《数字电子技术基础》课程教学资源（教案讲义）第6章半导体存储器与可编程逻辑器件.docx

课时章节或第六章半导体存储器和可编程逻辑器件课题名称半导体存储器是当今数字系统中不可缺少的部件，它用于存储各种程序，数据和资料。按照内部信息的存取方式的不同，可分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器（RAM)两大类。本章主要介绍ROM、PROM、EPROM、E2PROM和FLASH（闪速存储器）等不同类型ROM的工作原理和性能特点。同时介绍SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）的工作原理和特教学内容点，存储容量的扩展方法。关于PLD（可编程逻辑器件）的内容，本章先介绍了它的结构、工作原理及应用，包括早期的FPLA（现场可编程逻辑阵列）、PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)的结构、工作原理和使用方法。然后重点介绍近代ISP一PLD（在系统可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程门阵列）的结构特点、工作原理和编程方法1.熟悉ROM、RAM的不同类型，了解相应的电路结构及工作原理。2.掌握ROM与RAM的区别及扩展存储容量的方法。3.掌握阵列图的使用方法及用存储器设计组合逻辑电路的方法。4.了解PLA、PAL、GAL的基本结构、工作原理，熟悉不同类型GAL的教学目标特点。5．熟悉PLD器件的开发过程，了解可编程逻辑语言ABEL一HDL的应用。6.了解FPGA的基本结构、工作原理、编程配置及工作模式。7.掌握FPGA的主要特点及FPGA芯片设计的过程。教学重点1.每类存储器的主要特点及扩展接法2.各种PLD在逻辑功能上的共同特点教学要点3.PLD的分类及各自的特点及难点教学难点1.用存储器设计组合逻辑电路的方法2.采用PLD设计逻辑电路时需要使用哪些开发工具充分利用“EDA（电子设计自动化）实验箱”与“PLD编程软件”，先1.教学方法与对待设计的时序逻辑电路进行编程，再对结果进行仿真。教学手段2.充分利用数电实验箱与存储器芯片，先进行“组合逻辑电路设计”，再说明对结果进行测试6.1概述6.2ROM（只读存储器）6.3RAM（随机存取存储器）教学时间SAM（顺序存取存储器）6.4安排6.5PLD可编程组合逻辑器件6.6FPGA（现场可编程门阵列）6.7FPGA的应用举例1

1 课时章节或课题名称第六章半导体存储器和可编程逻辑器件教学内容半导体存储器是当今数字系统中不可缺少的部件，它用于存储各种程序，数据和资料。按照内部信息的存取方式的不同，可分为只读存储器(ROM) 和随机存取存储器(RAM)两大类。本章主要介绍 ROM、PROM、EPROM、E2PROM 和 FLASH(闪速存储器)等不同类型 ROM 的工作原理和性能特点。同时介绍 SRAM(静态随机存取存储器)和 DRAM(动态随机存取存储器)的工作原理和特点，存储容量的扩展方法。关于 PLD(可编程逻辑器件)的内容，本章先介绍了它的结构、工作原理及应用，包括早期的 FPLA(现场可编程逻辑阵列)、 PAL(可编程阵列逻辑)和 GAL(通用阵列逻辑)的结构、工作原理和使用方法。然后重点介绍近代 ISP－PLD（在系统可编程逻辑器件）和 FPGA(现场可编程门阵列)的结构特点、工作原理和编程方法教学目标 1. 熟悉 ROM、RAM 的不同类型，了解相应的电路结构及工作原理。 2. 掌握 ROM 与 RAM 的区别及扩展存储容量的方法。 3. 掌握阵列图的使用方法及用存储器设计组合逻辑电路的方法。 4. 了解 PLA、PAL、GAL 的基本结构、工作原理，熟悉不同类型 GAL 的特点。 5. 熟悉 PLD 器件的开发过程，了解可编程逻辑语言 ABEL－HDL 的应用。 6. 了解 FPGA 的基本结构、工作原理、编程配置及工作模式。 7. 掌握 FPGA 的主要特点及 FPGA 芯片设计的过程。教学要点及难点教学重点 1. 每类存储器的主要特点及扩展接法 2. 各种 PLD 在逻辑功能上的共同特点 3. PLD 的分类及各自的特点教学难点 1. 用存储器设计组合逻辑电路的方法 2. 采用 PLD 设计逻辑电路时需要使用哪些开发工具教学方法与教学手段说明 1. 充分利用“EDA（电子设计自动化）实验箱”与“PLD 编程软件”，先对待设计的时序逻辑电路进行编程，再对结果进行仿真。 2. 充分利用数电实验箱与存储器芯片，先进行“组合逻辑电路设计”，再对结果进行测试教学时间安排 6.1 概述 6.2 ROM(只读存储器) 6.3 RAM (随机存取存储器) 6.4 SAM(顺序存取存储器) 6.5 PLD 可编程组合逻辑器件 6.6 FPGA(现场可编程门阵列) 6.7 FPGA 的应用举例

CMOSSAM顺一按照一定的顺序存取存储器，有PMOS序存取存先入先出型(FIFO)和先入后出型2.DRAM储器）NMOS(FILO)两种（动态存储器）CMOS6.1.2半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标有存储容量和存取时间。1.存储容量指存储器所能存放二进制信息的总量，常用“字数×位数”来表示。容量越大，表明能存储的二进制信息越多。2.存取时间指进行一次(写)存或(读)取所用的时间，一般用读(或写)的周期来描述。读写周期（存取周期)指连续两次读（或写）操作的最短时间间隔，读写周期包括读（写）时间和内部电路的恢复时间。读写周期越短，则存储器的存储速度越高。6.2ROM(只读存储器）根据存储内容写入方式和能否改写的不同，只读存储器可分为固定ROM掩模ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(E?PROM)和快闪存储器(FlashMemory)等几种类型。6.2.1固定ROM(掩模只读存储器）固定只读存储器在制造时由生产厂家利用掩模技术直接把数据写入存储器中，ROM制成后，其中的数据也就固定，即存储器中的内容用户不能改变只能读出。这类存储器结构简单、集成度高、价格便宜，一般大批量生产。ROM的电路结构包括地址译码器、存储单元矩阵和输出缓冲器3部份，如图6.2所示。地址译码器的作用是将输入地址代码译成相应的控制信号。2→4Wo地址译码电路A,ROM4X4W,W[0]An[1]A-WFA[2]A[3]A存储印D,DDDe(b)(a)图6.2(a)4X4ROM电路结构(b)4X4ROM电路符号图中地址代码Ao、Ar，经过地址译码器后输出WoW3高电平有效的“字线”，可选择存储矩阵中的22个字。存储单元矩阵实际上是一个编码器，编码器中和字线相交的线称为位线，字线与位线构成矩阵。当地址译码器的输出线中有一条为高电平时，编码器的“或阵列”中和该输出为高电平字线相交的每条位线上将输出一个二值代码。通常，把每条位线上输出的二值代码称为一个“位”把与高电平字线相交的所有数据线（位线)输出的二值代码称为一个“字”。“位”线上的输出将进入输出缓冲器，输出缓冲器的作用：①提高存储器的带负载能力，使输出电平与CMOS电路的逻辑电平匹配：②利用缓冲器的三态控制功能便于将存储器的输出端与系统的数据总线直接相连。如图6.3所示，存储矩阵中的每个存储单元可以利用二极管、晶体管、熔丝或其他存储元件构4

4 SAM( 顺序存取存储器) 按照一定的顺序存取存储器，有先入先出型(FIFO)和先入后出型 (FILO)两种 CMOS 2.DRAM PMOS (动态存储器) NMOS CMOS 6.1.2 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标有存储容量和存取时间。 1. 存储容量指存储器所能存放二进制信息的总量，常用“字数×位数”来表示。容量越大，表明能存储的二进制信息越多。 2. 存取时间指进行一次(写)存或(读)取所用的时间，一般用读(或写)的周期来描述。读写周期(存取周期)指连续两次读(或写)操作的最短时间间隔，读写周期包括读(写)时间和内部电路的恢复时间。读写周期越短，则存储器的存储速度越高。 6.2 ROM(只读存储器) 根据存储内容写入方式和能否改写的不同，只读存储器可分为固定 ROM(掩模 ROM)、可编程 ROM(PROM)、可擦除可编程 ROM(EPROM)、电可擦除可编程 ROM(E2PROM)和快闪存储器(Flash Memory)等几种类型。 6.2.1 固定 ROM(掩模只读存储器) 固定只读存储器在制造时由生产厂家利用掩模技术直接把数据写入存储器中，ROM 制成后，其中的数据也就固定，即存储器中的内容用户不能改变只能读出。这类存储器结构简单、集成度高、价格便宜，一般大批量生产。ROM 的电路结构包括地址译码器、存储单元矩阵和输出缓冲器 3 部份，如图 6.2 所示。地址译码器的作用是将输入地址代码译成相应的控制信号。图中地址代码 A0、A1，经过地址译码器后输出 W0～W3 高电平有效的“字线”，可选择存储矩阵中的 2 2 个字。存储单元矩阵实际上是一个编码器，编码器中和字线相交的线称为位线，字线与位线构成矩阵。当地址译码器的输出线中有一条为高电平时，编码器的“或阵列”中和该输出为高电平字线相交的每条位线上将输出一个二值代码。通常，把每条位线上输出的二值代码称为一个“位”，把与高电平字线相交的所有数据线(位线)输出的二值代码称为一个“字”。“位”线上的输出将进入输出缓冲器，输出缓冲器的作用：①提高存储器的带负载能力，使输出电平与 CMOS 电路的逻辑电平匹配；②利用缓冲器的三态控制功能便于将存储器的输出端与系统的数据总线直接相连。如图 6.3 所示，存储矩阵中的每个存储单元可以利用二极管、晶体管、熔丝或其他存储元件构图 6.2 (a) 4×4ROM 电路结构 (b) 4×4ROM 电路符号

成，该图为二极管构成的具有两位地址输入码和四位数据输出的ROM电路。VecWWWB区区A地址译码（与门）?衣0??3KKWWWWo饭D,D?TDD2饭?DD我衣一KDDo吉(b)(a)图6.3（a）利用二极管矩阵构成的两位输入码的ROM电路(b)ROM简化表示地址译码器是一个“与阵列”逻辑结构，二输入信号A,A。可以构成(00、01、10、11)4个不同的地址，将这4个地址代码分别译成Wo～W3高电平有效“字线”。存储单元阵列是一个由二极管组成的“或阵列”编码器，字线和位线的每个交叉点是一个存储单元，交叉点处接在二极管时相当于存数据“1”，否则，相当于存数据“0”，如图6.3(a)所示。当AA0=00时，字线Wo=1，称作字线Wo被选中；其他字线为0。字线Wo的高电平加到下面的两个“或门”上，使得DD2输出高电平，D2Ds输出低电平，即D:D2DiDo=0011。因此，在00字单元中存放着一个4位字Wo，Wo的值为0011。当A,A2=01时，字线Wi为高电平，字线Wi的高电平加到下面的三个“或门”上，使得D2DiDo=111，即相当于存入数据“7”。同理可得W2=1001，W3=1111，如表6.3所示。表6.3图6.3(a)ROM中存放的数据地址存储数据AiD3D2DiAoDo000001I1101110100111111为了简化ROM的电路，可以将图6.3(a)电路中的“与一或”矩阵交叉点有存储元件处加黑点，无存储元件处不加黑点，将电源、电阻、二极管（或三极管、MOS管）等元器件省略简化成图6.3(b）所示的ROM图。这种简化图称为“ROM阵列逻辑图”。6.2.2PROM、EPROM、E?PROM可编程只读存储器1.PROM（只能写入一次的只读存储器）PROM即可编程ROM。其电路结构与固定只读存储器一样，也是由地址译码器、存储矩阵和输出部份组成。但是其存储矩阵的所有的交叉点上全部制作了存储器件，相当于所有的存储单元内都存入数据“1”。存储器件的原理图和PROM的符号分别如图6.4(a)(b)(c)所示。图中，存储器由一只5

5 成，该图为二极管构成的具有两位地址输入码和四位数据输出的 ROM 电路。地址译码器是一个“与阵列”逻辑结构，二输入信号 A1A0 可以构成(00、01、10、11)4 个不同的地址，将这 4 个地址代码分别译成 W0～W3 高电平有效“字线”。存储单元阵列是一个由二极管组成的“或阵列”编码器，字线和位线的每个交叉点是一个存储单元，交叉点处接在二极管时相当于存数据“1”，否则，相当于存数据“0”，如图 6.3(a)所示。当 A1A0=00 时，字线 W0=1，称作字线 W0 被选中；其他字线为 0。字线 W0 的高电平加到下面的两个“或门”上，使得 D1D2 输出高电平， D2D3 输出低电平，即 D3D2D1D0=0011。因此，在 00 字单元中存放着一个 4 位字 W0，W0 的值为 0011。当 A1A2=01 时，字线 W1 为高电平，字线 W1 的高电平加到下面的三个“或门”上，使得 D2D1D0=111，即相当于存入数据“7”。同理可得 W2=1001，W3=1111，如表 6.3 所示。表 6.3 图 6.3(a) ROM 中存放的数据地址存储数据 A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 为了简化 ROM 的电路，可以将图 6.3(a)电路中的“与－或”矩阵交叉点有存储元件处加黑点，无存储元件处不加黑点，将电源、电阻、二极管(或三极管、MOS 管)等元器件省略简化成图 6.3(b) 所示的 ROM 图。这种简化图称为“ROM 阵列逻辑图”。 6.2.2 PROM、EPROM、E 2PROM 可编程只读存储器 1. PROM(只能写入一次的只读存储器) PROM 即可编程 ROM。其电路结构与固定只读存储器一样，也是由地址译码器、存储矩阵和输出部份组成。但是其存储矩阵的所有的交叉点上全部制作了存储器件，相当于所有的存储单元内都存入数据“1”。存储器件的原理图和 PROM 的符号分别如图 6.4(a)(b)(c)所示。图中，存储器由一只图 6.3 (a) 利用二极管矩阵构成的两位输入码的 ROM电路 (b) ROM 简化表示

《数字电子技术基础》课程教学资源（教案讲义）第6章 半导体存储器与可编程逻辑器件

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