第7章存储器2011.ppt

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1、第第7章章存储器、复杂可编程逻辑器存储器、复杂可编程逻辑器和现场可编程门阵列和现场可编程门阵列7.1 只读存储器7.2 随机存取存储器*7.3 复杂可编程逻辑器件*7.4 现场可编程门阵列*7.5 用EDA技术和可编程器件的设计例题存储器存储器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)RAM(随机存取存储器随机存取存储器):随时进行随时进行读或写读或写操作。操作。存储的数据必须有电源供应才能保存存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电一旦掉电,数据全部丢失。数据全部丢失。ROM(只读存储器只读存储器)：在正常工作状态：在正常工作状态只能读出只能读

2、出信息。信息。断电后信息不会丢失。断电后信息不会丢失。固定固定ROM可可编程编程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：静态静态RAMDRAM(Dynamic RAM)：动态动态RAM存储器的分类存储器的分类存储器的相关概念存储器的相关概念基本存储单元基本存储单元存储单元存储单元存储矩阵存储矩阵（1）基本存储单元基本存储单元存放存放1位位二进制数据，称为二进制数据，称为1个个“比特比特”。（2）存储单元存储单元存放存放一组一组二进制数据，二进制数据，称为称为1个个“字字”。“字字”中所含的位数称为中所含的位数称为“字长字长”。（3）存储矩阵存储矩阵存放存放所有所有二

3、进制数据。二进制数据。存储器的容量存储器的容量=字数（字数（m）字长（字长（n）地址Y0Y1位D位C位B位A位D位C位B位AX0X1X2X3X41101X51001X6X764bit存储器结构存储器结构基本存基本存储单元储单元存储单元存储单元共有共有16个存储个存储单元，即单元，即16个个“字字”，字长，字长为为4。称为。称为16X4存储矩阵存储矩阵（1）每个存储器以）每个存储器以“存储单元存储单元”为单位进行数据的读写。为单位进行数据的读写。（2）字长由存储器的数据线根数决定；）字长由存储器的数据线根数决定；（3）字数由存储器的地址线根数决定。）字数由存储器的地址线根数决定。字数字数=2n（

4、n为存储器地址线的根数，即地址代码的位数）为存储器地址线的根数，即地址代码的位数）地址代码：地址代码：存储单元的编号存储单元的编号7.1 只读存储器只读存储器存储矩阵存储矩阵地地址址译译码码器器地地址址输输入入7.1.1 ROM的定义与基本结构数据输出数据输出控制信号输控制信号输入入输出控制电路输出控制电路地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出控输出控制电路制电路字线字线存储存储矩阵矩阵位线位线字线与位线的字线与位线的交点都是一个交点都是一个存储单元。存储单元。交点处有交点处有MOS管相当存管相当存0，无，无MOS管管相当存相当存1。7.1.2两维译码两维译码该存储器的容量该存储器的容量=?

5、7.1.3可编程可编程ROM1、掩膜 ROM 掩膜掩膜ROMROM通常采用通常采用MOSMOS工艺制作。在芯片制造厂家生产时，工艺制作。在芯片制造厂家生产时，根据用户提供的数据或程序采用根据用户提供的数据或程序采用二次光刻板的图形二次光刻板的图形（掩（掩膜）将其直接写入（固化），因此称为掩膜膜）将其直接写入（固化），因此称为掩膜ROMROM。掩膜。掩膜ROMROM中的内容制成后用户则不能修改，只能读出。中的内容制成后用户则不能修改，只能读出。掩膜掩膜ROMROM的主要特点是：的主要特点是：存储的内容由制造厂家一次性写入，存储的内容由制造厂家一次性写入，写入后便不能修改，灵活性差；写入后便不能修

6、改，灵活性差；存储内容固定不变，可靠性高；存储内容固定不变，可靠性高；少量生产时造价较高，因而只适用于少量生产时造价较高，因而只适用于定型批量生产。定型批量生产。2、可编程 ROM 可编程可编程ROMROM便于用户根据自己的需要来写入特定便于用户根据自己的需要来写入特定的信息，根据存储矩阵中存储单元电路的结构不同，的信息，根据存储矩阵中存储单元电路的结构不同，可编程可编程ROMROM有有PROMPROM、EPROMEPROM和和EEPROMEEPROM等三种等三种。（1）可编程）可编程ROM（ProgrammableROM，简称，简称PROM）PROM的编程虽然是由用户而不是生产厂家完成，增加

7、了灵活的编程虽然是由用户而不是生产厂家完成，增加了灵活性，但编程是一次性的，且可靠性较差，目前已很少使用。性，但编程是一次性的，且可靠性较差，目前已很少使用。存存储储单单元元（2）可擦可编程可擦可编程ROMROM（Erasable PROMErasable PROM，简称，简称EPROMEPROM）EPROMEPROM作为一种可以多次擦除和重写的作为一种可以多次擦除和重写的ROMROM，克服了掩膜克服了掩膜ROMROM和和PROMPROM只能一次性写入的缺点，满只能一次性写入的缺点，满足了实际工作中需要足了实际工作中需要多次修改程序或数据多次修改程序或数据的可能，的可能，前提条件是存储矩阵中现

8、有的程序或数据必须首先前提条件是存储矩阵中现有的程序或数据必须首先擦除。擦除。EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一定芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一定波长波长(如如2537A)一定光强的一定光强的紫外线透过窗口照射时紫外线透过窗口照射时，所有存储电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，所有存储电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢复初态。一般照射使浮栅恢复初态。一般照射2030分钟后，读出各单分钟后，读出各单元的内容均为元的内容均为FFH，说明，说明EPROM中内容已被擦除中内容已被擦除EPROM的擦除和编程写入是采用专门的编程器设备的擦除和编程写入是采用专门的编程器设备完成的

9、。完成的。对于编程好的对于编程好的EPROM要用不透光要用不透光的胶纸将受光窗口封住，以保护芯片不受荧光的胶纸将受光窗口封住，以保护芯片不受荧光或太阳光的紫外光照射而造成信息丢失。或太阳光的紫外光照射而造成信息丢失。常用的常用的EPROMEPROM有有27162716（2K2K8 8位）、位）、27322732（4K4K8 8位）、位）、27642764（8K8K8 8位）和位）和2751227512（64K64K8 8位）等。位）等。（3）电可擦可编程）电可擦可编程ROM（Electrically EPROM）EPROMEPROM虽然可以多次编程，具有较好的灵活性虽然可以多次编程，具有较好的

10、灵活性 电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器EEPROMEEPROM也称也称E E2 2PROMPROM。与。与EPROMEPROM擦除时把整个芯片的内容全变成擦除时把整个芯片的内容全变成“1 1”不同，不同，E E2 2PROMPROM的擦除可以按字节分别进行，这是的擦除可以按字节分别进行，这是E E2 2PROMPROM的的优点之一。优点之一。字节的编程和擦除都只需字节的编程和擦除都只需10ms10ms，并且不需要，并且不需要将芯片从机器上拔下以及诸如用紫外线光源照射等将芯片从机器上拔下以及诸如用紫外线光源照射等特殊操作，因此可以特殊操作，因此可以在线进行擦除和编程写入。在线进

11、行擦除和编程写入。常见的常见的EEPROM芯片有芯片有2816、2832、2864、28256等。等。7.1.4集成电路集成电路ROMAT27C010，128K8位位ROM 7.1.5ROM的读操作与时序图的读操作与时序图为了保证存储器的数据正确读出，存储器的地址信号和为了保证存储器的数据正确读出，存储器的地址信号和控制信号必须遵守控制信号必须遵守各信号的先后顺序各信号的先后顺序及及若干时间参数若干时间参数。如同人们乘坐火车或飞机一样：。如同人们乘坐火车或飞机一样：。（2）加入有效的片选信号）加入有效的片选信号（3）使输出使能信号）使输出使能信号有效，有效，经过一定延时后经过一定延时后，有效数

12、据，有效数据出现在数据线上；出现在数据线上；（4）让片选信号）让片选信号或输出使能信号或输出使能信号 无效，无效，经过一定延经过一定延时后时后数据线呈高阻态，本次读出结束。数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址信号输入端；）欲读取单元的地址加到存储器的地址信号输入端；显然，在进行读操作时，只有在地址信号和控制显然，在进行读操作时，只有在地址信号和控制信号均有效、且延迟时间均满足上述信号均有效、且延迟时间均满足上述3个参数后，个参数后，被读存储单元的数据才能被读存储单元的数据才能稳定地出现在数据线上稳定地出现在数据线上。（1 1）用于实现多输入、多输出的组合逻辑电路

13、。用于实现多输入、多输出的组合逻辑电路。（2 2）方法：把输入当做）方法：把输入当做“地址地址”；把输出作为相；把输出作为相应存储单元中的应存储单元中的“数据数据”。（3 3）利用利用ROMROM可实现可实现查表查表或或码组变换码组变换等功能等功能查表功能查表功能查某个角度的三角函数查某个角度的三角函数把变量值（角度）作为地址代码，其对应把变量值（角度）作为地址代码，其对应的函数值存放在该地址对应的存储单元内，这的函数值存放在该地址对应的存储单元内，这称为称为“造表造表”。使用时，根据输入的地址使用时，根据输入的地址(角度角度)，就可在，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为输出端得到所需的函

14、数值，这就称为“查表查表”。7.1.6 ROM的应用举例CI3 I2 I1 I0二进制码O3O2O1O0格雷码CI3 I2 I1 I0格雷码O3O2O1O0二进制码00 0 0 00 0 0 010 0 0 00 0 0 000 0 0 10 0 0 110 0 0 10 0 0 100 0 1 00 0 1 110 0 1 00 0 1 100 0 1 10 0 1 010 0 1 10 0 1 000 1 0 00 1 1 010 1 0 00 1 1 100 1 0 10 1 1 110 1 0 10 1 1 000 1 1 00 1 0 110 1 1 00 1 0 000 1 1 1

15、0 1 0 010 1 1 10 1 0 101 0 0 01 1 0 011 0 0 01 1 1 101 0 0 11 1 0 111 0 0 11 1 1 001 0 1 01 1 1 111 0 1 01 1 0 001 0 1 11 1 1 011 0 1 11 1 0 101 1 0 01 0 1 011 1 0 01 0 0 001 1 0 11 0 1 111 1 0 11 0 0 101 1 1 01 0 0 111 1 1 01 0 1 101 1 1 11 0 0 011 1 1 11 0 1 0用用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路实现二进制码与格雷码相互转换的电

16、路PROTEUS 仿真演示仿真演示7.2 随机存取存储器（RAM）1RAM分类按工作方式不同可分为按工作方式不同可分为静态静态RAMRAM（Static Static RAMRAM）和）和动态动态RAMRAM（Dynamic RAMDynamic RAM）。两者最主要）。两者最主要的的差别差别是是“基本存储单元基本存储单元”静态静态RAMRAM使用使用触发器触发器作为存储元件，因而只作为存储元件，因而只要使用直流电源，就可存储数据。要使用直流电源，就可存储数据。动态动态RAMRAM使用使用电容电容作为存储单元，如果没有作为存储单元，如果没有称为称为刷新刷新的过程对电容再充电的话，就不能长的过程

17、对电容再充电的话，就不能长期保存数据。期保存数据。当电源被移走后，当电源被移走后，SRAMSRAM和和DRAMDRAM都会丢失存储都会丢失存储的数据，因此被归类为的数据，因此被归类为易失性内存易失性内存。2 2RAMRAM的基本结构（图的基本结构（图7.2.17.2.1）RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和和读/写控制电路三部分组成，其电路结构框图如图所示。CEOEWE=010输出输出CEOEWE=00X输入输入7.2.1静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)1.SRAM基本存储单元基本存储单元P342343、图、图7.2.2双稳态存储单元双稳态存储单元电路电路列存储单元公用的门列

18、存储单元公用的门控制管，控制位线与数据线相接控制管，控制位线与数据线相接Yi1时时导通导通本单元门控制管本单元门控制管:控控制触发器与位线的制触发器与位线的接通。接通。Xi=1时时导通导通来自列地址译码来自列地址译码器的输出器的输出来自行地址译码来自行地址译码器的输出器的输出2.SRAM基本存储单元工作原理基本存储单元工作原理若若T1导通，则导通，则A点点为低电平，这样为低电平，这样T2截止，截止，B点为高电点为高电平，为一种稳定状平，为一种稳定状态态“0”；与此相反，与此相反，T1截止截止而而T2导通时，导通时，A点点为高电平为高电平B点为低点为低电平，又是另一种电平，又是另一种稳定状态稳定

19、状态“1”，AB3.SRAM的读写操作及时序图的读写操作及时序图（a）（b）读操作时序图读操作时序图写操作时序图写操作时序图7.2.2同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器（SSRAM）7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器（DRAM）1、动态存储单元及基本操作原理、动态存储单元及基本操作原理在基本存储单元电路中，二进在基本存储单元电路中，二进制信息保存在制信息保存在MOS管栅极电管栅极电容上的，电容上充有电荷表示容上的，电容上充有电荷表示“1”，电容上无电荷表示，电容上无电荷表示“0”，即，即动态动态RAM是利用电是利用电容存储电荷的原理来保存信息容存储电荷的原理来保存信息的的

20、。MOS管管T相当于一个开关相当于一个开关位位线线B由于电路中存在漏电流，电容由于电路中存在漏电流，电容上存储的电荷不能长久保存，上存储的电荷不能长久保存，因此必须定期给电容补充电荷，因此必须定期给电容补充电荷，以免存储数据丢失。这种操作以免存储数据丢失。这种操作称为称为刷新刷新。位位线线B7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器（DRAM）1、动态存储单元及基本操作原理、动态存储单元及基本操作原理7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器（DRAM）1、动态存储单元及基本操作原理（图、动态存储单元及基本操作原理（图7.2.7续续1）T 存储单元存储单元写操作写操作:X=1=0T导通

21、，电容器导通，电容器C与位线与位线B连通连通输入缓冲器输入缓冲器被选通，被选通，数据数据DI经缓冲器和经缓冲器和位线写入存储单元位线写入存储单元如果如果D DI I为为1 1，则向电，则向电容器充电，容器充电，C C存存1;1;如如果果D DI I为为0,0,而电容正而电容正好存储着好存储着0 0，它就不，它就不充电，如果电容正充电，如果电容正好存储着好存储着1 1，则会放，则会放电，使电，使C C存存0 0。-刷新刷新R行选线行选线X读读/写写输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B读操作读操作:X=1=1 T导通，电容器导通，电容器C与位

22、线与位线B连通连通输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器被选通，被选通，C中存储的数据中存储的数据通过位线和缓冲器输出通过位线和缓冲器输出 T 刷新刷新R行选线行选线X输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B每次读出后，必须及时每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此对读出单元刷新，即此时刷新控制时刷新控制R也为高电平，也为高电平，则读出的数据又经刷新则读出的数据又经刷新缓冲器和位线对电容器缓冲器和位线对电容器C进行刷新进行刷新。1、动态存储单元及基本操作原理（、动态存储单元及基本操作原理（图图7.2.7续续2）7.2.4 存储器容量的扩

23、展位扩展可以利用芯片的并联方式实现。位扩展可以利用芯片的并联方式实现。CE A11A0WED0D1D2D3WECEA0A114K4位位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CEA0A114K4位位I/O0I/O1I/O2I/O3WE1.字长（位数）的扩展字长（位数）的扩展-用用4KX4位的芯片组成位的芯片组成4KX16位的位的存储系统。存储系统。7.2.4 RAM存储容量的扩展2.2.字数的扩展字数的扩展用用用用8KX8位的芯片组成位的芯片组成32KX8位的存储系统。位的存储系统。RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1芯片数芯片数=4=4RAM1D

24、D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1系统地址线数系统地址线数=15=15系统系统:A0A14A13A14?2000H2001H2002H 3FFFH4000H400H4002H 5FFFH6000H6001H6002H 7FFFH0000H0001H0002H 1FFFH芯片芯片:A0A1232K8位存储器系统的地址分配表位存储器系统的地址分配表各各RAM芯片芯片译码器译码器有效输有效输出端出端扩展的地扩展的地址输入端址输入端A14A138K8位位RA

25、M芯片地址输入端芯片地址输入端A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0对应的十对应的十六进制地六进制地址码址码00000000000000000000000000010000000000010 11111111111110000H0001H0002H 1FFFH01000000000000000000000000010000000000010 11111111111112000H2001H2002H 3FFFH10000000000000000000000000010000000000010 11111111111114000H400H4002H 5FFFHY0Y1Y2Y311000000000000000000000000010000000000010 11111111111116000H6001H6002H 7FFFH 字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端来实现。端来实现。