第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件

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Y7
7.3 可编程逻辑器件（PLD）
PLD—Programmable Logic Devices
大规模集成电路，集成了大量的门电 路和触发器，用户可编程构成所需电路。 优点：
清华大学电机系唐庆玉 （1）节省集成芯片的数量节省电路板面积，
节省电耗，减少产品体积，降低成本 2003年11月15日编 （2）电路保密，不易被他人仿造
A12 ~ A0 D7 ~ D0 地
2764
CS PGM
6 5 4 3 25 24 21 23 2 20 22
引脚 A12 ~ A0 D7 ~ D0 CS P GM Vpp Vcc
功能
入
地址输入 数 据 芯片使能 编程脉冲 电压输入
CS OE
五、电可改写只读存储器E2PROM • 由于EPROM在擦除时必须用紫外线照射，因而给 使用者带来不便。而E2PROM正是为克服这一缺 点而出现的新型存储器。E2PROM的存储位结构 与EPROM相似，但在浮栅与漏极±间增加了一个 隧道管，使电荷可以在浮栅与漏极之间双向流 动，不再需要紫外线来激发，即编程和擦除均 可用电来完成。 • E2PROM既能像EPROM那样长期保存信息，又能在 在线情况下随时改写；既可单字节改写，又可 全片擦除改写。
二、二极管阵列的掩膜ROM
字线 A1 字 地 W1 址 译 W2 码 器 W3 W0 位线
二极管 存贮矩阵
每个单元所存数据
A1A0 W3W2 W1 W0 D3D2D1D0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0
地 址 线
0 1 0 0 1 0 0 1 0 1
1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
A0
（1）固定ROM（又叫掩膜ROM）。厂家把数据写入 存储器中，用户无法进行任何修改。 （2）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内 容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要编程， 但只能编程一次。 （3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技 术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而 被擦除，可多次编程。
静态RAM存储单元所用的管子多，功耗大，集
成度受到影响，目前常用的是动态RAM。
单管动态存储单元
数据存储在Cs中，T 为门控管，通过控制T 的导通与截止，可以把 数据从存储单元送至位 线上或将位线上的数据 写入到存储单元。
4. 片选及输入/输出控制电路
D G1 I/O G4 & G 3 G5 & CS R/W D G2
当选片信号CS＝1时，G5 、G4 输出为0，三态门G1 、G2 、G3 均处 于高阻状态，输入/输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器 禁止读/写操作，即不工作；
当CS＝0时，芯片被选通：当 ＝1时，G5输出高电平，G3被打开， 于是被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；
1 1 1 0 0 0 0 0 1 1
输出 三态门
输出使能 OE
D3 D2 D1 D0 数据线
PROM（熔丝式）电路原理
字线
熔断丝
位线
(1)PLD的逻辑表示方法
固定连接
编程连接
不连接
熔丝
（2）PLD的图形符号
缓冲门 A A A A
相当于
&
1
A A
A BC 与门
Y
A B C A B C A B
&
（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅 技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧 道 MOS管 ， 是 用 电擦 除 ， 并且 擦除的速 度 要 快 的 多 （一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改 写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的 功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。 （5）快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型 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，一般一只芯片可以擦 除/写入100次以上。
图 6.8
EPROM存储位模型图
EPROM是目前使用最广泛的一类ROM，甚至有些廉价 的塑封EPROM根本就不制作石英玻璃窗口，目的是降 低制作成本，不过这种EPROM只能编程一次。
EPROM举例——2764
Vpp Vcc
VPP VIH (PGM) 1 27 10 9 8 7 地 址 输 P GM A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 CS OE GND 14 8kB×8 2764 O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 11 12 13 15 16 17 18 19 输 出 数 据 V CC 28
这样每一个存储 单元都有了一个 固定的编号，称 为地址。
2．地址译码器——将寄存器 地址所对应的二进制数译 成有效的行选信号和列选 信号，从而选中该存储单 元。 采用双译码结构。 行地址译码器：5输入32输出， 输入为A0 、A1 、…、A4 ， 输出为X0、X1、…、X31； 列地址译码器：5输入32输出， 输入为A5 、A6 、…、A9 ， 输出为Y0、Y1、…、Y31， 这样共有10条地址线。
第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件
存储器——用以存储二进制信息的器件。
半导体存储器的分类：
根据使用功能的不同，半导体存储器可分为两大类： （1）随机存取存储器（RAM）也叫做读/写存储器。既能 方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM的 缺点是数据易失，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。 （2）只读存储器（ROM）。其内容只能读出不能写入。 存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。 存储器的容量：存储器的容量=字长（n）×字数（m）
当 ＝0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加在I/O端的 数据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。
二. RAM的工作时序（以写入过程为例）
t WC
ADD CS
写入单元的地址
R/W
t AS
t
WP
t
WR
I/O
t
写入数据
DW t DH
读出操作过程如下： （1）欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端； （2）加入有效的选片信号CS； （3）将待写入的数据加到数据输入端。 （3）在 线上加低电平，进入写工作状态； （4）让选片信号CS无效，I/O端呈高阻态。
7.1 随机存取存储器（RAM）
一． RAM的基本结构
由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、 片选控制等几部分组成。
地 址 码 输 入 片选 读/写控制 输入/输出 地 址 译 码 器
存储矩阵
读/写 控制器
1. 存储矩阵
图 中 ， 1024 个 字 排 列 成 32×32 的 矩阵。 为了存取方便， 给它们编上号。 32 行 编 号 为 X0 、 X1、…、X31， 32 列 编 号 为 Y0 、 Y1、…、Y31。
地址又是如何分配的？
某RAM芯片存有2048个字，每个字长为8位，该芯片 应有 11 个地址引脚，I/O引脚应有 8 个
四.RAM的芯片简介(6116) 6116为2K×8位静态CMOSRAM 芯片引脚排列图：
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 6116
例如，输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000001，则行 选线X1＝1、列选线Y0＝1，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。
3． RAM的存储单元
六管NMOS静态存储单元
只有当行、列选 择线均为高电平 时，该存储单元 才会被选中。
三管动态存储单元 数据存储在电容C 里，当电容充有足 够的电荷时，为逻 辑状态0。 当有读数据时，可 对该存储单元进行 刷新。 只要该行有读信号 ，该行数据均可刷 新。
...
I/O 0 I/O1
...
9
I/O7
R/W CS
... A
1024×8RAM A0 A 1
R/W CS
... A
R/W CS
A0 A1 A9
R/W
A10 A11 A12 +5V
...
A B C G1 G2A G2B 74LS138 Y0 Y1
.. .. ..
Y7
扩展后的存储器系统，它的地址空间有多大？
.. .. ..
13
. . . . . .
A12 CS
.. .. ..
O7
O7
OE U1
OE U2
~
CS OE
（2）字数扩展（地址码扩展）
用8片2764
8
. . O . . .. . . .. A ..
A0
0 12
2764
8
. . O . . .. . . .. A ..
A BC ABC ABC
ABC
A BC A BC ABC
ABC
Y
Y ABC ABC ABC ABC
四、光可擦除可编程ROM（EPROM） EPROM是一种可以多次重复使用的ROM，其存储位 结构如图6.8所示。它的每个存储位都制作一个管 子，但与掩膜式ROM不同，其栅极G悬浮于高阻抗的 SiO2层中，浮栅上有无电荷将决定管子是否导通， 即该位状态是0还是1。编程时，在较高的编程电压 Vpp的作用下，电荷可以感生进入浮栅。因SiO2 的 高阻抗，电荷一旦进入浮栅后可以保持十年以上。 若要擦除已写入的数据，可用紫外光照射浮栅，使 浮栅上的电荷获得足够的能量越过SiO2层逐渐泄放， 回到初始状态。为便于紫外光线透入，EPROM一般 都带有石英玻璃窗口。为避免阳光或其他光源中的 紫外线对EPROM起作用，正常使用时，窗口上应该 贴上一层不透明的保护膜。