数字电子技术基础,第 17 讲 主讲 孙霞 安徽理工大学电气工程系,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,8.1 只读存储器(ROM) 8.2 随机存取存储器(RAM) 8.3 可编程逻辑器件简介,概述,半导体存储器的分类 根据信息存取方式的不同，半导体存储器可以分为随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、顺序存取存储器SAM(Sequential Access Memory)和只读存储器ROM(Read-Only Memory)三大类。随机存取存储器RAM能够随机读写， 可以随时读出任何一个RAM单元存储的信息或向任何一个RAM单元写入 (存储)新的信息。顺序存取存储器SAM只能够按照顺序写入或读出信息。随机存取存储器RAM和顺序存取存储器SAM统称为读写存储器，其基本特点是能读能写，但断电后会丢失信息。只读存储器ROM在正常工作时，只能读出信息而不能写入信息，且断电后信息不会丢失。,RAM、SAM和ROM的不同特点， 使得它们有了不同的应用领域。 RAM常用于需要经常随机修改存储单元内容的场合，例如在计算机中用作数据存储器；SAM常用于需要顺序读写存储内容的场合，例如在CPU中用作堆栈(Stack)， 以保存程序断点和寄存器内容；ROM则用于工作时不需要修改存储内容、 断电后不能丢失信息的场合，例如在计算机中用作程序存储器和常数表存储器。,半导体存储器的详细分类如图8.0所示。其中，固定ROM的内容完全由生产厂家决定，用户无法通过编程更改其内容； PROM为用户可一次性编程的可编程只读存储器(Programmable ROM)； EPROM为用户可多次编程的可(紫外线)擦除可编程只读存储器(Erasable PROM)， 也经常缩写为UVPROM(Ultraviolet Erasable PROM)； E2PROM为用户可多次编程的可电擦除的可编程只读存储器(Electrically Erasable PROM)； Flash Memory为兼有EPROM和E2PROM优点的闪速存储器(简称闪存)，电擦除，可编程，速度快， 编程速度比EPROM快1个数量级， 比E2PROM快3个数量级， 是近20年来ROM家族中的新品；,FIFO 为先入先出存储器(First-In First-Out Memory)， 它按照写入的顺序读出信息； FILO为先入后出存储器(First-In Last-Out Memory)， 它按照写入的逆序读出信息； SRAM为静态随机存取存储器(Static RAM)， 以双稳态触发器存储信息； DRAM为动态随机存取存储器(Dynamic RAM)， 以MOS管栅、 源极间寄生电容存储信息， 因电容器存在放电现象， DRAM必须每隔一定时间(1 ms2 ms)重新写入存储的信息， 这个过程称为刷新(Refresh)。 双极型电路无DRAM。,8.1 只读存储器(ROM),只读存储器(ROM)是一种存放固定不变的二进制数码的存储器，在正常工作时，可重复读取所存储的信息代码，而不能改写存储的信息代码。 8.1.1 只读存储器(ROM)框图 它由地址译码器、存储矩阵、输出缓冲器以及芯片选择逻辑等组成。如图8.1.1所示。,图中地址线经地址译码器译码输出可指定存储矩阵(NM)中N个可能地址中的一个。而每个地址(字)中又包含有M位，被地址线选中的M位数据由输出缓冲器输出。 n个地址输入线可得到N(=2n)个可能的地址。 存储矩阵(NM)的大小反映了存储的信息量。其中N反映了位线数，所以对于存储器的存储容量是指存储器中总的存储单元(一位二进制数)的数量。,8.1.2 掩膜ROM 掩膜ROM是通过掩膜工艺制造出的一种固定ROM，用户无法改变内部所存储的信息，它具有性能可靠，大批量生产时成本低等优点。由于在制造时需要开膜，且费用可观，故只有在产品相当成熟且批量很大或长期生产时才考虑使用。 8.1.3 熔丝式ROM(PROM) 熔丝式ROM是由用户用专用的写入器将信息写入。如要将某位写入信息为0，则将该位的熔丝烧断。如要将某位写入信息为1，则将该位的熔丝保留(不烧断)。由于熔丝烧断后不可恢复，故只能写入一次。它在制造时无需开膜，适合小批量生产时选用。,8.1.4 电可编程ROM(EPROM) 电可编程ROM是由用户用专用的写入器将信息写入器件的。与PROM不同的是，如果要更改内部存储信息，只需将此器件置于紫外线下(对于EPROM)或用电擦除(对于EEPROM)，之后，用户又可将新的信息写入该器件。这种器件使用较方便，但成本略高，适合小批量生产时选用。下面简要介绍EPROM。,1.EPROM的工作原理 图8.1.2为EPROM内部某位存储单元的结构图。它有一个浮置栅浮置在绝缘的SiO2层中，与四周绝缘，当浮置栅上无电荷时，在控制栅上加一较低开启电压，在漏源之间就能形成一反型沟道，使管子导通，这时对应的信息为1。当浮置栅上有一定量的电荷时，在控制栅上即使加一开启电压，在漏源之间也无法形成一导电沟道，故这时的管子不导通，对应的信息为0。由此可看出，浮置栅上电荷的有无反映了信息的0或1。,图8.1.2 EPROM内部某位存储单元结构,当EPROM置于强紫外光下曝光时，产生的光电流使所有浮置栅上的电荷返回到衬底，电荷被清除，即所有的信息皆变为1(这一过程大约为15min)。之后，又可将新信息写入。在写入信息时，若要使某位信息为0即对应该位的存储单元内浮置栅需注入电荷，可将该位对应的漏源极间加一定大小的高电压，,使之产生雪崩击穿，产生的热电子穿过薄氧化层，与此同时在栅极上加一定大小的电压，在栅极电场的作用下，热电子被注入至浮置栅上，使浮置栅带电，也就完成了写入信息0的操作。要使某位信息为1，由于原先EPROM内部所有存储单元对应的信息皆为1，故对该位无需操作。,2. EPROM的使用 目前EPROM的规格较多，常用的有2716(2K8位)，2732(4K8位)，2764(8K8位)以及27128(16K8位)等等，它们的工作电压皆为+5V,但它们的编程电压不一定相同(需查阅有关资料)，芯片表面的透明石英玻璃窗专供芯片作擦除操作时紫外线照射用。由于自然光中(特别是在太阳光直射下)含有一定量的紫外线，在一定时间的作用下(少则几小时多则几天)，可能会使芯片上部分或全部信息被擦除，,所以在信息写入后，应用不透光纸将石英玻璃窗覆盖，以免信息丢失。另外需注意，EPROM反复擦写的次数是有限的(一般器件保证十几次的正确使用)。 3. EEPROM(E2PROM) 近年来研制出一种称为EEPROM器件，它具有在线电改写，每个存储单元可改写上万次，在各个领域被广泛应用，尤其适用于现场停电后数据仍需保持的场合。,8.1.5 用ROM电路实现组合逻辑函数 参照组合逻辑函数框图及ROM电路框图，ROM电路的n根地址线可看作组合逻辑函数的n个输入变量，而M根位线可看作组合逻辑函数的M个输出变量，由于任一组合逻辑函数均可用最小项与或式表示，而ROM中的地址译码器则形成了n个输入变量的所有最小项，即实现了逻辑变量的“与运算”，ROM中的存储矩阵则实现了最小项的“或运算”。所以只要将该函数最小项表达式中最小项值(1、0)写入ROM中的存储矩阵，便实现了该组合逻辑函数。于是，我们可用ROM电路实现代码转换、函数运算、字符发生等函数。,8.1.6 可编程逻辑阵列(PLA)及其应用 1. PLA的结构 可编程只读存储器(PROM)实际上由“与阵列”和“或阵列”构成，而其中“与阵列”是固定的，“或阵列”是可编程的。如果“与阵列”也可由用户自己按需要编程，那么，这种“与阵列”和“或阵列”均可编程的电路称为可编程逻辑阵列，简称PLA。如果用这种器件实现逻辑函数，可用逻辑函数的最简“与或”表达式来对PLA编程。,由此可知，PLA在实现逻辑函数方面，芯片面积大大小于要实现相同逻辑函数所用ROM的芯片面积。图8.1.3为PLATMS2000的内部结构图，它除了可编程的“与阵列”、“或阵列”外，还包含有记忆元件(触发器网络)，所以它不仅能实现组合逻辑，而且还能实现时序逻辑。,图8.1.3 PLA全加器的阵列结构,2. 用PLA实现一位二进制全加器 我们已知全加器的最简逻辑表达式为,该式中共有7个乘积项，它们是,用这些乘积项组成的S和Ci-1表达式如下： S=P0+P1+P2+P3 Ci=P4+P5+P6 根据上述各式，可画出PLA全加器的阵列结构如图8.1.3所示。,8.2 随机存取存储器(RAM),8.2.1 RAM工作原理简述 RAM有静态和动态两种。 (1)静态RAM的结构类似ROM，只是它的存储单元是由双稳态触发器来记忆信息的，一旦触发器被触发，在不断电情况下，它的状态将被保持到下一次的触发信号到来，在这期间，读触发器的状态不会改变触发器状态，即它可在不断电的情况下反复高速读写，无限制。,(2) 动态RAM的存储单元是由电容存储电荷来记忆信息的，考虑到集成度，这些电容容量都很小，而与这些电容相连器件的输入电阻总是一有限的高阻，所以在这些电容上的电荷存在放电现象。为了维持电容上记忆的信息，需在一定的时间内不断刷新存储单元。所以动态RAM在使用上不如静态RAM方便，但它的集成度比静态RAM高，且价格相对较低。,1. RAM的一般结构,在计算机中，1位称为1比特(bit)，1024称为1K，1K = 1024 = 210。例如某RAM芯片有12条地址线和8条数据线，可以寻址212 = 4096 = 4K个存储单元，存储容量为4K8位，也可以说是32 K位或32 K比特。 存储器的读/写操作由读/写控制信号 控制， 为高电平表示从选中存储单元读取信息， 为低电平表示向选中存储单元写入信息。 通过片选信号 可实现系统扩展，只有片选信号有效，芯片才被选中，才可以对芯片进行读写操作。 当芯片未被选中时，数据线处于高阻状态。,存储器因为容量很大，所以其地址码或地址线位数较多， 如果直接对地址进行译码，仅地址译码器就非常庞大。为了简化电路， 常常将地址码分为X和Y两部分，用两个译码器分别进行译码，这称为二维译码。X部分的地址称为行地址， X译码器称为行地址译码器；Y部分的地址称为列地址， Y译码器称为列地址译码器。只有同时被行地址译码器和列地址译码器选中的存储单元，才能进行读写操作。,2. 常用RAM芯片,表8.2.1 部分常用RAM芯片型号及存储容量,表8.2.2 MB2114的工作方式,图 8.2.3 MB2114读/写时序 (a) 读时序； (b) 写时序,图 8.2.4 MB2114读/写时序 (a) 读时序； (b) 写时序,8.2.2 RAM的应用 RAM的应用领域很广泛，在微型计算机、单片机系统中几乎少不了它。下面简单介绍几种应用。 1.系统断电后数据保护 在有些应用场合，不仅要求对现场不断变化的数据作即时记忆，并且当系统断电时能将当时的数据保存下来。显然，对于前一要求，RAM是符合的，但RAM是易失性器件，它所保存的有效信息在断电后会立即丢失。然而由于低功耗静态RAM的出现使得用锂电池(或可充电电池)来进行断电数据保护成为可能(一节3V锂电池可维持一片62256(32K8位)芯片大约三年以上数据不丢失)。,图8.2.5所示为一种RAM数据断电保护电路。图中+5V是系统提供的工作电源，3V锂电池是维持RAM数据用的备用电源。当系统正常运行时，由于系统提供的+5V电源电压高于3V锂电池备用电源电压，故二极管V1导通，V2截止，这时3V锂电池无电流输出，RAM的工作电压由系统提供。当系统失电后，系统提供的工作电源电压低于3V锂电池备用电源电压时，二极管V2导通，V1截止，这时RAM工作电压由3V锂电池提供，在这维持电压下，维持电流很小，所以它能在相当长时间内保持RAM内