1、大规模集成电路第九章本章导读计算机需要使用存储电路储存计算过程中的信息和计算结果。早期主要使用磁芯存储器作内存。由于磁芯存储器存在容量小、速度慢、体积大、可靠性低，制约了计算机产业的发展。随着电子技术的发展，大规模集成电路得以广泛使用，半导体存储器的集成度、可靠性和存取速度迅速提高，制造工艺更为简便，价格迅速下降，从20世纪70年代开始，半导体存储器逐渐取代磁芯存储器。本章主要内容如下1.ROM的分类、结构及工作原理；2.RAM的分类、结构及工作原理；3.可编程逻辑器件的结构及应用大规模集成电路只读存储器（ROM）9.1可编程逻辑器件（PLD）9.2随机存储器（RAM）9.3第九章只读存储器（
2、ROM）9.19.1.1概述ROM（Read-Only Memory）即只读存储器，它是一种半导体内存，其特性是一旦储存资料就不会因为电源关闭而消失。ROM只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。它所存数据一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。只读存储器（ROM）9.19.1.1概述（1）ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；（2）ROM结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。只读存储器的特点1只读存储器（ROM）9.19.1.1概述实际上，只读存储器只是一个相对概念，随着电子技术制造的发展，只读已经发展为可
3、擦除。只读知识相对RAM(随机存储器)而言，现在，只读存储器可以分为以下类型。（1）掩膜型ROM(固定ROM)数据在制造时就写在芯片中，用户无法更改数据，只能读出数据。这种类型的ROM使用受到很大限制，市场上使用不多。（2）可编程ROMPROM可将数据写入芯片。一旦写入，也不能进行修改。这种芯片现在使用也不多了。（3）可擦除可编程ROMEPROM可以将数据写入芯片中，也可以使用特殊手段将芯片中的数据擦除，重新写入新数据，亦即可以中重复使用。（4）电可擦除ROM-E2PROM可以使用电压在线擦除芯片中内容，重新写入数据。只读存储器分类2只读存储器（ROM）9.19.1.2掩膜型ROM（固定型RO
4、M）只读内存（Read-Only Memory）是一种只能读取资料的内存。这种类型存储器的基本存储电路有二极管构成的，也有晶体管构成的，也有MOS构成的。只读存储器（ROM）9.19.1.3可编程ROM-PROM可编程ROM（Programmable ROM，PROM）所有字位均有管子（二极管、晶体管或MOS管），这样每位都是1，在每位的管子管脚上有镕丝，视需要利用电流将其烧断，可编ROM仅能写录一次。只读存储器（ROM）9.19.1.4可擦除可编程ROM-EPROM可擦除可编程ROM芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。擦除信息时，需要将器件从系统上拆卸下来，并在紫外线
5、照射下，擦除信息。而且，只能将整个芯片中的信息整体擦除，显然，使用起来，不太方便。只读存储器（ROM）9.19.1.5电可擦除ROM（E2PROM）E2PROM是一种电可擦除可编程只读存储器，并且其内容在掉电的时候也不会丢失。在平常情况下，EEPROM与EPROM一样是只读的，需要写入时，在指定的引脚加上 一个高电压即可写入或擦除，而且其擦除的速度极快！通常EEPROM芯片又分为串行EEPROM和并行EEPROM两种，串行EEPROM在读写时数据的 输入输出是通过2线、3线、4线或SPI总线等接口方式进行的，而并行EEPROM的数据输入输出则是通过并行总线进行的。主要IC有28XX系列。可编程
6、逻辑器件（PLD）9.2目前常见的PLD产品有：编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM），现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Logic Array，FPLA），可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL），通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL），可擦除的可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Array，EPLA），复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列（Fiel
7、d Programmable Gate Array，FPGA）等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）以及FPGA。它们内部结构的实现方法各不相同。可编程逻辑器件（PLD）9.2可编程逻辑器件(PLD)的基本结构是由它主要由输入缓冲、与阵列、或阵列和输出结构等四部分组成。如图所示：可编程逻辑器件的核心部分是可以实现与或逻辑的与阵列和或阵。PLD的基本结构可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.1PLD的特点集成度高01加快了电子系统的设计速度02高的性能03高可靠性04成本低05系统具有加密功能06可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.2SPLD的原理
8、简单的阵列结构PLD（SPLD)是出现最早的PLD。SPLD中的与阵列和或阵列可以由晶体三极管组成（双极型）组成或大量的MOS场效应管（MOS型）组成。可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法如图(a)所示，他的输出是输入的原码和反码。SPLD的符号可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法2.与门表示方法 SPLD的符号图（b）是标准与门逻辑符号，在SPLD中的表示符号是图（c）。输入只画一根输入线，通常称为乘积线，四根输入线画为与乘积线垂直的四根竖线，这种多输入在SPLD中构成乘积项。竖线和乘积线的交叉点要么是一个“.”
9、，要么是一个“X”，要么什么也不画。画点表示固定连接，不可编程，画叉表示可编程连接，可以通过编程决定连接。交叉点什么也不画，表示不连接。图（c）可以编程实现F=ABC。可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法2.与门表示方法 SPLD的符号图（d）表示或门的标准逻辑符号，图（e）是SPLD中的或门符号。同样，F=A+B。在图（f）中，表 示 或 门 有 四 个 乘 积 项，F=A+B+C+D。3.或门表示方法可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法2.与门表示方法4.与门的几种特殊情况3.或门表示方法图为几种与门特殊情况符
10、号。在输出为E的与门中，两个输入缓冲器的输出全部加在乘积线上，显然，输出E永远为0。这种情况会经常遇到，可以用与门框内打“X”来简单表示，如图中的输出为F的与门所示，F输出永远为0。在输出为G的与门中，乘积线没有输入连接，表示输出永远为1，即G=1。与门的三种特殊情况符号可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法2.与门表示方法4.与门的几种特殊情况5.阵列图3.或门表示方法例9-1 阵列图如图所示，试写出输出逻辑表达式。例9-1阵列图可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.3SPLD的符号1.输入缓冲器表示方法2.与门表示方法4.与门的几种特殊情况5.阵列图3
11、.或门表示方法可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.4可编程逻辑阵列器件（PLA）PLA有组合型和时序型两种类型，分别使用于实现组合函数和时序函数。可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.5可编程阵列逻辑器件（PAL器件）PAL(Programmable Array Logic)器件是美国MMI公司于20世纪70年代后期推出的可编程逻辑器件，采用了阵列逻辑技术，既有规则的阵列结构，又能实现灵活多变的逻辑功能，且编程简单，易于实现。由于PLD技术的飞速发展，这类器件已经使用不多，但是，后继推出的GAL器件及CPLD是以它为基础的，这里介绍PAL的基本原理。可编程逻辑器件（PLD）9.29.2.6通
12、用阵列逻辑器件（GAL）GAL器件的特性是：采用超高速，电可擦除的CMOS(E2CMOS)工艺制造，因而可以保证极好的技术特性和随时可擦除性；具有CMOS的低功耗的特性；具有输出逻辑宏单元(OLMC)，使用户能够按需要对输出信号组态；具有TTL可编程逻辑芯片的速度。随机存储器（RAM）9.39.3.1静态随机存储器（SRAM）的结构RAM存储器按电路类型可以分为双极型和单极型（MOS）型两种。双极型存储器由于集成度低、功耗大、价格贵，在微型计算机中基本不被采用。而MOS型存储器由于集成度高，功耗低，价格便宜，在微机中得到普遍使用。MOS型RAM又包括静态RAM（Static RAM）和动态RA
13、M（Dynamic RAM）。静态存储器一般由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态双向缓冲器等部分组成。如图所示。静态随机存储器的结构随机存储器（RAM）9.39.3.2RAM工作原理地址译码器单译码编址方式的存储器结构双译码编制方式的存储器结构随机存储器（RAM）9.39.3.2RAM工作原理存储器控制电路随机存储器（RAM）9.39.3.2RAM工作原理静态RAM的基本存储电路（单元）前面介绍过存储器的每一个存储单元又若干基本存储电路（又称基本存储单元）组成。每一个存储单元存储一个字，每一个基本存储单元存储一位数据，既一个二进制代码“0”或“1”。静态RAM的基本存储单元如图所示。静态RA
14、M基本存储电路随机存储器（RAM）9.39.3.2RAM工作原理动态基本存储电路（单元）动态基本存储单元是以电荷的形式存储信息。信息以电荷的形式存储在MOS管柵源之间的极间电容上或直接存储在电容上。动态基本存储单元有六管型、四管型、三管型及单管型四种。其中单管型由于结构简单，集成度高，被广泛采用。图是一个单管型基本存储电路示意图。单管型动态RAM的基本存储电路随机存储器（RAM）9.39.3.3RAM存储器容量扩展方法我们知道，RAM的容量是用K（或M）表示，但要真正知道其容量，还要知道存储单元的位数。如我们前面知道的2186/2187片内具有8K8位，表示有8K单元，每个单元是8位，2114
15、芯片是1K4位的，表示有1K单元，每个单元是4位。如果需要16K8位存储容量，显然就不能满足要求了，需要使用两片2186芯片。同样，要使用1K8位存储容量,使用1片2114也不能满足要求了，要使用2片2114芯片。前者是字数扩展，后者是位数扩展。随机存储器（RAM）9.39.3.3RAM存储器容量扩展方法1.位数扩展2.字扩展3.字、位扩展大规模集成电路第九章本 章 小 结1半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，它可分为RAM和ROM两大类，绝大多数属于MOS工艺制成的大规模数字集成电路。2ROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读出。根据数据写入方式
16、的不同，ROM又可分成固定ROM和可编程ROM。后者又可细分为PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等，特别是E2PROM和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了RAM的特性。大规模集成电路第九章本 章 小 结3可编程逻辑罗器件PLD是70年代发展起来的电子器件，用户可以使用计算机软件或专用设备进行编程开发，决定PLD芯片的逻辑功能。它采用陈列结构组成与阵列和或阵列，根据电路和功能不同，可以分为PROM、PLA、PAL、GAL。它们的共同特征是把与-或阵列结构作为片内基本逻辑资源进行编程。4RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其它存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAM和DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM则必需定期刷新。
