第8章 存储器和可编程逻辑器件

3. 可改写 可改写ROM 为了适应程序调试的要求，针对一般PROM的不可修改 特性，设计出可以多次擦写的可编程ROM（EPROM—— Erasable Programmable ROM）），其特点是可以根据用户 的要求用工具擦去ROM中存储的原有内容，重新写入新的编 码。擦除和写入可以多次进行。同其他ROM一样，其中保存 的信息不会因断电而丢失。 早期的EPROM是利用紫外线擦除，即UVEPROM（Ultra Violer EPROM），其存储元件常用浮置栅型MOS管组成。出 厂时全部置0或1，由用户通过高压脉冲写入信息。擦除时通 过其外部的一个石英玻璃窗口，利用紫外线的照射，使浮栅 上的电荷获得高能而泄漏，恢复原有的全０或全1状态，允 ０ 许用户重新写入信息。这种EPROM芯片，平时必须用不透明 胶纸遮挡住石英窗口，以防因光线进入而造成信息流失。
图8-4为2114芯片内部的结构示意图。
其中每一个小方块均为一个六管MOS触发器基本单元电路， 排列成64×64矩阵，64列对应64对T7、T8管。又将64列分成 4组，每组包含16列，并与一个读写电路相连，读写电路受 和 WE 控制，4个读写电路对应4根数据线I/O1～I/O4。由图 CS 可见，行地址经译码后可选中某一行；列地址经译码后可选中 四组中的对应列，共四列。 当对某个基本单元电路进行读/写操作时，必须被行、列 地址共同选中。例如，当A9～A0为全0时，对应行地址A8～ A3为000000，列地址A9、A2、A1、A0也为0000，则第0行 的第0、16、32、48这4个基本单元电路被选中。此刻，若作 读操作，则 CS 为低电平， WE 为高电平，在读写电路的输出 端I/O1～I/O4便输出第0行的第0、16、32、48这四个单元电 路所存的信息。若作写操作，将写入信息送至I/O1～I/O4端口， 并 使为低电平、 为高电平，同样这四个输入信息将分别 CS WE 写入到第0行的第0、16、32、48四个单元之中。
图8-12所示是用双极型 三极管和熔丝组成的一位存 储单元。出厂时所有的熔丝 都是连通的，所村内容全为 1。在写入用户需要的内容 时，只需将要改写为0的单 元通以足够大的电流，使熔 丝烧断即可。可见，PROM 的内容一旦写入就无法再更 改。由于在写入时与正常工 作时的电流值不一样，因此 在对它编程时需要专用的编 程器。
8.2 存储器及其应用
一、随机存取存储器RAM 随机存取存储器 随机存取存储器RAM又称读/写存储器，在计算 机中是不可缺少的部分。RAM在电路正常工作时可 以随时读出数据，也可以随时改写数据，但停电后 数据丢失。因此RAM的特点是使用灵活方便，但数 据易丢失。它适用于需要对数据随时更新的场合， 如用于存放计算机中各种现场的输入、输出数据， 中间结果以及与外存交换信息等。 根据工作原理的不同，RAM又分为静态随机存 储器SRAM（Static RAM）和动态随机存储器DRAM （Dynamic RAM）两大类。它们的基本电路结构相 同，差别仅在存储电路的构成。
（3）字、位扩展 字、位扩展是指既增加存储字的数量，又增加存储字长。 图8-8所示为用8片1K×4位的RAM芯片组成4K×8位的存储器。
由图8-8可见，每两片构成1K×8位的存储器， 4组两片便构成4K×8位的存储器。地址线A11、 A10经片选译码器得4个片选信号 CS 0 、 1 、 2 、 3 CS CS CS 分别选择其中1K×8位的存储芯片。为读/写控制信 号。
2. 存储单元 静态存储单元是以静态触发器为核心，利用触发 器的自保持功能存储数据。如图8-2所示是六只N沟道 增强型MOS管组成的静态存储单元：其中T1～T4组 成基本的触发器；T5和T6是配合基本触发器的门控 管，起模拟开关的作用，受控于行地址译码器的输出； T7和T8决定是否与输入/输出电路相连，受控于列地 址译码器的输出。从图中可以看出，只有当相应的行、 列地址被选中为1时，T5～T8同时导通，存储单元才 与输入/输出电路连通，此时的读/写操作才对该存储 单元有效。
难点： 难点：
的字扩展和位扩展； （1） RAM的字扩展和位扩展； ） 的字扩展和位扩展 在组合逻辑电路中的应用； （2） ROM在组合逻辑电路中的应用； ） 在组合逻辑电路中的应用 的应用； （3） PLD的应用； ） 的应用 （4） 存储器的VHDL描述。 ） 存储器的 描述。 描述
8.1 概述
3. 静态 静态RAM芯片举例 芯片举例 Inter2114芯片的基本单 元电路由六个MOS管组成，图 8-3所示是一个容量为1 K×4 位的2114的逻辑符号。 图中A9～A0为地址输入 端； I/O1～I/O4为数据输入/输 出端； CS 为片选信号（低电平 有效）； WE 为写允许信号（低电 平有效，即低电平时为写）； VCC为电源端； GND为接地端。
二、只读存储器ROM 只读存储器 通常把使用时只读出不写入的存储器称为只读存 储器(ROM)。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改， 其信息在断电后仍然保留。一般用于存放微程序、固 定子程序、字母符号阵列等系统及信息。 ROM也需要地址译码器、数据读出电路等组成部 分，但其电路比较简单。制作ROM的半导体材料有二 极管、MOS管和三极管等。因制造工艺和功能不同， ROM可分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)、可擦写 可编程ROM（EPROM）和电可擦可编ROM(E2PROM)。
3. 可靠性 存储器的可靠性是指在规定的时间内存储器无故 障工作的情况，一般用平均无故障时间衡量。平均无 故障时间（MTBF）越长，表示存储器的可靠性越好。 4. 性能／价格比 性能／ 性能／价格比,简称性/价比，是衡量存储器的综 合性指标。通常要根据对存储器提出的不同用途、不 同环境要求进行对比选择。
读/写控制电路用于控制电路的工作状态。当读/ 写控制信号 R / W = 1时，执行读操作，将存储单元 里的数据送到输入/输出端上；当读/写控制信号 R / W = 0时，执行写操作，加到输入/输出端上的数 据被写入存储单元中。 在读/写控制电路上均另有片选输入 CS ：当 CS = 0时，RAM处于工作状态；当 CS = 1时，所有的 输入/输出端都为高阻状态，因而不能对RAM进行读/ 写操作。
1. ROM的结构及工作原理 的结构及工作原理 一般的ROM是掩模ROM。这类ROM由生产厂家 做成，用户不能修改。ROM是由存储阵列、地址译 码器、读出电路三部分构成，其结构框图如图8-10 所示。
A1 地 址 N=2P 寄 存 地址输入 A2 器 … … 器 … 码
存储单元矩阵
地 址 译 N(字)×M(位)
又如，将8片16K×1位的RAM芯片连接，可组成一个 16K×8位的存储器，如图8-6所示。
（2）字扩展 字扩展是指增加存储器字的数量，或者增加RAM内存储 单元的个数。例如，用2片1K×8位的存储芯片，可组成一个 2K×8位的存储器，即存储器字数增加了一倍，如图8-7所示。 图中，将A10用作片选信号。由于存储芯片的片选输入端要 求低电平有效，故当A10为低电平0时， 0 有效，选中左边 CS 的1K×8位芯片；当A10为高电平1时，经反相器反相后有效， 选中右边的1K×8位芯片。
一、存储器
存储器是计算机中专门用来存储程序和数据的设备，一般 将存储器硬件设备和管理存储器的软件一起合称为存储系统。 存储器是计算机中存储信息的核心部件。 通常评价存储器性能的主要指标有以下几种： 1. 存储容量 衡量存储容量的常用单位为字节(B)、千字节(KB)、兆字节 (MB)和吉字节(GB)，它们之间的关系是 1 KB = 1 024 B = 210 B 1 MB = l 024 KB = l 048 576 B = 220 B 1 GB = 1 024 MB = l 048 576 KB = 1 073 741 824 B = 230 B
1. RAM的基本结构及工作原理 的基本结构及工作原理 随机存取存储器RAM的结构框图如图8-1所示，主要由存 储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成。
存储矩阵是整个电路的核心，它由许多存储单 元排列而成。地址译码器根据输入地址码选择要访 问的存储单元，通过读/写控制电路对其进行读/写操 作。 地址译码器一般都分成行译码器和列译码器两 部分。行地址译码器将输入地址代码的若干位译成 某一条字线的输出高、低电平信号，从存储矩阵中 选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址代码 的其余几位译成某一根输出线上的高、低电平信号， 从字线选中的一行存储单元中再选一位（或几位）， 使这些被选中的单元与读/写控制电路、输入/输出端 接通，以便对这些单元进行读、写操作。
2. 存取时间 信息存入存储器的操作称为写操作，信息从存储器取出 的操作称为读操作。存取时间是描述存储器读／写速度的重 要参数，通常用TA来表示。为了提高内存的工作速度，使之 与CPU的速度匹配，总是希望存取时间越短越好。 读／写周期是指存储器完成一次存取操作所需的时间， 即存储器进行两次连续独立地操作(读／写)所需的时间(读写 操作时间)。通常也称为存储周期，用TM表示；通常TM比TA 稍大，原因是存储器进行读、写操作之后需要短暂的稳定时 间，另外有些存储器电路刷新需要时间。 存取速度是指每秒从存储器读、写信息的数量，用BM表 示。设W为存储器传送的数据宽度(位或字节)，则有BM = W ／TA，单位为b／s或B／s。 在存储器中，一般用存取时间、读／写周期和存取速度 等指标来衡量存储器的性能。
5. RAM与微型计算机系统的连接 与微型计算机系统的连接 RAM大都作为计算机系统的存储部件使用。从 RAM外部看，其引脚可分为三组：地址线、数据线和 读/写控制线。而微型计算机系统通常也可将其系统 总线分为地址总线、数据总线和控制总线三组。所以， RAM在与微机系统相连接时，将RAM的地址线与微机 系统的地址总线相连，RAM的数据线与系统数据总线 相连，RAM的读/写控制线与系统控制总线中有关读/ 写的控制线相连，如图8-9所示。
AP
…
输出
器
… 输出 M位
2. 可编程 可编程ROM（PROM——Programmable ROM） （ ） 在实际使用过程中，用户希望根据自己的需要填 写ROM的内容，因此产生了可编程ROM（以下简称 PROM）。PROM与一般ROM的主要区别是，PROM在 出厂时其内容均为0或l，用户在使用时，按照自己的 需要，将程序和数据利用工具(用光或电的方法)写入 PROM中，一次写入后不可修改。PROM相当于由用 户完成ROM生产中的最后一道工序——向ROM中写 入编码，但在工作状态下，仍然只能对其进行读操作。