电子技术初步(数字电路第7章-半导体存储器和可编程逻辑器件课件.ppt

高等职业技术教育研究会&CEAC信息化培训认证管理办公室 国家信息化计算机教育认证高等职业教育电子信息类专业“双证课程”培养方案配套演示文稿电子技术初步（数字电路）教师姓名：教师姓名：职称：职称：Email Email：第7课 半导体存储器和可编程逻辑器件第 第1 1节 节 只读存储器 只读存储器 第 第2 2节 节 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM RAM）第 第3 3节 节 可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD PLD）退出 退出 第1节 只读存储器F 学习目的：了解ROM的结构及工作原理 掌握ROM的应用 了解EPROM的固化与擦除 本次课知识点：ROM的结构及工作原理 ROM的应用 EPROM的固化与擦除 第1节 只读存储器 1.1 EPROM的固化与擦除1、实训目的（1）掌握EPROM2764的基本工作原理和使用方法。（2）学会使用ALL07编程器对EPROM进行数据的存入。（3）学会EPROM擦除的工作过程。2、实训仪器和器材（1）实训设备：台式计算机，ALL07(或ALLl1)编程器，紫外线擦除器，直流稳压电源，数字电路实验装置。（2）实训器件：EPROM2764一片，74LSl61一片，发光二极管8个，510电阻8个，导线若干。3、实训电路图实训电路图 1.1 EPROM的固化与擦除 4、实训步骤与要求 插入芯片 在编程器中插入2764并固定，注意芯片一定要按照编程器上的标识插在正确的位置。打开编程器的电源开关。进入EPROM编程软件 打开计算机，执行ACCESS命令，即可进入编程软件，选择“EPROM”，执行EPROM的操作程序，进入到下一个界面，选择生产厂家和芯片型号。1.1 EPROM的固化与擦除 选好合适的芯片类型并回车后，就进入到编程界面。在此选择“M”和“T”可以修改芯片的生产厂家和类型。键入“B”，可以检查2764的内容是否为空。检查2764的内容 向2764写入内容 为了测试方便，可写入以下内容：0000H000FH单元：FE，FF，FC，FF，F8，FF，F0，FF，E0，FF，C0，FF，80，FF，00，FF 1000H100FH单元：FE，FF，FD，FF，FB，FF，F7，FF，EF，FF，DF，FF，BF，FF，7F，FF1.1 EPROM的固化与擦除 按图连接线路，接好电源，然后按照以下步骤进行测试：2764的2脚（A12）接地。2764的2脚（A12）接+5V。2764内容测试 擦除2764中的内容并测试 开始对2764中的内容进行擦除。擦除结束后，重复步骤1、2、3，可以看到2764中的内容为空。再插入实训电路中，所有发光二极管均不会点亮。1.1 EPROM的固化与擦除 5、实训总结与分析 74LS161是一个4位二进制计数器，它的工作原理已在前面有关章节进行了介绍。2764是一个8K8的存储器，共有8K个字节，每个字节8位；有A0 A12共13根地址线，当A0 A12从00000000000001111111111111变化时，对应于0000H1FFFH单元。分析步骤4所写入的内容。在0000H单元写入的内容为11111110（FEH），当读出该单元内容时，由实训电路可知，1#发光二极管的负极接低电平，因此1#发光二极管点亮。1.1 EPROM的固化与擦除 对于步骤5的第一种情况，A4A12都接地，依次选中的2764的单元为00000000000000000000001111，即0000H000FH，所以发光二极管按照步骤5的第一种规律点亮。对于步骤5的第二种情况，A12接UCC，A4A11仍然接地，发光二极管按照步骤5的第二种规律点亮。将EPROM中的内容擦除后，所有单元都为1，将2764接入实验电路中，由于发光二极管负极接的都是高电平，所以均不亮。1.1 EPROM的固化与擦除 1.2 ROM的基本结构和工作原理 ROM的基本结构如下图所示。它是由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三部分组成的。ROM的基本结构框图 1、存储矩阵 存储矩阵是ROM的主体，它含有大量的存储单元，一个存储单元存储一位二进制数码(1或0)。通常把M位二进制码称为一个字，一个字的位数常称为字长。一般数据或指令常以字为单位进行存储，存储一个字的单元可简称其为字单元。为了方便读/写数据，对每个字单元应确定一个标号，通常称这个标号为地址。1.1 EPROM的固化与擦除 2、地址译码器 为了方便进行读/写操作，ROM必须设置地址译码器。若存储矩阵中存有 N个字，就应有 N个地址编号，地址译码器就必须有N个输出端与N个地址编号相对应。ROM一般设有输出缓冲器。它的作用有两个，一是可以提高存储器的带负载能力，二是便于传送到输出缓冲器。由三态控制信号决定数据输出的时刻。3、输出缓冲器 下面以图7-3所示的二极管存储器为例来说明ROM的工作原理。1.1 EPROM的固化与擦除 二极管ROM的结构 1.1 EPROM的固化与擦除 在上图中，存储矩阵有4条字线(N=4)，即存储4个字；8条位线(M=8)，即每个字是8位数码。所以该ROM的存储容量为48=32位，即存储矩阵有32个存储单元，每个存储单元存储一个二进制信息。由于上图中存储矩阵中有4条字线，而地址译码器的每个输出端应该与一个字单元对应，所以地址译码器必须是2/4线译码器。输入代码00、01、10、11依次对应译码器输出的W0、W1、W2和W3。1.1 EPROM的固化与擦除 在上图中，字线与位线的交叉点就是一个存储单元。交叉点处接有二极管时存储单元相当于存1，没接二极管的存储单元相当于存0。所以改变二极管的位置，就可以改变字单元中存储的内容。例如，当译码器输入A1A0=00时，字线W0为高电位，与其相接的二极管的阳极为高电位，所以二极管导通。最后经输出缓冲器输出的数据是01000110。当译码器输入AlA0=11时，字线W3为高电位，与其相接的二极管导通，最后经输出缓冲器输出的数据是10110000。实际上，地址译码器是由门电路组成的与阵列，W0W3的表达式中都包含了 A0、A1的原变量或反变量的“与”项；而存储矩阵中的位线 D0 D7可以看成是二极管构成的或门的输出端。例如，D7端的等效电路可画成下图所示的或门电路。D7的等效或门 1.1 EPROM的固化与擦除 二极管ROM的结构图也可以画成下图所示的简化形式，这样看起来更为直观。ROM的简化结构图1.1 EPROM的固化与擦除 1.3 ROM的分类 根据存入数据方式的不同，只读存储器可分为固定ROM和可编程ROM。上面介绍的是固定ROM，即生产厂家制造好的ROM芯片，其内容不能改写，也称为掩膜ROM。可编程ROM分为一次性可编程存储器PROM、光可擦除可编程存储器EPROM、电可擦除可编程存储器E2PROM和快闪存储器等。1.4 ROM的应用1、存储数据、程序 由于ROM在掉电时信息不丢失，所以常用来存储固定的数据和专用程序。单片机系统都含有一定单元的程序存储器ROM(用于存放编好的程序和表格常数)。下图是以EPROM2716作为外部程序存储器的单片机系统。2、实现逻辑函数 ROM除用作存储器外，还可以用来实现各种组合逻辑函数。存储矩阵把有关的最小项相或后输出，就获得了输出函数。例 试用ROM实现下列各函数。1.4 ROM的应用 解：按题意，选用容量为164的PROM。依A、B、C、D顺序排列变量，将Y1Y2Y3和Y4扩展成4变量的逻辑函数：据此画出存储矩阵接线图，如下图所示。1.4 ROM的应用 上例存储矩阵接线图1.4 ROM的应用 3、用ROM进行数制转换 如果ROM的地址译码器输入8位二进制数码，而在存储器中存储与每个二进制数码相对应的BCD码，就可以将输入的二进制数转换成BCD码输出。从上述例子可以看出，用PROM能够实现任何与或标准式的组合逻辑函数，根据要实现函数的与或标准式(或列出该函数的真值表)，使其有关的最小项相或，即可直接画出存储矩阵的编程图。1.4 ROM的应用 重点及难点重点：ROM的存储容量；用ROM实现逻辑函数以及EPROM的读写操作。难点：ROM的基本结构和工作原理。以ROM的简化结构图为例，讲清楚ROM的内部结构可以看成是一个与阵列和一个或阵列的组合。讨论 1、什么叫存储器的字和字长？2、存储器的字线数与地址译码器的输 入端个数有何关系？3、怎样表示存储器的容量？本节小结由以上分析可知，EPROM是一种可改写的只读存储器，通过地址线的选择，可选中相应的存储单元并读出其中数据，同时也观察到EPROM的数据可以通过紫外线来擦除，并可以重新写入新的数据。在实训中，我们对存储器有了一个定性的认识:它能够将信息存储起来，并且可以按照需要从相应的地址取出信息。本节练习 1、用ROM实现8位二进制数转换成BCD码。2、已知ROM的阵列图如下图所示，请写出该图的逻辑函数表达式，并说明其逻辑功能。第2节 随机存取存储器（RAM）F 学习目的：了解RAM的结构及工作原理 掌握RAM的字扩展和位扩展 本次课知识点：RAM的结构及工作原理 RAM的字扩展和位扩展第2节 随机存取存储器（RAM）随机存取存储器又叫读/写存储器，它具有与ROM类似的功能。与ROM的主要区别有两点：其一，读/写方便是它最大的优点；其二，RAM一旦掉电，所存储的数据将随之丢失，所以它不适于用做需要长期保存信息的存储器。随机存取存储器可分为静态RAM和动态RAM两类。动态RAM的集成度高、功耗小，但不如静态RAM使用方便。下面以静态RAM为例来介绍随机存取存储器的基本组成和原理。第2节 随机存取存储器（RAM）2.1 RAM的基本结构和工作原理 RAM的基本结构框图 与ROM一样，RAM也是由存储矩阵和地址译码器构成的。不同的是RAM必须具有读/写控制电路，在读/写控制信号的控制下进行读或写的操作。RAM的基本组成如下图所示。下面通过一个存储单元的读/写操作过程，说明RAM的基本原理。下图所示是由两个NMOS管和两个反相器组成的存储单元。其工作原理如下：RAM的基本存储单元 2.1 RAM的基本结构和工作原理 （1）Tl和T2是门控管，由字线的状态控制它导通或截止。（2）读/写信号由三态门控制。（3）由于同一时间不能既进行读操作又进行写操作，所以可以用一组数据线，在读/写信号的控制下进行读出数据或写入数据的操作。（4）一片RAM的存储容量是有限的，通常是用多片RAM组成一个更大容量的存储器。2.1 RAM的基本结构和工作原理 在数字系统或计算机中，单片存储器芯片常不能满足存储容量的要求。下面以静态RAM2114为例来说明RAM容量的扩展方法。RAM2114的容量是10244位，或写成1K4位(即1024个字，每个字长4位)。1、RAM的位扩展 常见的RAM芯片字长有4位的、8位的、16位的和32位的不等。下图所示是用两片2114芯片连接进行位扩展的例子。2.2 RAM存储容量的扩展 RAM的位扩展 下图中位的扩展是通过将芯片并联的方式实现的，即将RAM的地址线、读/写控制线和片选信号线对应地并联在一起。各芯片的数据输入/输出(I/O)线就作为扩展后存储器字的位线。2.1 RAM的基本结构和工作原理 扩展后的存储器，由于两芯片的读/写控制线和片选信号线并联在一起，当这两个信号有效时，则两芯片都将被选中而同时进行读或写操作。芯片1的四条数据线作为扩展后字的高4位，芯片2的四条数据线作为扩展后字的低4位。扩展后存储器的容量为lK8位，即l024个字，每个字8位。若需要lKl6位的存储容量，则需用4片2114芯片并联来实现。读者可自行设计芯片的接线图。2.1 RAM的基本结构和工作原理 字数的扩展也可以通过芯片并联的方式实现，即将RAM的地址线、读/写控制线、数据线对应地并联在一起，再用一个译码器作为各芯片的片选控制。下图所示是用四片2114组成的存储器字扩展电路。下图中，各片的读/写信号线和地址译码线并联在一起，其作用与位扩展时一样。当A11A10=00时，芯片1被选中，若读/写信号有效时，根据地址线A0 A9的状态，对芯片1中的某个字进行读或写的操作。2、RAM的字扩展 2.1 RAM的基本结构和工作原理 RAM的字扩展 2.1 RAM的基本结构和工作原理 3、RAM的字位同时扩展 对于字位同时扩展的RAM，一般先进行位扩展再进行字扩展。例如用RAM2114扩展为4K8位存储器，先将1K4RAM扩展为1K8RAM，需要两片2114。将字数由1K扩展为4K，即字数扩展了4倍，故应增加两位地址线，通过译码器产生4个相应的低电平去连接4组1K8RAM的片选端，读者可自行画出电路图。2.1 RAM的基本结构和工作原理 重点及难点重点：RAM的位扩展、字扩展、字位同时扩展。难点：RAM的基本结构和工作原理。讲清楚 的控制作用，只有被选中的一片能进行读/写操作，其余各片均处于高阻态，不能进行读/写操作。讨论 1、怎样实现RAM字长的扩展？扩展后存储器的字数和位数怎样计算？存储器的容量怎样计算？2、怎样实现RAM字数的扩展？扩展后存储器的字数和位数怎样计算？存储器的容量怎样计算？3、用RAM2114组 成8K8位 的 存 储 器，需 要 几片芯片？其片选译码器需要几个输入端？本节小结 随机存取存储器（RAM）可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出（读出）操作。RAM最大的优点是存取方便，使用灵活，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。RAM由存储矩阵、地址译码器、读写控制电路、输入输出电路和片选控制电路等组成。当单片RAM不能满足存储容量的要求时，可以把若干片RAM联在一起，以扩展存储容量，扩展的方法有位扩展和字扩展两种，在实际应用中，常将两种方法相互结合来达到预期要求。本节练习 1、现有容量为2568的RAM一片，试回答：（1）该片RAM共有多少个存储单元?（2）RAM共有多少个字?字长多少位?（3）该片RAM共有多少条地址线?（4）访问该片RAM时，每次会选中多少个存储单元?2、试用2114(10244)扩展成10248的RAM，画出连接图。第3节 可编程逻辑器件（PLD）F 学习目的：掌握PLD器件的电路表示方法 掌握常见PLD的结构特点 本次课知识点：PLD器件的电路表示方法 常见PLD的结构特点 第3节 可编程逻辑器件（PLD）PLD的结构框图 PLD的基本结构可由下图所示的框图表示。PLD器件的核心部分是由一个与阵列和一个或阵列组成的。输入数据通过输入电路送到与阵列并完成与运算，生成乘积项(即与项)；乘积项又送到或阵列中，在或阵列中对各乘积项进行组合，从而产生与或逻辑(即生成与或逻辑函数)。第3节 可编程逻辑器件（PLD）3.1 PLD的电路表示法下图所示是PLD使用的三种连线方式。1、PLD的连线方式 PLD的连接方式（1）“”表示该点是固定连接点。（2）“”表示该点为用户可自定义的编程点。（3）既无“”也无“”处，表示该点是断开的，或是在编程 时被擦除的。2、PLD的输入/输出缓冲器 PLD的输入和输出电路一般都是由缓冲器组成的，以增强带负载能力。下图所示是各种缓冲器的符号。3.1 PLD的电路表示法 PLD的输入/输出缓冲器 3.1 PLD的电路表示法（1）上图（a）所示是输入缓冲器的符号。它有两个输出端，。（2）上图（b）所示是三态输出缓冲器的符号。其输出状态由控制端EN和 控制。（3）上图（c）所示是带反馈的三态输出缓冲器的符号。当 EN=l时，I/O端作为输出端使用；当=0时，I/O端作为输 入端使用，此时。3.1 PLD的电路表示法 3、PLD的门电路表示法 下图所示是几种PLD逻辑门电路的表示法。PLD门电路的表示法 多输入端与门 上图（a）所示是多输入端与门电路。多输入端或门 上图（b）所示是多输入端或门电路。3.1 PLD的电路表示法 3.2 PLD器件结构 PROM是一种只读存储器。与ROM不同的是，用户可以对它进行一次编程，所以PROM也属于可编程逻辑器件。PROM的PLD表示法如下图所示。它的地址译码器由一个固定的与阵列组成，即与阵列不可编程。它的存储矩阵由一个可编程的或阵列组成。或阵列全部为可编程的单元，用户可以自由处理。1、可编程只读存储器(PROM)PROM结构 3.2 PLD器件结构 PLA是处理逻辑函数的一种更有效的方法，其结构与ROM类似，但它的与阵列是可编程的，且不是全译码方式，而是部分译码方式只产生函数所需要的乘积项。或阵列也是可编程的，它选择所需要的乘积项来完成或功能。在PLA的输出端产生的逻辑函数是简化的与或表达式，下图为PLA结构。2、可编程逻辑阵列PLA 3.2 PLD器件结构 PLA结构 3.2 PLD器件结构 PLA的利用率很高，但是与阵列、或阵列都可编程的结构，造成软件算法过于复杂，运行速度下降。下图为PAL的结构。3、可编程阵列逻辑PAL PAL结构 3.2 PLD器件结构 上述提到的可编程结构只能解决组合逻辑的可编程问题，而对时序电路却无能为力。由于时序电路是由组合电路及存储单元构成（锁存器、触发器、RAM），对其中的组合电路部分的可编程问题已经解决。PAL加上了输出寄存器单元后，就实现了时序电路的可编程。PAL一般采用熔丝工艺生产，一次可编程，修改不方便。在中小规模可编程应用领域，PAL已经被GAL取代。3.2 PLD器件结构 通用阵列逻辑器件GAL首次在PLD上采用了E2PROM工艺，使得GAL具有电可擦除重复编程的特点，彻底解决了熔丝型可编程器件的一次可编程问题。4、通用阵列逻辑GAL GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、专用输入、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口等，为逻辑电路设计提供了极大的灵活性。由于GAL是在PAL的基础上设计的，其与许多种PAL器件保持兼容性，GAL能直接替换许多种PAL器件，方便应用厂商升级现有产品。3.2 PLD器件结构 3.3 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）在系统可编程逻辑器件，简称ISP器件，它不同于前面讲述的可编程逻辑器件PAL和GAL。对GAL编程需要专用的编程器才能将设计好的JEDEC文件下载到芯片中，完成对GAL芯片的编程。ISP器件使用户在不改动系统电路设计和硬件设置的情况下，可以重构逻辑设计，对它进行反复编程，为系统在今后进行升级、改进提供了极大的方便。ISP器件集成密度远大于GAL器件，并且工作速度很高，以Lattice公司的ISP器件为例，它有四个系列的ispLSI器件，其集成密度为数千门到25000门，工作频率高达180MHz。我们以Lattice公司的isp1016为例来介绍ISP器件的结构和特点，使读者对ISP器件有一个总体认识。isp1016是Lattice公司isp1000系列中的一种，其功能框图和引脚图如下图所示。1、ISP器件组成结构与特点 isp1016的集成密度为等效2000门，共有44个引脚，默认状态为系统复位端，若要用于时钟输入，则必须通过编译器控制参数来定义。3.3 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）3.3 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）功能框图和引脚图（a）功能框图（b）引脚图 3.3 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）可编程逻辑器件的一般开发过程如下图所示。2、ISP器件开发系统 PLD器件开发流程图 3.3 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）重点及难点重点：PROM、PLA、PAL、GAL的结构特点。难点：在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）该部分内容只作了解即可。讨论1、怎样计算PROM结构图中的PROM的容量？2、PROM、PLA、PAL、GAL的结构各有什么特点？本节小结 1、本章的重点是用ROM（PROM）实现逻辑函数，EPROM的读写操作；RAM的位扩展和字扩展；PLD的电路表示法，PROM、PLA、PAL、GAL的结构特点。难点是多片RAM的字和位同时扩展。2、本章的内容可根据教学需要作为选学内容。本节练习比较PLA、PAL、GAL的异同。