，半导体存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。按照存储机理的不同，RAM又可 分为静态RAM和动态RAM

  3. 随机存取存储器RAM用于存放数据或指令，工作时能够随时在任意指定单元存入或取出数据，但断电后所存信息便会丢失，是易失性存储器。随机存取存储器RAM用于存放数据或指令，工作时能够随时在任意指定单元存入或取出数据，但断电后所存信息便会丢失，是易失性存储器。 • RAM有双极型和MOS型两种。双极型RAM工作速度高，但制造工艺复杂，成本高，功耗大，集成度低，主要用于高速工作场合。MOS型RAM集成度高、功耗低、价格便宜，因而应用十分广泛。MOS型RAM按其工作方式不同又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。

  4. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 1．RAM的基本结构 • RAM的基本结构如图8.1所示，它由存储矩阵、地址译码器和读写控制电路三部分组成；进出RAM的信号线有3类：即地址线、数据线和控制线。 RAM的基本结构图

  5. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 由大量寄存器 构成的矩阵 用以决定访问 哪个字单元 1．RAM的基本结构 用以决定对 被选中的单元 是读还是写 RAM的结构示意框图 读出及写入 数据的通道 用以决定芯 片是否工作

  6. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 1．RAM的基本结构 1024B×1位RAM的存储矩阵和地址译码器

  7. 1.存储矩阵 存储矩阵由大量存储单元构成，通常排列成矩阵形式，每个存储单元存放1位二进制数据。存储器一般以字为单位组织内部结构，一个字含有若干个存储单元，存储单元的个数称为字长。字数和字长的乘积叫做存储器的容量。 RAM有多字1位和多字多位两种结构形式。在多字1位结构中，每个寄存器都只有1位，例如一个容量为1024×1位的RAM，就是一个有1024个1位寄存器的RAM。多字多位结构中，每个寄存器都有多位，例如一个容量为256×4位的RAM，就是一个有1024个存储单元的RAM，这些单元排成32行×32列的矩阵形式，如图所示。

  8. 2的3次方=8*4=32 2的5次方=32 图8.2 256×4 RAM存储矩阵

  9. 容量为256×4 RAM的存储矩阵 存储单元 每根行选择线选择一行 每根列选择线选择一个字列 1024个存储单元排成 32行×32列的矩阵 Y1＝1，X2＝1，位于X2和Y1交叉处的字单元可以进行读出或写入操作，而其余任何字单元都不会被选中。

  10. 地址的选择通过地址译码器来实现。地址译码器由行译码器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。地址的选择通过地址译码器来实现。地址译码器由行译码器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。 0 0 1 00010 256×4 RAM存储矩阵中，256个字需要8位地址码A7～A0。其中高3位A7～A5用于列译码输入，低5位A4～A0用于行译码输入。A7～A0=00100010时，Y1=1、X2=1，选中X2和Y1交叉的字单元。

  11. 2.地址译码器 地址译码器用以决定访问哪个字单元，它将外部给出的地址进行译码，找到惟一对应的字单元。一般RAM都采用两级译码，即行译码器和列译码器。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。

  12. 3.读写控制电路 读写控制电路对电路工作状态进行控制，一般包含片选和读写控制两种作用，片选信号(CS)用以决定芯片是否工作，当片选信号有效时，芯片被选中，RAM可以正常工作，否则芯片不工作。读写控制信号（R/W）用以决定对被选中的单元是读还是写，R/W为高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。片选、读写控制电路如图所示。

  13. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 1．RAM的基本结构 RAM的输入/输出控制电路

  14. 2．RAM的存储单元 （1）六管NMOS静态存储单元 六管静态存储单元电路如图所示。其中MOS管为NMOS，V1～V4组成的两个反相器交叉耦合构成一个基本RS触发器，用于存储一位二进制信息，V5、V6为门控管，由行译码器输出的字线Xi控制其导通或截止；V7、V8也是门控管，由列译码器输出Yj控制其导通或截止，也是数据写入或读出的控制电路。 六管NMOS静态存储单元

  15. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 2．RAM的存储单元 （2）双极型晶体管存储单元 双极型晶体管存储单元

  16. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 2．RAM的存储单元 （3）四管动态MOS存储单元 四管动态MOS存储单元

  17. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 3．RAM的容量扩展 （1）位扩展 1K×1位RAM扩展成1024×8位RAM系统

  18. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 3．RAM的容量扩展 （2）字扩展 1K×8位RAM扩展成8K×8位RAM系统

  19. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 4．RAM的芯片 （1）芯片引脚排列图 静态RAM6116引脚排列图

  20. 8.1.1 随机存取存储器（RAM） 4．RAM的芯片 （2）芯片工作方式和控制信号之间的关系 静态RAM 6116的工作方式与控制信号之间的关系

  21. 8.1.2 只读存储器（ROM） 只读存储器因为其内容只能读出不能写入而得名，常用于存储数字系统及计算机中不需改写的数据，如数据转换表、计算机操作系统程序等。ROM存储的数据不会因为断电而消失，即具有非易失性。

  22. 8.1.2 只读存储器（ROM） 1. ROM的分类 （1）固定ROM 固定ROM也称掩膜ROM。这种ROM在制造时，厂家利用掩膜技术直接把数据写入存储器。ROM制成后，其存储的数据也就固定不变了，用户对这类芯片无法进行任何修改。 （2）一次性可编程ROM（PROM） PROM在出厂时，存储内容全为1或全为0。用户可根据自己的需要，利用编程器将某些单元改写为0或1。PROM一旦进行了编程，就不能第二次修改了。

  23. 8.1.2 只读存储器（ROM） 1. ROM的分类 （3）光可擦除可编程ROM（EPROM） EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管，信息的存储是通过MOS管浮栅上的电荷分布来决定的，编程过程就是一个电荷注入过程。编程结束后，尽管撤除了电源，但是由于绝缘层的包围，注入到浮栅上的电荷无法泄漏，因此电荷分布维持不变，EPROM也就成为非易失性存储器件了。 （4）电可擦除可编程ROM（E2PROM） E2PROM也是采用浮栅技术生产的可编程ROM。但是，构成存储单元的是隧道MOS管。隧道MOS管也是利用浮栅是否存有电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是用电擦除的，并且擦除的速度要快得多，擦除时间一般为毫秒数量级。

  24. 8.1.2 只读存储器（ROM） 1. ROM的分类 （5） 快闪存储器（Flash Memory） 快闪存储器的存储单元也采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，需要输入一个较高的电压。因此，要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为200ms，一般一只芯片可以擦/写100次以上。

  25. 2. ROM的结构及工作原理 （1）ROM的内部结构 ROM的一般结构框图如图8.8所示。它由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲电路三部分组成，它有n条地址输入线，m位数据输出线。存储矩阵共有2n个字，每个字有m位。当地址译码器选中某一个字时，该字的若干位同时读出。输出缓冲电路通常由三态门或OC门组成。 ROM的内部结构

  26. 8.1.2 只读存储器（ROM） 2. ROM的结构及工作原理 （1）ROM的内部结构 存储容量＝字线数×位线数＝N×M（位） ROM的内部结构

  27. （2）ROM的基本工作原理 二极管ROM电路

  28. ROM的应用 1、用ROM实现组合逻辑函数 例 用ROM实现下列一组逻辑函数。 解 （1）列真值表

  29. （2）选择合适的ROM，对照真值表画出逻辑函数的阵列图。（2）选择合适的ROM，对照真值表画出逻辑函数的阵列图。

  30. 2、用ROM作函数运算表 例 用ROM构成能实现函数y＝x2的运算表电路。 设x的取值范围为0～15的正整数，则对应的是4位二进制正整数，用B＝B3B2B1B0表示。根据y＝x2可算出y的最大值是152＝225，可以用8位二进制数Y＝Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。由此可列出Y＝B2即y＝x2的真值表。

  31. 真值表

  32. 阵列图

  33. 3、用ROM作字符发生器电路 用ROM存储字符Z

  34. 3.常用的EPROM芯片 EPROM2764的实物图 EPROM 2764的外部引脚图

  35. Intel 2764 EPROM的引脚信号功能

  36. 3.常用的EPROM芯片 EEPROM28256的外部引脚图

  37. 4. ROM容量的扩展 （1）字长的扩展 两片2764扩展成16K×16位EPROM的连线图

  38. 4. ROM容量的扩展 （2）字数的扩展 8片2764扩展成64K×8位EPROM的连线图

  39. 8.2 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件（PLD）是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型器件，数字系统可由与门、或门来实现。它为多输入多输出的组合逻辑或时序逻辑电路提供了一体化的解决方案。在实际电路设计中，PLD可代替各种小规模和中规模集成电路，从而节省电路板空间、减少集成电路数目和降低成本。因此在数字电路及数字系统设计中得到了广泛应用。 前面介绍的PROM、EPROM和EEPROM都是可编程的，但通常不作为PLD的一类。可编程逻辑器件主要包括可编程逻辑阵列（PLA）、可编程阵列逻辑（PAL）、通用阵列逻辑（GAL）、CPLD及FPGA等。

  40. 8.2 可编程逻辑器件 所有PLD都由可编程阵列组成，有两类阵列：与门阵列和或门阵列。 ① PLA由可编程与门阵列和可编程或门阵列组成。 ② PAL由可编程与门阵列和带有输出逻辑电路的固定或门阵列组成。它是最常用的一次性可编程逻辑器件，采用双极型TTL或ECL制造工艺实现。 ③ GAL由可编程与门阵列和带有可编程输出逻辑电路的固定或门阵列组成。GAL与PAL两者之间的区别：GAL可以多次编程，且带有可编程的输出逻辑电路。

  41. 图8.18 PLD的基本结构

  42. 8.2.1 可编程逻辑器件的特点及表示方法 可编程逻辑器件目前得到了广泛的应用，它具有如下特点。 ① 集成度高、功能强。用很少的器件完成很强的功能。 ② 系统设计速度快。由于编程工作由用户完成，不必像全定式电路那样依赖于厂家；也不必像用小规模集成电路（SSI）或中规模集成电路（MSI）器件设计系统那样进行复杂的接线和调试，大大缩短了开发周期。 ③ 设计灵活。不受标准系列器件在逻辑功能上的限制。设计自由度大，利于发挥设计者的创造性。 ④ 成本低。PLD密度高，每片高达十几万个门。

  43. 阵列中十字交叉处的连接情况有三种，如图8.21所示。 图8.21 交叉点的联接方式

  44. 8.2.1 可编程逻辑器件的特点及表示方法 乘积线 PLD中各种门电路的简化表示法

  45. 8.2.2 可编程阵列逻辑（PAL）的电路结构 PAL的基本电路结构

  46. 8.2.2 可编程阵列逻辑（PAL）的电路结构 PAL16L8器件结构及引脚图

  47. 8.2.3 通用阵列逻辑（GAL） GAL16V8的阵列结构图和引脚图

  48. 8.2.3 通用阵列逻辑（GAL） GAL器件设计流程

  49. 8.3 CPLD、FPGA和在系统编程技术简介 CPLD和FPGA是继PAL和GAL后规模更大、密度更高的可编程逻辑器件。而在系统编程（In-System Programmying，ISP）技术是20世纪90年代发展起来一种PLD新技术，ISP器件被誉为第四代可编程逻辑器件。这三种可编程的逻辑器件在数字系统设计中各有优势。

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