7数字电子技术基础第七章
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通常将每个输出代码叫一个“字”，并把 W0—W3叫做字线，把D0—D3叫做位线（或数据 线），而A1、A0称为地址线。输出端的缓冲器用来 提高带负载的能力，并将输出的高、低电平变换为
标准的逻辑电平。同时，通过给定 EN 信号实现对 输出的三态控制。
在读取数据时，只要输入指定的地址码并
令 EN = 0 ，则指定地址内各存储单元所存数据就会出现 在数据线上.
相当 于负 载电 阻
2、可编程只读存储器(PROM)
在开发数字电路新产品的过程中，设计人员经常 需要按照自己的设想得到存有所需内容的ROM。这 时可通过将所需内容自行写入PROM而得到要求的 ROM。
PROM的总体结构与掩模ROM一样，同样由存 储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在出厂 时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储 元件，即相当于在所有存储单元中都存入了1。
由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越 来越快，这就要求存储器具有更大的存储容量和更快 的存取速度 。通常都把存储量和存取速度作为衡量存 储器性能的重要指标。目前动态存储器的容量已达位 109位/片。一些高速随机存储器的存取时间仅10ns左 右。
一、半导体存储器的分类 1、以存、取功能分 ：
只读存储器（Read-Only Memory，简称 ROM） 随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）
3 、 可擦除可编程只读存储器（EPROM）
由于可擦除的可编程ROM(EPROM)中存 储的数据可以擦除重写，因而在需要经常修改 ROM中内容的场合，经常使用EPROM。分:
紫外线擦除的EPROM，也称UVEPROM。 电信号可擦除的EPROM 简称E 2 PROM 快闪存储器（Flash Memory）
三、存储器容量的扩展 1、位扩展方式
如果每一个ROM或RAM中的字数已经够用而每 个字的位数不够用时，应采用位扩展的连接方式，将 多片ROM或RAM组合成位数更多的存储器。
RAM的位扩展连接方法如图
用8片10241位的RAM接成了一个1024×8位的RAM。 连接的方法十分的简单，只需要把8片RAM的所有
例如当A1A0=10 时，W2=1，而其他字线均为低电 平。由于只有 D2’一根线与 W2 间接有二极管，所以 这个二级管导通后使 D2’为高电平，而D0’ 、 D1’和 D2’为低电平。如这时 EN = 0 在数据输出端D3D2 D1 D0=0100 。全部4个地址内的存储内容列于表中。
地址 数 据
将4片256×8位RAM接成1024×8位RAM的 例子如下图。
4片共1024个字，所以必须有1024个地址。然而每片上 的地址端只有8位（A0~A7），给出地址范围全都是 0~255，无法区分4片中同样的地址单元。必须增加两位 地址代码A8、A9，使地址代码增加到10位，才能得到 1024个地址.如图，第一片的A9A8=00，第二片的 A9A8=01，第三片的A9A8=10，第四片的A9A8=11目前已成为大容量RAM的主流产品。
UCC
V5
V6
预充脉冲 X
Q
Q
V3
UC1 UC2
V4
位
V1
V2
存储 单元
线
位
D
C1
C2
线
D
CO1
V7 D
CO2 V8
Y D
(a)
字选线
V CS
位线D (数据线)
CO输出电容
(b)
(a) 四管动态MOS存储单元； (b) 单管动态MOS存储单元
一、只读存储器（ROM）
1、掩模只读存储器
厂家按用户要求专门设计的，用掩模工艺制 作。数据已固化在里面了。 1）ROM结构
ROM的电路结构包含存储矩阵、地址译码器 和输出缓冲器三个组成部分，如图所示。
存储矩阵由许多存储单元排列而成。存储单元可 以用二极管构成，也可以用双极型三极管或MOS管 构成。每个单元能存放1位二值代码（0或1）。每一 个或一组存储单元有一个对应的地址代码。
只读存储器（ROM）：只能从中读取数据， 不能随时修改和重新写入数据。 优点：电路结构简单，而且在断电以后数据不 会丢失 缺点：只适用于存储那些固定数据的场合。
只读存储器中又分： 掩模ROM、可编程ROM（Programmable Read-Only Me mory，简称PROM）、可擦除、可编程ROM（Erasable Programmable ROM简称EPROM）
此外，由于每一片RAM的数据端I/O1~I/O8都设置 了由 CS 控制的三态输出缓冲器，而现在它们的 CS 任何时候只有一个处于低电平，故可将它们的数据 端并联起来，作为整个RAM的8位数据输入/输出端。
上述字扩展接法也同样适用于ROM电路。 如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够用，就 需要同时采用位扩展和字扩展方法。
特点：擦除速度比EPROM快；可以字节为单位 擦除和重写。
3）快闪存储器 快闪存储器属电擦除可编程ROM。 特点：集成度高；成本低；使用方便。擦除方式同
EPROM（整体）。
二、随机存储器（RAM） 可随时写入和读出， 但停电后数据丢失。 1、静态随机存储器（SRAM） （1）结构和原理。
行地址选中一行 存储单元，列地 址选中一行存储 单元中的一位或几位，使这些存储单元与读/写控制电 路与输入/输出端连通,以便对它们进行读、写操作。
第七章
存储器和可编程逻辑器件
内容安排
§7.1 半导体存储器 只读存储器（ROM） 随机存储器（RAM） 存储器容量的扩展 串行存储器的结构及工作原理
§7.2 可编程逻辑器件(PLD) 现场可编程逻辑阵列（FPLA） 可编程阵列逻辑（PAL） 通用阵列逻辑（GAL）
第一节 半导体存储器
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。在电子计算机以及其他一些数字系统的工作 过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储 器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。
1）EPROM（UVEPROM）
EPROM与前面介绍的PROM在总体结构上 没有太大的区别，只是采用了不同的存储单元 （浮栅雪崩注入MOS管、叠栅注入MOS管 SIMOS）。擦除时间约为20-30分钟。为了便 于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英盖 板。在写好数据以后应使用不透明的胶带将石 英板遮蔽，以防数据丢失。
ROM电路结构很简单，所以集成度可以做得 很高。
采用MOS工艺制作ROM时，译码器、存储 矩阵和输出缓冲器全用MOS管组成。MOS管存 储矩阵的原理如图，一般都采用简化画法。
以N沟道增强型 MOS管代替图中的二极管。字线 与位线的交叉点上接有MOS管时相当于存1，没接 MOS管时相当于存0。当给定地址代码后，经译码器 译成W0~W3 中某根字线上的高电平。
A1 A0 00 01 10 11
D 3 D 2 D1 D0 0101 1011 0100 1110
不难看出，字线和位
线的每个交叉点都是
一个存储单元.交点
处接有二极管时相当
于存1，没有接二极
管时相当于存0。交
叉点的数目也就是
存储单元数。
与 门 阵 列
或门阵列
习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储 量（或称容量），并写成“（字数）× 位 数）”的形式。例如图中ROM的存储量应表示 成“ 4×4位”。
1024 × 4位RAM（2114）的结构框图
2、动态随机存储器（DRAM）
动态MOS存储单元利用MOS管的栅极电容来存储信息， 但由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对 等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息 的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把 这种操作称为“刷新 ”或 “再生”，因此DRAM内部要有刷 新控制电路，其操作也比静态RAM复杂。
把210 =1024称为1k）按位（bit）计容量为16kb。
工作原理：
C S 片 选 端 ,低 电 平 有 效 。 OE 输出控制端, 低电平。
在片选和输出控制有效情况下，给定 地址后，行译码器选中某一行，再由列译 码器通过8个数选器选出8位数据，由输出 电路输出。
数据端在编程时，作为数据输入端。
2）原理 写入时（CS = 0, R / W = 0）,同时 字线和位线均被选中，T5~T8 管导通，A2、A3导通，数据 被写入。不被选中时， 静态触发器保存数据。 读出时（ CS = 0, R / W = 1 ）, 同样字线和位线均被选中， T5~T8管导通，不同的是 A1导通，静态触发器的数据可送到I/O端。
（2）SRAM静态存储单元 1)电路（6管） 由6只N沟道增强型MOS
管组成的静态存储单元。
由静态触发器加门控管
构成。T1~T4 构成静态 触发器，T5和T6是门控管。T7和T8是每一列存储单元公 用的门控管。Bj 和B j 是位线，A1~A3是三态门。读写 控制电路每位一个，C S 和 R / W 端控制全部读/写控制 电路。
地址线、R / W 、CS 分别并联起来就行了。每一片的 I/O端作为整个RAM输入/输出数据端的一位。总的存储 容量为每一片存储容量的8倍。
ROM芯片上没有读/写控制端 R / W ，在进行位扩展
时其余引出端的连接方法和RAM完全相同。
2、字扩展方式 如果一片存储器的数据位数够用而字数不够
用时，则需要采用字扩展方式，将多片存储器 （RAM或者ROM）芯片接成一个字数更多的存 储器。
图示是熔丝型PROM存储单元的 原理图。它由一只三级管和串在发 射极的快速熔断丝组成。三极管的 be结相当于接在字线与位线之间的 二极管。
熔丝用很细的低熔点合金丝或多晶硅导线制 成。在写入数据时只要设法将需要存入0的那些 存储单元上的熔丝烧断就行了。 可见，PROM的内容一经写入后，就不可能修 改了。
随机存储器（RAM）：可以随时向存储器里写入数据 或从中读出数据。分为静态存储器（Static Random Access Memory,简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）。
2、从制造工艺上又可以把存储器分为： 双极型、 MOS型
鉴于MOS电路（尤其是CMOS电路）具有功耗 低、集成度高的优点，所以目前大容量的存储 器都是采用MOS工艺制作的。
输地出址缓译冲码器器的的作作用用有是两将个输，入一的是地能址提代高码存译储成器相的应 带的负控载制能信力号，，二利是用实这现个对控输制出信状号态从的存三储态矩控阵制中，把以指 便定与的系单统元的选总出线，连并接把。其中的数据送到输出缓冲器。
2）二极管ROM 由二极管构成的
具有2位地址输入码 和4位数据输出的 ROM电路如图：
4片RAM的低8位地址是相同的，所以接线时把它 们分别并联起来就行了。由于每片RAM上只有8个地 址输入端，所以A8、A9的输入端只好借用 C端S 。 图中使用2线~4线译码器将A8A9的4种编码 00、 01、10、11分别译成 Y 0 、Y 1 、Y 2 、Y 3 4个低电平输 出信号，然后用它们分别去控制4片RAM的 CS 端。
W 0 = A1 A 0
W 1 = A1 A 0
W 2 = A1 A 0 W 3 = A1 A 0
与 门 阵 列
或门阵列
地址译码器由4个二极管与门组成。地址代码 A1A0能给出4个不同的地址。地址译码器将这4个地 址代码分别译成W0—W3 4根线上高电平信号。存储 矩阵实际上是由4个二极管或门组成的编码器，当 W0—W3每根线上给出高电平信号时，都会在D0—D3 4根线上输出一个4位二值代码。
（2）E2PROM
虽然用紫外线擦除的EPROM具备了可擦除重写 的功能，但擦除操作复杂，擦除速度很慢。为克服 这些缺点，又研制成了可用电信号擦除的可编程 ROM，这就是通常所说的 E2PROM 。
在 E2PROM 的存储单元中采用了一种叫做浮栅 隧道氧化层MOS管（Floating gate Tunnel Oxide，简称Flotox管）。
SIMOS管的结构和符号
2716EPROM介绍： 2716EPROM基本结构如图：
由存储矩阵、译码 器、数据输出电路和 控制电路组成。11根 地址线，其中 A3~A10是行地址 码，译成256条行地 址线，A2、A1 、A0 是列地址码.
通过8个八选一数选器从64根位线中选出8条组成一个字
输出，所以它的容量若以为256×8=2048=2k字（习惯
标准的逻辑电平。同时，通过给定 EN 信号实现对 输出的三态控制。
在读取数据时，只要输入指定的地址码并
令 EN = 0 ，则指定地址内各存储单元所存数据就会出现 在数据线上.
相当 于负 载电 阻
2、可编程只读存储器(PROM)
在开发数字电路新产品的过程中，设计人员经常 需要按照自己的设想得到存有所需内容的ROM。这 时可通过将所需内容自行写入PROM而得到要求的 ROM。
PROM的总体结构与掩模ROM一样，同样由存 储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在出厂 时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储 元件，即相当于在所有存储单元中都存入了1。
由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越 来越快，这就要求存储器具有更大的存储容量和更快 的存取速度 。通常都把存储量和存取速度作为衡量存 储器性能的重要指标。目前动态存储器的容量已达位 109位/片。一些高速随机存储器的存取时间仅10ns左 右。
一、半导体存储器的分类 1、以存、取功能分 ：
只读存储器（Read-Only Memory，简称 ROM） 随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）
3 、 可擦除可编程只读存储器（EPROM）
由于可擦除的可编程ROM(EPROM)中存 储的数据可以擦除重写，因而在需要经常修改 ROM中内容的场合，经常使用EPROM。分:
紫外线擦除的EPROM，也称UVEPROM。 电信号可擦除的EPROM 简称E 2 PROM 快闪存储器（Flash Memory）
三、存储器容量的扩展 1、位扩展方式
如果每一个ROM或RAM中的字数已经够用而每 个字的位数不够用时，应采用位扩展的连接方式，将 多片ROM或RAM组合成位数更多的存储器。
RAM的位扩展连接方法如图
用8片10241位的RAM接成了一个1024×8位的RAM。 连接的方法十分的简单，只需要把8片RAM的所有
例如当A1A0=10 时，W2=1，而其他字线均为低电 平。由于只有 D2’一根线与 W2 间接有二极管，所以 这个二级管导通后使 D2’为高电平，而D0’ 、 D1’和 D2’为低电平。如这时 EN = 0 在数据输出端D3D2 D1 D0=0100 。全部4个地址内的存储内容列于表中。
地址 数 据
将4片256×8位RAM接成1024×8位RAM的 例子如下图。
4片共1024个字，所以必须有1024个地址。然而每片上 的地址端只有8位（A0~A7），给出地址范围全都是 0~255，无法区分4片中同样的地址单元。必须增加两位 地址代码A8、A9，使地址代码增加到10位，才能得到 1024个地址.如图，第一片的A9A8=00，第二片的 A9A8=01，第三片的A9A8=10，第四片的A9A8=11目前已成为大容量RAM的主流产品。
UCC
V5
V6
预充脉冲 X
Q
Q
V3
UC1 UC2
V4
位
V1
V2
存储 单元
线
位
D
C1
C2
线
D
CO1
V7 D
CO2 V8
Y D
(a)
字选线
V CS
位线D (数据线)
CO输出电容
(b)
(a) 四管动态MOS存储单元； (b) 单管动态MOS存储单元
一、只读存储器（ROM）
1、掩模只读存储器
厂家按用户要求专门设计的，用掩模工艺制 作。数据已固化在里面了。 1）ROM结构
ROM的电路结构包含存储矩阵、地址译码器 和输出缓冲器三个组成部分，如图所示。
存储矩阵由许多存储单元排列而成。存储单元可 以用二极管构成，也可以用双极型三极管或MOS管 构成。每个单元能存放1位二值代码（0或1）。每一 个或一组存储单元有一个对应的地址代码。
只读存储器（ROM）：只能从中读取数据， 不能随时修改和重新写入数据。 优点：电路结构简单，而且在断电以后数据不 会丢失 缺点：只适用于存储那些固定数据的场合。
只读存储器中又分： 掩模ROM、可编程ROM（Programmable Read-Only Me mory，简称PROM）、可擦除、可编程ROM（Erasable Programmable ROM简称EPROM）
此外，由于每一片RAM的数据端I/O1~I/O8都设置 了由 CS 控制的三态输出缓冲器，而现在它们的 CS 任何时候只有一个处于低电平，故可将它们的数据 端并联起来，作为整个RAM的8位数据输入/输出端。
上述字扩展接法也同样适用于ROM电路。 如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够用，就 需要同时采用位扩展和字扩展方法。
特点：擦除速度比EPROM快；可以字节为单位 擦除和重写。
3）快闪存储器 快闪存储器属电擦除可编程ROM。 特点：集成度高；成本低；使用方便。擦除方式同
EPROM（整体）。
二、随机存储器（RAM） 可随时写入和读出， 但停电后数据丢失。 1、静态随机存储器（SRAM） （1）结构和原理。
行地址选中一行 存储单元，列地 址选中一行存储 单元中的一位或几位，使这些存储单元与读/写控制电 路与输入/输出端连通,以便对它们进行读、写操作。
第七章
存储器和可编程逻辑器件
内容安排
§7.1 半导体存储器 只读存储器（ROM） 随机存储器（RAM） 存储器容量的扩展 串行存储器的结构及工作原理
§7.2 可编程逻辑器件(PLD) 现场可编程逻辑阵列（FPLA） 可编程阵列逻辑（PAL） 通用阵列逻辑（GAL）
第一节 半导体存储器
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。在电子计算机以及其他一些数字系统的工作 过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储 器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。
1）EPROM（UVEPROM）
EPROM与前面介绍的PROM在总体结构上 没有太大的区别，只是采用了不同的存储单元 （浮栅雪崩注入MOS管、叠栅注入MOS管 SIMOS）。擦除时间约为20-30分钟。为了便 于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英盖 板。在写好数据以后应使用不透明的胶带将石 英板遮蔽，以防数据丢失。
ROM电路结构很简单，所以集成度可以做得 很高。
采用MOS工艺制作ROM时，译码器、存储 矩阵和输出缓冲器全用MOS管组成。MOS管存 储矩阵的原理如图，一般都采用简化画法。
以N沟道增强型 MOS管代替图中的二极管。字线 与位线的交叉点上接有MOS管时相当于存1，没接 MOS管时相当于存0。当给定地址代码后，经译码器 译成W0~W3 中某根字线上的高电平。
A1 A0 00 01 10 11
D 3 D 2 D1 D0 0101 1011 0100 1110
不难看出，字线和位
线的每个交叉点都是
一个存储单元.交点
处接有二极管时相当
于存1，没有接二极
管时相当于存0。交
叉点的数目也就是
存储单元数。
与 门 阵 列
或门阵列
习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储 量（或称容量），并写成“（字数）× 位 数）”的形式。例如图中ROM的存储量应表示 成“ 4×4位”。
1024 × 4位RAM（2114）的结构框图
2、动态随机存储器（DRAM）
动态MOS存储单元利用MOS管的栅极电容来存储信息， 但由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对 等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息 的丢失，必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把 这种操作称为“刷新 ”或 “再生”，因此DRAM内部要有刷 新控制电路，其操作也比静态RAM复杂。
把210 =1024称为1k）按位（bit）计容量为16kb。
工作原理：
C S 片 选 端 ,低 电 平 有 效 。 OE 输出控制端, 低电平。
在片选和输出控制有效情况下，给定 地址后，行译码器选中某一行，再由列译 码器通过8个数选器选出8位数据，由输出 电路输出。
数据端在编程时，作为数据输入端。
2）原理 写入时（CS = 0, R / W = 0）,同时 字线和位线均被选中，T5~T8 管导通，A2、A3导通，数据 被写入。不被选中时， 静态触发器保存数据。 读出时（ CS = 0, R / W = 1 ）, 同样字线和位线均被选中， T5~T8管导通，不同的是 A1导通，静态触发器的数据可送到I/O端。
（2）SRAM静态存储单元 1)电路（6管） 由6只N沟道增强型MOS
管组成的静态存储单元。
由静态触发器加门控管
构成。T1~T4 构成静态 触发器，T5和T6是门控管。T7和T8是每一列存储单元公 用的门控管。Bj 和B j 是位线，A1~A3是三态门。读写 控制电路每位一个，C S 和 R / W 端控制全部读/写控制 电路。
地址线、R / W 、CS 分别并联起来就行了。每一片的 I/O端作为整个RAM输入/输出数据端的一位。总的存储 容量为每一片存储容量的8倍。
ROM芯片上没有读/写控制端 R / W ，在进行位扩展
时其余引出端的连接方法和RAM完全相同。
2、字扩展方式 如果一片存储器的数据位数够用而字数不够
用时，则需要采用字扩展方式，将多片存储器 （RAM或者ROM）芯片接成一个字数更多的存 储器。
图示是熔丝型PROM存储单元的 原理图。它由一只三级管和串在发 射极的快速熔断丝组成。三极管的 be结相当于接在字线与位线之间的 二极管。
熔丝用很细的低熔点合金丝或多晶硅导线制 成。在写入数据时只要设法将需要存入0的那些 存储单元上的熔丝烧断就行了。 可见，PROM的内容一经写入后，就不可能修 改了。
随机存储器（RAM）：可以随时向存储器里写入数据 或从中读出数据。分为静态存储器（Static Random Access Memory,简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）。
2、从制造工艺上又可以把存储器分为： 双极型、 MOS型
鉴于MOS电路（尤其是CMOS电路）具有功耗 低、集成度高的优点，所以目前大容量的存储 器都是采用MOS工艺制作的。
输地出址缓译冲码器器的的作作用用有是两将个输，入一的是地能址提代高码存译储成器相的应 带的负控载制能信力号，，二利是用实这现个对控输制出信状号态从的存三储态矩控阵制中，把以指 便定与的系单统元的选总出线，连并接把。其中的数据送到输出缓冲器。
2）二极管ROM 由二极管构成的
具有2位地址输入码 和4位数据输出的 ROM电路如图：
4片RAM的低8位地址是相同的，所以接线时把它 们分别并联起来就行了。由于每片RAM上只有8个地 址输入端，所以A8、A9的输入端只好借用 C端S 。 图中使用2线~4线译码器将A8A9的4种编码 00、 01、10、11分别译成 Y 0 、Y 1 、Y 2 、Y 3 4个低电平输 出信号，然后用它们分别去控制4片RAM的 CS 端。
W 0 = A1 A 0
W 1 = A1 A 0
W 2 = A1 A 0 W 3 = A1 A 0
与 门 阵 列
或门阵列
地址译码器由4个二极管与门组成。地址代码 A1A0能给出4个不同的地址。地址译码器将这4个地 址代码分别译成W0—W3 4根线上高电平信号。存储 矩阵实际上是由4个二极管或门组成的编码器，当 W0—W3每根线上给出高电平信号时，都会在D0—D3 4根线上输出一个4位二值代码。
（2）E2PROM
虽然用紫外线擦除的EPROM具备了可擦除重写 的功能，但擦除操作复杂，擦除速度很慢。为克服 这些缺点，又研制成了可用电信号擦除的可编程 ROM，这就是通常所说的 E2PROM 。
在 E2PROM 的存储单元中采用了一种叫做浮栅 隧道氧化层MOS管（Floating gate Tunnel Oxide，简称Flotox管）。
SIMOS管的结构和符号
2716EPROM介绍： 2716EPROM基本结构如图：
由存储矩阵、译码 器、数据输出电路和 控制电路组成。11根 地址线，其中 A3~A10是行地址 码，译成256条行地 址线，A2、A1 、A0 是列地址码.
通过8个八选一数选器从64根位线中选出8条组成一个字
输出，所以它的容量若以为256×8=2048=2k字（习惯