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1、制作制作 曾令琴曾令琴 20042004年年1212月月 随机存取存储器随机存取存储器RAM RAM 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 第二篇 卵 攘 源 纳 剑 窄 隙 扬 奴 蚌 侥 呢 苗 春 炳 盎 岳 尸 勃 根 幢 痘 寂 占 薪 垃 安 暴 埃 野 扯 苛 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 2019/12/2 11.2 可编程逻辑器件 11.1 随机存取存储器（RAM） 第二篇 馋 滞 柄 挨 鸳 蔗 攀 圭 疫 鲍 狂 酉 瘤 挚 光 屎 晦 度 泻 偏 球 匀 阎 来 笨 菌 艳 拥 蓖 爆 纵 系 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 D
2、ate 存储器学习要点存储器学习要点 了解随机存取存储器了解随机存取存储器RAMRAM 的功能与结构特点；的功能与结构特点； 了解了解 可编程逻辑器件的结构可编程逻辑器件的结构 、原理及编程方式、原理及编程方式 第二篇 斑 杆 其 紊 应 媳 傅 哗 酗 洛 求 轰 贾 搐 攻 音 享 恨 断 台 毗 国 狂 与 侮 靖 芜 苇 肯 怠 儒 佛 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 2019/12/2 存储矩阵 读 写 控 制 器 行 地 址 译 码 器 列地址译码器 m位 数据 2n RAMRAM电路结构框图电路结构框图 m R/WCS 输出控制 n位 地址码 RAM RA
3、M电路是一种能够随时选择任一存储单元存入或电路是一种能够随时选择任一存储单元存入或 取出数据的存储器，通常称作取出数据的存储器，通常称作“ “读读/ /写存储器写存储器” ”。 11.1 11.1 随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM 1 1功能与结构功能与结构 第2页 扶 科 折 战 磁 纷 删 绞 司 凰 粟 传 箔 哼 姐 马 吓 挝 挛 噎 姚 的 貌 猫 躲 技 伶 敦 匣 巾 竟 制 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date RAM RAM中的每个寄存器都有一个编号，称中的每个寄存器都有一个编号，称 为地址。每次读为地址。每次读/ /写信息时，只能和某一
4、个指写信息时，只能和某一个指 定地址的寄存器之间进行取出或是存入，此过定地址的寄存器之间进行取出或是存入，此过 程称为访问存储器。访问地址的是机器识别的程称为访问存储器。访问地址的是机器识别的 二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输 出线给出信号，控制被选中的寄存器与存储器出线给出信号，控制被选中的寄存器与存储器 的的I/OI/O端子，使其进行读端子，使其进行读/ /写操作。写操作。 地址译码器地址译码器 第2页 砧 悦 除 泵 钮 满 牲 很 摹 泵 杜 潍 得 欺 趋 缀 帚 扭 辑 馏 砧 蔼 锁 乱 硷 碾 秤 捎 诅 逛 廊 馅 第 1 1
5、章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 读写控制器读写控制器 读读/ /写控制线对写控制线对RAMRAM究竟是读还是写进行究竟是读还是写进行 控制。例如控制。例如R/WR/W“0”“0”时，执行写操作，时，执行写操作，R/WR/W “1”“1”时，执行读操作；由地址输入端输入的时，执行读操作；由地址输入端输入的 n n 位地址码经地址译码器译码后选中一组（信位地址码经地址译码器译码后选中一组（信 息长度息长度m m 位）存储单元，位）存储单元，mm位的二进制代码经位的二进制代码经 I/O I/O 接口被写入或被读出。接口被写入或被读出。 第2页 继 堤 台 骇 列 逻 劲 每 址
6、 璃 赃 胖 潭 措 伞 僵 穷 熟 豪 犀 引 牡 喜 痰 孪 肤 洲 淋 罩 屯 滞 郎 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date I/OI/O控制控制 为了节省器件引脚的数目，数据的输入为了节省器件引脚的数目，数据的输入 和输出共用相同的引脚（和输出共用相同的引脚（I/OI/O）。读出时它们）。读出时它们 是输出端，写入时它们又是输入端，即一线是输出端，写入时它们又是输入端，即一线 二用，由读二用，由读/ /写控制线控制。写控制线控制。I/OI/O端子数决定端子数决定 于一个地址中寄存器的位数。通常于一个地址中寄存器的位数。通常RAMRAM中寄中寄 存器有五种输入
7、信号和一种输出信号：地址存器有五种输入信号和一种输出信号：地址 输入信号、读输入信号、读/ /写（写（R R/ /WW）控制输入信号、输）控制输入信号、输 出控制（出控制（OEOE）信号、片选（）信号、片选（CSCS）控制输入）控制输入 信号、数据输入信号和数据输出信号。信号、数据输入信号和数据输出信号。 第2页 睹 痴 踞 曹 陆 辐 犊 斡 啮 蒋 烟 跌 竣 逾 蔷 镀 僻 采 窗 验 猎 赁 滦 沦 写 芝 岛 肉 巩 读 新 碑 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 片选片选控制控制 由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装 在一起构成一台计算机的存储器
8、。当CPU访问存储器 时，存储器中只允许一片RAM中的一个地址与CPU 交换信息，其它片RAM不能与CPU发生联系，所谓 片选就是实现这种控制的。通常一片RAM有一根或 几根片选线，当某一片的片选线为有效电平时，则该 片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址 与CPU接通；片选线为无效电平时，与CPU之间呈断 开状态。例如片选信号CS“1”时，RAM被禁止读写 ，处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态； CS“0”时，RAM可在读/写控制输入R/W的作用下 作读出或写入操作。 第2页 惦 咯 毫 懒 仓 袒 蔽 麦 呕 幽 浆 夯 侣 更 淄 吱 没 胚 蹬 教 羡 自 瓶 舒 始
9、 弦 逻 小 农 撒 邓 秸 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 存储矩阵存储矩阵 RAM中的存储单元因排列成矩阵形式而 得名存储矩阵。地址译码器的输出控制存储 矩阵与I/O端的连接，凡是被选中的单元就接 通，没有选中的均处于断开状态。 存储器的容量由地址码的位数n和字长的 位数m决定，当地址码的位数为n、字长的位 数为m时，存储器内含2nm个存储单元。其 容量为2nm 。通常2101024字称为1K个字 节。为了方便，存储器的容量常用几K字长 表示。 第2页 擒 乡 朱 伟 质 卿 滇 彤 颂 烩 淌 蕊 靡 丹 稳 剂 荷 左 坯 向 跑 疲 博 绎 疚 羔
10、缔 询 苞 荷 输 酪 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 2. RAM2. RAM的的存储单元存储单元电路电路 存储单元是RAM的核心部分。按功能的不同可分为静态和 动态两类，按所用元件的类型又可分为双极型和单极型两种。双 极型存储单元速度高，单极型存储单元功耗低、容量大。在要求 存取速度快的场合常用双极型RAM电路，但对速度要求不高时 ，常用单极型存储器。我们以单极型存储器为例介绍RAM的工 作原理。 控 制 电 路 Xi 静态静态 RAMRAM 存储单存储单 元元 T6 T4 T3 T2 T1 T5 Q Q UDD 1 1位线位线 0 0位线位线 行选择线行
11、选择线 第2页 锤 零 天 汝 噬 定 屹 闻 式 驶 杠 粉 穷 载 陕 割 弗 灶 砂 凑 由 颁 描 磺 敷 温 爆 嘉 差 歹 英 到 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date T6 T4 T3 T2 T1 T5 Q Q UDD 1 1位线位线 0 0位线位线 行选择线行选择线 图中T1和T2，T3、和T4分别构成两个反相器。两 个反相器交叉耦合又构成了基本触发器，作为储存信 号的单元，Q时为“1”态，Q0时为“0”态。T5和 T6是门控管，其导通和截止均受行选择线控制。 六管静态存储单六管静态存储单 元元 CMOSCMOS 第2页 阅 瞎 起 壮 炉 芹 骆
12、沈 杀 幂 勘 睛 副 吮 丹 钨 虫 陋 慷 趴 太 鸭 翟 处 释 冻 慰 版 板 迸 鹅 踩 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date T6 T4 T3 T2 T1 T5 Q Q UDD 1 1位线位线 0 0位线位线 行选择线行选择线 行选择线为高电平时，T5、T6导通，触发器输出端与位线接通，此 时通过位选择线对存储单元操作。在读控制R信号作用下，可将基本触 发器存储的数据输出。如Q时，1位线输出1，0位线输出0。根据两 条线上的电位高低就可知道该存储单元的数据（0位线的电位经非门后 取出）。在写控制信号W作用下，需写入的数据被送入1位线和0位线， 经过T5、
13、T6加在反相器的输入端，将基本触发器置于所需的状态。 当行选择线为低电平时，T5、T6截止，这时存储单元和位线断开， 存储单元的状态保持不变。 第2页 傀 匿 河 氯 砂 曰 建 脏 避 胚 诱 殃 湾 尺 樊 恩 鼻 盈 逼 汐 扮 瀑 厘 盔 崖 揭 呵 棚 舵 仔 领 赶 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 动态动态RAMRAM存储单元存储单元 T C0 C 字选线 数据线 一个MOS管和一个电容即 可组成一个最简单的动态存储单 元电路，如左图所示。动态存储 单元电路是利用电容C上存储的 电压来表示数据的状态，T 起一 个开关的作用。 当存储单元未被选中时，
14、字 选线为低电平0，T 截止，C 和 数据线之间隔离。当存储单元被 选中时，字选线为高电平1时，T 导通，可以对存储单元进行读/写 操作。 写入时，送到数据线上的二进制信号经T 存入C中；读出时，C的电平 经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。同时由于C和数据 线的分布电容C0并联，C要放掉部分电荷。为保持原有的信息，放大后的 数据同时回送到数据线上，对C进行重写（称为刷新）。对长时间无读/写 操作的存储单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进 行刷新，这是动态存储器的特点。 第2页 座 锅 疯 瘦 亚 尸 岸 俊 蒋 佯 休 售 姚 缀 拦 食 纽 惹 盟 围 酸 笋
15、 稳 样 军 芳 帜 寺 桔 铂 厦 棺 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 3. RAM 的 容 量 扩 展 位扩展方式位扩展方式 如果一片如果一片RAMRAM中的字数已经够用，中的字数已经够用， 而每个字的位数不够用时，可采用位扩而每个字的位数不够用时，可采用位扩 展连接方式解决。其数据位的扩展方法展连接方式解决。其数据位的扩展方法 是：将各个是：将各个RAMRAM的地址码并联片选端并的地址码并联片选端并 联即可。联即可。 第2页 退 蛆 塞 鹏 块 惮 蛛 沂 工 允 裁 汞 靖 柴 寇 豢 陋 唇 阳 计 两 硬 怪 涝 诬 渔 岭 哪 甘 颇 余 蔫 第
16、 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 字扩展方式 若每一片RAM的数据位已经够用，但 字数不够用时，可采用字扩展连接方式（或 称为地址扩展方式）解决。由于存储数据的 数量增加，必然要增加地址码的位数，如 1K8扩展为4K8，地址码由10位变为12位 ，通常12位地址中的低10位，接各存储器原 有的地址端，高两位经2线4线译码器后四 路输出分别连接一个存储器的片选端。 第2页 庙 署 酥 壤 桃 卒 楼 侦 蜒 崇 驼 余 擎 撑 践 拈 协 糖 哉 也 罢 傍 翔 园 拈 拍 晴 摈 正 葫 枚 瓣 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 字
17、、位同时扩展 将16片2114(10244位的RAM)和3线8线译码器 74LS138接成一个8K8位的RAM。 分析： 2114有10根地址线，4根位线 8K8位要13根地址线，8根位线 结论：用38译码器扩展3个地址输入端接成 8K4位； 用2片8K4位接成8K8位。 第2页 岸 掷 窖 蛹 肾 捅 批 宇 仰 釉 垃 乏 措 馒 圾 穗 哦 哉 兄 瑶 臃 瓦 梆 君 瓷 醋 酵 眶 滨 乖 丙 奏 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 8K48K4位位 第2页 根 煽 笨 备 臭 拾 恳 备 牢 旭 鞋 力 癣 孽 郊 嘱 梗 搂 甫 贞 礼 锰 械 难 尹
18、 嫡 淡 萤 淖 拢 鞋 噪 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 检验学习结果检验学习结果 RAM有几种类型的存 储单元？各适用于什么 场合？ 什么是随机存储器？随 机存储器有何特点？ 多看多练多做 存储器的容量由什 么来决定？ 第2页 跳 傈 慎 好 值 够 纸 拣 绣 叼 鸳 岿 赴 爬 僳 葬 赡 钒 谐 耸 鲜 刘 绪 赃 弧 伤 塑 蛰 磐 瓮 盔 死 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 11.2 11.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 n n 正常工作时正常工作时ROMROM只能读出不能写入；只能读出不能写入； n n 电
19、源断开时，电源断开时，ROMROM中的信息仍然保留不会丢失；中的信息仍然保留不会丢失； 1. 1. 只读存储器（只读存储器（ROMROM）的基本概念）的基本概念 存储信息根据用户需要写存储信息根据用户需要写 入，断电情况下可以长期入，断电情况下可以长期 保存，需要时可改写。保存，需要时可改写。 PROMPROM特点：特点：与阵列与阵列固定固定 或阵列或阵列可编程可编程 只读存储器按写入方式可分为：只读存储器按写入方式可分为： 固定固定ROMROM：存储信息制造时存入，封闭后无法更改；存储信息制造时存入，封闭后无法更改； 可编程可编程PROMPROM 可擦除可擦除EPROMEPROM 电改写可编
20、程电改写可编程EEPROMEEPROM 第2页 脖 镑 炼 侥 票 疗 距 脸 预 兼 啦 盖 除 毙 渝 滦 啄 毙 沼 畅 沫 铬 扯 犊 茎 信 搐 阁 重 烟 奉 灭 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 2. 2. 可编程逻辑器件的存储单元可编程逻辑器件的存储单元 早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单元是利用其内部 的熔丝是否被烧断来写入数据的，因其只能写入一次，使其应用 受到很大限制。目前使用的PROM可多次写入的存储单元是在 MOS管中置入浮置栅的方法实现的。 P+P+ N型衬底 S 浮置栅 D 字线 位 线 浮置栅 MOS管 UDD 左图是浮置栅
21、PMOS管的结构图， 浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之中 。写入时，在漏极和衬底之间加足够 高的反向脉冲电压（30V45V ），将PN结击穿，雪崩击穿产生的 高能电子穿透二氧化硅绝缘层进入浮 置栅中。脉冲电压消失后，浮置栅中 的电子无放电回路而被保留下来。带 电荷的浮置栅使浮置栅MOS管的源 漏之间导通，当字线选中该存储单元 时，位线为低电平；若浮置栅中无电 荷，浮置栅MOS管截止，位线为高 电平。 第2页 挥 勺 串 臂 便 餐 上 祷 贵 册 咨 啊 掠 壤 链 柴 惟 呛 嚎 怒 症 傈 扑 哎 轿 剐 誉 撅 泡 底 你 凤 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Dat
22、e 用户需要改写存储单元的内容时，要先用紫外 灯光线照射石英盖板下集成芯片中的FAMOS管， 在光的作用下，浮置栅上注入的电荷就会形成光电 流而泄漏掉，EPROM便可恢复原态。 利用光抹掉写入的内容需要的时间较长（30分 钟以上），为了缩短抹去时间，目前通常使用电擦 除的方式。在这种类型的存储单元中，N沟道浮置 栅MOS管的浮置栅上面又增加一个有外接引线的 栅极G2，称为叠栅MOS管。当浮置栅G1中注入高 能电子后，G2加正常工作电压时，无法使叠栅 MOS管导通；当浮置栅G1中未注入高能电子时， G2加正常工作电压可使叠栅MOS管导通。 第2页 傻 淘 域 镑 谨 铁 堡 窿 抛 佐 滓 族
23、丸 蛙 伏 裙 凶 铰 吞 滴 镁 符 呵 舷 腑 铲 坦 药 国 挟 的 搪 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 3. 3. 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 根据编程方式的不同可分为根据编程方式的不同可分为 掩膜编程掩膜编程 现场编程现场编程 任意一个逻辑函数都可以写成与任意一个逻辑函数都可以写成与或表达形式，或表达形式， 所以可编程逻辑器件的基本结构是一个与阵列和一个所以可编程逻辑器件的基本结构是一个与阵列和一个 或阵列。或阵列。 P0 Pm-1 I0 In-1 O0 Ob-1 N 个输入 b 个输出 m个乘积项 与阵列或阵列 第2页 咐 绎 锁 蜗 帆 狸 韧
24、 殿 判 黎 丘 溪 腿 享 倍 蓑 汇 陌 运 谈 祷 辐 桃 易 思 灸 饶 棠 喷 澈 儿 六 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date （1 1） 可编程逻辑阵列（可编程逻辑阵列（PLAPLA） 特点：特点： 与阵列可编程可编程 或阵列可编程可编程 固定连接逻辑连接逻辑断开 由于可编程逻辑器件内部元件数量众多，为简化原理结构 图，常用上述符号表示连接关系。 A+B+D A B C D 0 1 & A B C D A B C D ABD 逻辑关系运算符号 第2页 猎 明 贮 冤 袭 删 蜀 看 瞥 寸 咏 忽 赚 券 臼 巢 逊 帽 冰 蠕 抗 翘 吻 提 觉 帖
25、 锈 箔 回 震 剧 土 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date nG3 = B3 nG2 = B3B2 + B3B2 nG1 = B2B1 + B2B1 nG0 = B1B0 + B1B0 B0 B0 B1 B1 B2 B2 B3 B3 G0 G1 G2 G3 与阵 列 或阵列 例例 用用PLAPLA实现实现 4 4 位二进制数转换为位二进制数转换为Gray Gray 码的电路。码的电路。 特点：特点：与或阵列都可编程。 PLA中的与阵列被编程 产生所需的全部与项； PLA中的或阵列被编程 完成相应与项间的或运算并 产生输出。 由此大大提高了芯片面 积的有效利用率。
26、 第2页 彩 氯 敬 粉 瞧 沮 屉 蹲 励 纤 彤 井 睹 由 拌 拒 母 澜 栈 集 台 救 剿 佬 亮 廊 只 撒 怖 湖 芥 蕊 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date （2 2） 可编程阵列逻辑（可编程阵列逻辑（PALPAL） 特点：特点： 与阵列可编程可编程 或阵列固定固定 与同样位数的PLA相比，PAL不但减少了编程点 数(或阵列固定)，而且也简化了编程工作(仅对与阵列 编程，工作单一)。 这样，更加有利于辅助设计系统的开发。 输入 I 0-(n-1) 组合PAL 的基本结构框图 n O 0-(s-1) s l k P 0-(k-1) O 输出 IO 输
27、出 IO 0-(l-1) 与阵列 （可编程） 或阵列 （固定） 第2页 卞 程 筐 森 溶 瓦 晰 秀 漳 班 晋 史 尚 官 崩 腰 掠 抠 钧 地 思 欣 迄 惮 旁 柄 网 猫 柴 畜 去 椿 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date （3 3） 通用阵列逻辑（通用阵列逻辑（GALGAL） 采用浮栅隧道氧化层MOS管，实现了在很短时 间完成电擦除和电改写，而且可以多次编程。 特点：特点： 与阵列可编程可编程 或阵列固定固定 OLMC O0 1 1 & 1 1 OLMC O0 1 & 1 1 CP I0 I7 1 OE GALGAL内部原理图（局部）内部原理图（局部
28、） 第2页 需 贩 瞥 近 喝 驻 道 算 精 参 惑 褂 苯 叛 陡 州 芬 烹 王 瓶 抚 丝 炙 珍 丢 南 众 左 霓 饭 曙 玄 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date 问题与讨论问题与讨论 可编程的含义是什可编程的含义是什 么？有哪几种编程么？有哪几种编程 方式？方式？ PLDPLD有哪几种类型有哪几种类型 ？指出它们的不同？指出它们的不同 点？点？ 答案在书中找，多看、多练、多思考。答案在书中找，多看、多练、多思考。 第2页 量 亿 絮 痔 歧 淮 拂 琴 撅 溅 屯 首 刨 邯 碳 嗣 衡 榆 强 院 单 斩 疥 唾 操 灶 描 蝴 屎 炒 闰 魏 第 1 1 章 存 储 器 第 1 1 章 存 储 器 Date