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1、第二篇第二篇11.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 11.1 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）第二篇第二篇第二篇第二篇存储矩阵存储矩阵读读写写控控制制器器行行地地址址译译码码器器列地址译码器m位位数据数据2nmR/WCS输出控制输出控制n位位地址码地址码第第2页页第第2页页 第第2页页第第2页页 由于集成度的限制，通常要把许多片由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装组装在一起构成一台计算机的存储器。当在一起构成一台计算机的存储器。当CPU访问存储器访问存储器时，存储器中只允许一片时，存储器中只允许一片RAM中的一个地址与中的一个地址与CPU交换信息，其它片交换信息，其它片RAM不能
2、与不能与CPU发生联系，所谓发生联系，所谓片选就是实现这种控制的。通常一片片选就是实现这种控制的。通常一片RAM有一根或有一根或几根片选线，当某一片的片选线为有效电平时，则该几根片选线，当某一片的片选线为有效电平时，则该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址与与CPU接通；片选线为无效电平时，与接通；片选线为无效电平时，与CPU之间呈断之间呈断开状态。例如片选信号开状态。例如片选信号CS“1”时，时，RAM被禁止读被禁止读写，处于保持状态，写，处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态口的三态门处于高阻抗状态；CS“0”时，时，RAM可在
3、读可在读/写控制输入写控制输入R/W的作用的作用下作读出或写入操作。下作读出或写入操作。第第2页页 RAM中的存储单元因排列成矩阵形式而中的存储单元因排列成矩阵形式而得名存储矩阵。地址译码器的输出控制存储得名存储矩阵。地址译码器的输出控制存储矩阵与矩阵与I/O端的连接，凡是被选中的单元就接端的连接，凡是被选中的单元就接通，没有选中的均处于断开状态。通，没有选中的均处于断开状态。存储器的容量由地址码的位数存储器的容量由地址码的位数n和字长的和字长的位数位数m决定，当地址码的位数为决定，当地址码的位数为n、字长的位、字长的位数为数为m时，存储器内含时，存储器内含2nm个存储单元。其个存储单元。其容
4、量为容量为2nm。通常。通常2101024字称为字称为1K个字个字节。为了方便，存储器的容量常用几节。为了方便，存储器的容量常用几K字长字长表示。表示。第第2页页 存储单元是存储单元是RAM的核心部分。按功能的不同可分为静态和的核心部分。按功能的不同可分为静态和动态两类，按所用元件的类型又可分为双极型和单极型两种。双动态两类，按所用元件的类型又可分为双极型和单极型两种。双极型存储单元速度高，单极型存储单元功耗低、容量大。在要求极型存储单元速度高，单极型存储单元功耗低、容量大。在要求存取速度快的场合常用双极型存取速度快的场合常用双极型RAM电路，但对速度要求不高时电路，但对速度要求不高时，常用单
5、极型存储器。我们以单极型存储器为例介绍，常用单极型存储器。我们以单极型存储器为例介绍RAM的工的工作原理。作原理。控控制制电电路路XiT6T4T3T2T1T5QQUDD第第2页页T6T4T3T2T1T5QQUDD 图中图中T1和和T2，T3、和、和T4分别构成两个分别构成两个反相器反相器。两个反相器交叉耦合又构成了两个反相器交叉耦合又构成了基本触发器基本触发器，作为储存，作为储存信号的单元，信号的单元，Q时为时为“1”态，态，Q0时为时为“0”态。态。T5和和T6是是门控管门控管，其导通和截止均受行选择线控制。，其导通和截止均受行选择线控制。第第2页页T6T4T3T2T1T5QQUDD 行选择
6、线为高电平时，行选择线为高电平时，T5、T6导通，触发器输出端与位线接通，此导通，触发器输出端与位线接通，此时通过位选择线对存储单元操作。在读控制时通过位选择线对存储单元操作。在读控制R信号作用下，可将基本触信号作用下，可将基本触发器存储的数据输出。如发器存储的数据输出。如Q时，时，1位线输出位线输出1，0位线输出位线输出0。根据两。根据两条线上的电位高低就可知道该存储单元的数据（条线上的电位高低就可知道该存储单元的数据（0位线的电位经非门后位线的电位经非门后取出）。在写控制信号取出）。在写控制信号W作用下，需写入的数据被送入作用下，需写入的数据被送入1位线和位线和0位线，位线，经过经过T5、
7、T6加在反相器的输入端，将基本触发器置于所需的状态。加在反相器的输入端，将基本触发器置于所需的状态。当行选择线为低电平时，当行选择线为低电平时，T5、T6截止，这时存储单元和位线断开，截止，这时存储单元和位线断开，存储单元的状态保持不变。存储单元的状态保持不变。第第2页页TC0C字选线字选线数据线数据线 一个一个MOS管和一个电容即管和一个电容即可组成一个最简单的动态存储单可组成一个最简单的动态存储单元电路，如左图所示。动态存储元电路，如左图所示。动态存储单元电路是利用电容单元电路是利用电容C上存储的上存储的电压来表示数据的状态，电压来表示数据的状态，T 起一起一个开关的作用。个开关的作用。当
8、存储单元未被选中时，字当存储单元未被选中时，字选线为低电平选线为低电平0，T 截止，截止，C 和和数据线之间隔离。当存储单元被数据线之间隔离。当存储单元被选中时，字选线为高电平选中时，字选线为高电平1时，时，T导通，可以对存储单元进行读导通，可以对存储单元进行读/写写操作。操作。写入时，送到数据线上的二进制信号经写入时，送到数据线上的二进制信号经T 存入存入C中；读出时，中；读出时，C的电平的电平经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。同时由于经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。同时由于C和数据和数据线的分布电容线的分布电容C0并联，并联，C要放掉部分电荷。为保持原有的信息
9、，放大后的要放掉部分电荷。为保持原有的信息，放大后的数据同时回送到数据线上，对数据同时回送到数据线上，对C进行重写（称为刷新）。对长时间无读进行重写（称为刷新）。对长时间无读/写写操作的存储单元，操作的存储单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进行刷新，这是动态存储器的特点。行刷新，这是动态存储器的特点。第第2页页3.RAM 的的 容容 量量 扩扩 展展第第2页页字扩展方字扩展方式式 若每一片若每一片RAM的数据位已经够用，但的数据位已经够用，但字数不够用时，可采用字扩展连接方式（或字数不够用时，可采用字扩展连接方式（或称为地址扩展方
10、式）解决。由于存储数据的称为地址扩展方式）解决。由于存储数据的数量增加，必然要增加地址码的位数，如数量增加，必然要增加地址码的位数，如1K8扩展为扩展为4K8，地址码由，地址码由10位变为位变为12位，通常位，通常12位地址中的低位地址中的低10位，接各存储器位，接各存储器原有的地址端，高两位经原有的地址端，高两位经2线线4线译码器后线译码器后四路输出分别连接一个存储器的片选端。四路输出分别连接一个存储器的片选端。第第2页页字、位同时扩展字、位同时扩展 将将16片片2114(10244位的位的RAM)和和3线线8线译码线译码器器74LS138接成一个接成一个8K8位的位的RAM。分析：分析：2
11、114有有10根地址线，根地址线，4根位线根位线8K8位要位要13根地址线，根地址线，8根位线根位线结论：结论：用用38译码器扩展译码器扩展3个地址输入端接成个地址输入端接成8K4位；位；用用2片片8K4位接成位接成8K8位。位。第第2页页第第2页页RAM有几种类型的存有几种类型的存储单元？各适用于什么储单元？各适用于什么场合？场合？什么是随机存储器？随什么是随机存储器？随机存储器有何特点？机存储器有何特点？多看多练多做多看多练多做 存储器的容量由什存储器的容量由什么来决定？么来决定？第第2页页第第2页页 早期制造的早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单元是利用其内部可编程逻辑器件的存储单元
12、是利用其内部的熔丝是否被烧断来写入数据的，因其只能写入一次，使其应用的熔丝是否被烧断来写入数据的，因其只能写入一次，使其应用受到很大限制。目前使用的受到很大限制。目前使用的PROM可多次写入的存储单元是在可多次写入的存储单元是在MOS管中置入浮置栅的方法实现的。管中置入浮置栅的方法实现的。P+P+N型衬底型衬底S 浮置栅浮置栅 D字线字线位位线线浮置栅浮置栅MOS管管UDD 左图是浮置栅左图是浮置栅PMOS管的结构图，管的结构图，浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之中。写入时，在漏极和衬底之间加中。写入时，在漏极和衬底之间加足够高的反向脉冲电压（足够高的反向脉冲电压（3
13、0V45V），将），将PN结击穿，雪崩击穿产结击穿，雪崩击穿产生的高能电子穿透二氧化硅绝缘层生的高能电子穿透二氧化硅绝缘层进入浮置栅中。脉冲电压消失后，进入浮置栅中。脉冲电压消失后，浮置栅中的电子无放电回路而被保浮置栅中的电子无放电回路而被保留下来。带电荷的浮置栅使浮置栅留下来。带电荷的浮置栅使浮置栅MOS管的源漏之间导通，当字线选管的源漏之间导通，当字线选中该存储单元时，位线为低电平；中该存储单元时，位线为低电平；若浮置栅中无电荷，浮置栅若浮置栅中无电荷，浮置栅MOS管管截止，位线为高电平。截止，位线为高电平。第第2页页 用户需要改写存储单元的内容时，要先用紫用户需要改写存储单元的内容时，要
14、先用紫外灯光线照射石英盖板下集成芯片中的外灯光线照射石英盖板下集成芯片中的FAMOS管管，在光的作用下，浮置栅上注入的电荷就会形成光，在光的作用下，浮置栅上注入的电荷就会形成光电流而泄漏掉，电流而泄漏掉，EPROM便可恢复原态。便可恢复原态。利用光抹掉写入的内容需要的时间较长（利用光抹掉写入的内容需要的时间较长（30分分钟以上），为了缩短抹去时间，目前通常使用电擦钟以上），为了缩短抹去时间，目前通常使用电擦除的方式。在这种类型的存储单元中，除的方式。在这种类型的存储单元中，N沟道浮置沟道浮置栅栅MOS管的浮置栅上面又增加一个有外接引线的管的浮置栅上面又增加一个有外接引线的栅极栅极G2，称为叠栅
15、，称为叠栅MOS管。当浮置栅管。当浮置栅G1中注入高中注入高能电子后，能电子后，G2加正常工作电压时，无法使叠栅加正常工作电压时，无法使叠栅MOS管导通；当浮置栅管导通；当浮置栅G1中未注入高能电子时，中未注入高能电子时，G2加正常工作电压可使叠栅加正常工作电压可使叠栅MOS管导通。管导通。第第2页页 P0Pm-1 I0 In-1 O0 Ob-1N 个输入个输入b 个输出个输出m个乘积项个乘积项与阵列与阵列或阵列或阵列 第第2页页与阵列与阵列 或阵列或阵列固定连接固定连接逻辑连接逻辑连接逻辑断开逻辑断开 由于可编程逻辑器件内部元件数量众多，为简化原理结构由于可编程逻辑器件内部元件数量众多，为简
16、化原理结构图，常用上述符号表示连接关系。图，常用上述符号表示连接关系。A+B+DA B C D01&A B C DA B C DABD逻辑关系运算符号逻辑关系运算符号第第2页页nG3=B3nG2=B3B2+B3B2 nG1=B2B1+B2B1nG0=B1B0+B1B0 B0B0B1 B1B2 B2B3B3G0G1G2G3与阵与阵列列或阵列或阵列与或阵列都可编程。与或阵列都可编程。PLAPLA中的与阵列被编程中的与阵列被编程产生所需的全部与项；产生所需的全部与项；PLAPLA中的或阵列被编程中的或阵列被编程完成相应与项间的或运算并完成相应与项间的或运算并产生输出。产生输出。由此大大提高了芯片面由此大大提高了芯片面积的有效利用率。积的有效利用率。第第2页页与阵列与阵列 或阵列或阵列 与同样位数的与同样位数的PLA相比，相比，PAL不但减少了编程点不但减少了编程点数数(或阵列固定或阵列固定)，而且也简化了编程工作，而且也简化了编程工作(仅对与阵列仅对与阵列编程，工作单一编程，工作单一)。这样，更加有利于辅助设计系统的开发。这样，更加有利于辅助设计系统的开发。输入输入I 0-(n-1)组合组合
