第6章 存储器和可编程逻辑器件.ppt

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1、第第6章章 存储器和可编程逻辑器件存储器和可编程逻辑器件 6.1 存储器存储器 6.2 随机存取的存储器随机存取的存储器 6.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 本章小结本章小结 习题习题返回主目录 6.1 存储器存储器 6.1.1 概述概述 6.1.2 只读存储器（只读存储器（ROM）6.1.3 可编程只读存储器可编程只读存储器 6.1.4 ROM容量的扩展容量的扩展6.1存储器存储器 6.1.1 概述概述 存储器是数字系统中用于存储大量二进制信息的部件，可以存放各种程序、数据和资料。半导体存储器按照内部信息的存取方式不同分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。每个存储器的存

2、储容量为字线位线。6.1.2只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器（ROM）有掩膜ROM、可编程ROM、可改写ROM。掩膜只读存储器（ROM）是在制造时把信息存放在此存储器中，使用时不再重新写入，需要时读出即可；它只能读取所存储信息，而不能改变已存内容，并且在断电后不丢失其中存储内容，故又称固定只读存储器。ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，如图6.1所示。图6.1 ROM框图 每个存储单元中固定存放着由若干位组成的二进制数码称为“字”。为了读取不同存储单元中所存的字，将各单元编上代码称为地址。在输入不同地址时，就能在存储器输出端读出相应的字,即“地址”的输入代码与“字

3、”的输出数码有固定的对应关系。如图6.1所示，它有2n个存储单元，每个单元存放一个字，一共可以存放2n个字；每字有m位，即容量为2nm（字线位线）。存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。二极管矩阵ROM如图6.4所示，W0、W1、W2、W3是字线，D0、D1、D2、D3是位线，ROM的容量即为字线位线，所以图6.4所示ROM的容量为44=16，即存储体有16个存储单元。图图 6.4 二极管二极管ROM结构图结构图 1.如何读字如何读字 当地址码A1A0=00时，译码输出使字线W0为高电平，与其相连的二极管都导通，把高电平“1”送到位线上，于是D3、D0端得到高电平“1”，W0和D1、D2

4、之间没有接二极管，故D1、D2端是低电平“0”。这样，在D3D2D1D0端读到一个字1001，它就是该矩阵第一行的字输出。在同一时刻，由于字线W1、W2、W3都是低电平，与它们相连的二极管都不导通，所以不影响读字结果。当地址码A1A0=01时，字线W1为高电平，在位线输出端D3D2D1D0读到字0111，任何时候，地址译码器的输出决定了只有一条字线是高电平，所以在ROM的输出端只会读到惟一对应的一个字。在对应的存储单元内存入1还是0，是由接入或不接入相应的二极管来决定的。2.如何实现组合逻辑电路如何实现组合逻辑电路 如图6.3所示，ROM中的地址译码器形成了输入变量的最小项,即实现了逻辑变量的

5、“与”运算；ROM中的存储矩阵实现了最小项的或运算，即形成了各个逻辑函数；与阵列中的垂直线Wi代表与逻辑，交叉圆点代表与逻辑的输入变量；或阵列中的水平线D代表或逻辑，交叉圆点代表字线输入。例 1 用ROM实现一位二进制全加器。解 全加器的真值表如表6.1所示，A、B为两个加数,Ci-1为低位进位，S为本位的和，Ci为本位的进位。由表6.1可写出最小项表达式为：根据上式，可画出全加器的ROM阵列图如图6.5所示，Ci-1为低位进位，Ci为本位进位。表表6.1 全加器真值表全加器真值表 A B Ci-1 S Ci-1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1

6、0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1图 6.5 全加器阵列图 例 2 用ROM实现下列逻辑函数。解 由表达式画出ROM的阵列图如图6.6所示。图6.6 例2的ROM阵列图 6.1.3 可编程只读存储器可编程只读存储器 而可编程ROM常称PROM在出厂时，存储体的内容为全0或全1，用户可根据需要将某些内容改写，也就是编程。常用的双极型工艺ROM，采用烧毁熔断丝的方法使三极管由导通变为截止，三极管不起作用，存储器变为“0”信息；而未被熔断熔丝的地方，即表示为“1”信息。PROM只实现一次编写的目的，写好后就不可更改。如果想对一个ROM芯片反复编程，多次使用

7、，需用可擦除编程ROM即EPROM。常用的MOS工艺制造的EPROM用注入电荷的办法编程，此过程可逆，当用紫外光照射以后，旧内容被擦除。擦除后的芯片内容可能是全1,也可能是全0，视制造工艺而不同，之后可再次编程。6.1.4 ROM容量的扩展容量的扩展 1.ROM的信号引线的信号引线 如图6.7所示，除了地址线和数据线（字输出线）外，ROM还有地线（GND）、电源线（VCC）以及用来控制ROM工作的控制线为芯片使能控制线（），使能输出控制线称片选线。当 =1时，芯片处于等待状态，ROM不工作，输出呈高阻态；当 =0时，ROM工作。图6.7 ROM的信号引线 2.ROM容量的扩展容量的扩展 一个存

8、储器的容量就是字线与位线（即字长或位数）的乘积。当所采用的ROM容量不满足需要时，可将容量进行扩展。扩展又分为字扩展和位扩展。位扩展（即字长扩展）：位扩展比较简单，只需要用同一地址信号控制n个相同字数的ROM，即可达到扩展的目的。由2561 ROM扩展为2568 ROM的存储器，如图6.8所示，即将八块2561ROM的所有地址线、（片选线）分别对应并接在一起，而每一片的位输出作为整个ROM输出的一位。图6.8ROM位扩展2568 ROM需 2561ROM的芯片数为 字扩展：如图6.9所示是由四片10248 ROM扩展为40968ROM。图中,每片ROM有10根地址输入线，其寻址范围为210=1

9、024个信息单元，每一单元为八位二进制数。这些ROM均有片选端。当其为低电平时，该片被选中才工作；为高电平时，对应ROM不工作,各片ROM的片选端由2线/4线译码器控制；译码器的输入是系统的高位地址A11、A10，其输出是各片ROM的片选信号，若A11A10=10，则ROM(3)片的 有效为“0”，各片ROM的片选信号无效为“1”，故选中第三片，只有该片的信息可以读出，送到位线上，读出的内容则由低位地址A9A0决定，四片ROM轮流工作，完成字扩展。字扩展的方法将地址线、输出线对应连接，片选线分别与译码器的输出连接。图6.9ROM字扩展 【思考题】【思考题】1.存储器有哪几种？它们的存储容量如何

10、计算？2.2568的存储器有多少根地址线、字线、位线？3.存储器进行位扩展、字扩展时如何连接？6.2 随机存取的存储器随机存取的存储器(RAM)随机存取的存储器RAM可以在任意时刻、任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作。当电源断电时，这种存储器存储的信息便消失。随机存取存储器一般由存储矩阵、地址译码器、片选控制和读/写控制电路等组成。其容量也为字线位线，同样可以利用I/O（输入/输出）线、R/W（读/写）线及 (片选)线来实现容量的扩展，如图6.10所示为2568 RAM扩展成10248 RAM，其连接方法与ROM的相同，只是多了读/写控制端（R/W）。图 6.10 2

11、568 RAM扩展成10248存储器 【思考题】【思考题】1.随机存取的存储器与只读存储器有什么不同？2.扩展为10248存储器需要多少块2564的存储器？6.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 6.3.1 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)6.3.2 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑(PAL)6.3.3 通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL)6.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 可编程逻辑器件是一种由用户自己定义的逻辑器件。可编程器件按集成度分有低密度PLD(LDPLD)和高密度PLD(HDPLD)两类。LDPLD主要产品有 PROM、现场可编程逻辑阵列(FPLA,Field Programmab

12、le Logic Array)、可编程阵列逻辑(PAL,Programmable Array)、可编程逻辑阵列PLA和通用阵列（GAL,Generic Array Logic）等几种。可编程逻辑器件采用的可编程元件有四类：一次性编程的熔丝或反熔丝元件。紫外线擦除、电可编程序的EPROM(UVEPROM)即VUCMOS工艺结构。电擦除、电可编程存储单元，一类是E2CMOS工艺结构；另一类是快闪（Flash）存储单元。静态存储器(SRAM)的编程元件。这些元件中，电擦除、电可编程的E2PROM和快闪（Flash）存储单元的PLD以及DRAM的PLD目前使用最广泛。6.3.1 可编程逻辑阵列可编程逻

13、辑阵列(PLA)1.实现组合逻辑电路实现组合逻辑电路 可编程逻辑器件都包含一个与阵列和一个或阵列，二者都是可编程的，故可以实现非标准式的各种电路。用PLA实现组合逻辑电路时，首先将逻辑函数进行化简，再将化简后的逻辑函数表达式中各乘积项填入逻辑阵列图中。例 3 用PLA 实现一位二进制全加器。解 由全加器真值表，用卡诺图化简得最简逻辑表达式为：式中：A、B为两个加数，C为低位进位，S为本位和，Ci为本位向高位的进位。在S及Ci表达式中共有七个乘积项，它们是：图6.11 用PLA实现一位二进制全加器 用这些乘积项组成S和Ci表达式如下：S=P0+P1+P2+P3 Ci=P4+P5+P6根据上式，可

14、画出由PLA实现全加器的阵列结构图如图6.11所示。例4 用PLA实现具有七段显示输出的十进制计数器，即从（0）10（9）10。解 十进制计数的状态转换表（8421 BCD码）如表6.2所示。由表可得四个JK触发器的卡诺图如图6.12所示，其化简结果为：表表6.2 8421 BCD 十进制计数器状态转换十进制计数器状态转换 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0

15、 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 续表（续表（2）1 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 图6.12 十进制计数器的卡诺图表表6.3 十进制七段译码表十进制七段译码表 十进制七段显示译码器的功能表如表6.3所示。计数器输出显示数字a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1012345678911 1 1 1 1 00 1 0 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 1

16、0 1 1 0 0 1 01 0 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 由表6.3可得七段（ag）表达式为：a=m(0,2,3,5,6,7,8,9)b=m(0,1,2,3,4,7,8,9)c=m(0,1,3,4,5,6,7,8,9)d=m(0,2,3,5,6,8,9)e=m(0,2,6,8)f =m(0,4,5,6,8,9)g=m(2,3,4,5,6,8,9)根据上式可得PLA阵列图如图6.13所示。图6.13 用PLA实现七段显示十进制计数器 【思考题】【思考题】1.可编程逻辑器件有几种?2.PLA的与或阵

17、列与ROM的与或阵列有什么区别?3.用PLA如何实现逻辑函数及组合电路。6.3.2 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑(PAL)PAL也是在PROM基础上发展起来的一种可编程逻辑器件，是 PAL采用了熔丝编程方式、双极型工艺制造，因而器件的工作速度很高（可达十几ns）。PAL器件由可编程的与阵列、固定的或阵列和输出电路三部分组成。由于它们是与阵列可编程，而且输出结构种类很多，因而给逻辑设计带来很大的灵活性。1.PAL的输出结构的输出结构 PAL基本与门阵列是可编程的，而或门阵列是固定连接的。如图6.14所示图6.14 PAL基本结构 2.PAL的几种输出结构的几种输出结构 PAL具有多种输出结构。组

18、合逻辑常采用“专用输出的基本门阵列结构”，其输出结构如图6.15所示。图中,若输出部分采用或非门输出时，为低电平有效器件；若采用或门输出时，为高电平有效器件。有的器件还用互补输出的或门，故称为互补型输出，这种输出结构只适用于实现组合逻辑函数。目前常用的产品有PAL10H8（10输入，8输出，高电平有效）、AL10L8(10输入，8输出，低电平有效)、PAL16C1（16输入，1输出，互补型)等。图6.15 专用输出门阵列结构 PAL实现时序逻辑电路功能时，其输出结构如图6.16所示，输出部分采用了一个D触发器，其输出通过选通三态缓冲器送到输出端，构成时序逻辑电路。图6.16 时序输出结构 3.

19、PAL的特点的特点 提高了功能密度，节省了空间。提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。有上电复位功能，可以防止非法复制。PAL的主要缺点是由于它采用双极型熔丝工艺（PROM结构），只能一次性编程，因而使用者仍要承担一定的风险。【思考题】【思考题】1.PAL与与PLA有什么区别有什么区别?2.PAL有什么特点有什么特点?6.3.3 通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL)通用阵列逻辑GAL是Lattice 公司于1985年首先推出的新型可编程逻辑器件。GAL是PAL的第二代产品，但它采用了ECMOS工艺，可编程的I/O结构，使之成为用户可以重复修改芯片的逻辑功能，在不到 1 秒钟时间内即可完成芯

20、片的擦除及编程的逻辑器件，按门阵列的可编程结构，GAL可分成两大类：一类是与PAL基本结构相似的普通型GAL器件,其与门阵列是可编程的，或门阵列是固定连接的，如GAL16V8；另一类是与FPLA器件相类似的新一代GAL 器件，其与门阵列及或门阵列都是可编程的，如GAL39V18。如图6.17所示是GAL16V8的逻辑电路图，它有16 个输入引脚（其中八个为固定输入引脚）和八个输出引脚。其内部结构是由八个输入缓冲器，八个输出反馈/输入缓冲器，八个输出三态缓冲器，八个输出逻辑宏单元OLMC，88个与门构成的与门阵列以及时钟和输出选通信号输入缓冲器等组成。一个OLMC由与阵列输出组成，其内部结构如图

21、6.18所示，每个OLMC包括或门阵列中的一个或门，或门的每一个输入对应一个乘积项，因此或门的输出为有关乘积项之和；图中的异或门用于控制输出信号的极性，当XOR（n）端为1时，异或门起反相器作用；反之为同相器,XOR（n）对应于结构控制字中的一位，n为引脚号；D触发器对异或门的输出状态起记忆作用，使GAL适用于时序逻辑电路。每个OLMC中有四个多路开关MUX,FIMUX用于控制第一乘积项；TSMUX用于选择输出三态缓冲器的选通信号；FMUX决定反馈信号的来源；OMUX用于选择输出信号是组合逻辑的还是寄存逻辑的。多路开关状态取决于结构控制字中的AC0和AC1（n）位的值。例如，TSMUX的控制信

22、号是AC0和AC1（n）,当AC0AC1(n)=11时，表示多路开关TSMUX的数据输入端11被选通，表示三态门的选通信号是第一乘积项。表6.4列出有关控制信号与OLMC的配置关系。图6.17 GAL16V8逻辑图图6.18 OLMC内部结构表表6.4 OLMC的配置控制的配置控制SYNAC0AC1(n)XOR(n)配置功能输出极性 101输入模式11000001所有输出是组合的低有效高有效11111101所有输出是组合的低有效高有效00111101组合输出积存输出低有效高有效00000001寄存输出低有效高有效 表6.4中SYN、AC0、AC1（n）和XOR（n）都是结构控制字中可编程位。S

23、YN=0时，GAL器件有寄存输出能力；SYN=1时，GAL为一个纯粹组合逻辑器件。在两个宏单元OLMC（12）和OLMC（19）中，SYN还代替了AC1（m），而SYN代替了AC0，以仿真PAL的型号。XOR(n)位决定着每个输出的极性，当OR(n)=0，输出低电平有效；当XOR(n)=1 时，输出高电平有效。GAL器件具有了许多优良特性，但其应用取决于开发环境硬件工具Logic Lab编程器及软件工具GALLAB和CUPL。【思考题】【思考题】1.比较PAL、PLA、GAL的异同。2.GAL的种类有哪些？3.GAL有什么特点？其输出逻辑宏单元能实现哪些逻辑功能？本章小结本章小结 1.存储器是

24、数字计算机和其他数字装置中非常重要的组成部分,其功能是存放数据、指令等信息。2.存储器有只读存储器ROM、随机存取存储器RAM两大类。3.可编程逻辑器件PLD的出现，使数字系统的设计过程和电路结构都大大简化，同时也使电路的可靠性得到提高。4.PLD器件主要有PLA、PAL、GAL等。5.PLD都是由与阵列和或阵列构成的。PLA的与或阵列都是可编程的；PAL的与阵列是可编程的，而或阵列是固定的；GAL两种实现方式都有，但其编程只有在开发软件和硬件的支持下才能完成。6.GAL是各种PLD器件的理想产品，输出具有可编程的逻辑宏单元，可以由用户定义所需的输出状态，具有速度快、功耗低、集成度高等特点。习习 题题 6.1 用ROM实现8421 BCD码转换为余三码电路。6.2 用ROM实现全减器。6.3 用PLA实现加法器,比较它们实现的不同之处。6.4 用PLA实现下列逻辑函数:6.5 用PLA实现余三码转换为8421 BCD码电路。6.6 用PLA实现序列信号01100110。