11.1 随机存取存储器

1. 第11章 存储器 11.1 随机存取存储器 11.2 可编程逻辑器件

2. 学习目的与要求 了解存储器的分类及各类存储器的特点和应用场合，了解存储器的主要性能指标对存储器性能的影响；掌握半导体存储器的逻辑功能和使用方法，理解半导体存储器的电路结构和工作原理；熟悉可编程逻辑器件的类型、工作原理及编程方式。

3. 存储器的分类和用途 存储器是一种具有记忆功能的接收、保存和取出信息的设备，是计算机的重要组成部分，是CPU最重要的系统资源之一。 存储器按在微机中的位置可分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)和缓冲存储器(缓存)三大类。内存一般由半导体存储器构成，通常装在计算机主板上，存取速度快，但容量有限；外存是为了弥补内存容量的不足而配置的，如硬盘、软盘等，外存容量大、成本低，所存信息既可修改也可长期保存，但存取速度慢；缓存位于内存与CPU之间，其存取速度非常快但存储容量更小，一般用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，可提高整个系统的运行速度 。 存储器主要性能指标是存储容量、存储速度和可靠性。

4. 11.1 随机存取存储器RAM 计算机的内存储器由ROM和RAM两部分组成。其中只能读不能写的存储器，称为只读存储器ROM；即能读又能写的存储器，叫做可读写存储器RAM。 由于历史上的原因，可读写存储器也被人们称为随机存取存储器。 通常ROM中的程序和数据是事先存入的，在工作过程中不能改变，这种事先存入的信息不会因下电而丢失，因此ROM常用来存放计算机监控程序、基本输入输出程序等系统程序和数据。RAM中的信息则下电就会消失，所以主要用来存放应用程度和数据。 对存储器的读写或取出都是随机的，通常要按顺序随机存取。按顺序随机存取有两种方式：①先进先出；②后进先出。

5. m 1. RAM的功能与结构 输出控制 RAM 电 路 结 构 框 图 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 器 2n 存储矩阵 n位 地址码 m位 数据 片选控制 读/写控制 列地址译码器 地址译码器： RAM中的每个寄存器都有一个编号，称为地址。每次读/写信息时，只能和某一个指定地址的寄存器之间进行取出或是存入，此过程称为访问存储器。访问地址的是机器识别的二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输出线给出信号，控制被选中的寄存器与存储器的I/O端子，使其进行读/写操作。

6. 输出控制 RAM 电 路 结 构 框 图 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 器 2n 存储矩阵 n位 地址码 m位 数据 m 片选控制 读/写控制 列地址译码器 读写控制器： 读/写控制线可对RAM的读出和写入进行控制。如R/W＝0时，执行写操作，R/W＝1时，执行读操作；由地址输入端输入的n 位地址码经地址译码器译码后选中一组(信息长度m 位)存储单元，m位的二进制代码经I/O接口被写入或被读出。

7. 输出控制 RAM 电 路 结 构 框 图 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 器 2n 存储矩阵 n位 地址码 m位 数据 m 片选控制 读/写控制 列地址译码器 I/O控制器： 为了节省器件引脚的数目，数据的输入和输出共用相同的I/O引脚。读出时它们是输出端，写入时它们又是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。I/O端子数决定于一个地址中寄存器的位数。通常RAM中寄存器有五种输入信号和一种输出信号：地址输入信号、读/写控制输入信号、 OE输出控制信号、 CS片选控制输入信号、数据输入信号和数据输出信号。

8. 输出控制 RAM 电 路 结 构 框 图 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 器 2n 存储矩阵 n位 地址码 m位 数据 m 片选控制 读/写控制 列地址译码器 由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装在一起构成一台计算机的存储器。当CPU访问存储器时，存储器中只允许一片RAM中的一个地址与CPU交换信息，其它片RAM不能与CPU发生联系，所谓片选就是实现这种控制。通常一片RAM有1根或几根片选线，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与CPU接通；片选线为无效电平时，与CPU之间呈断开状态。例如片选信号CS＝“1”时，RAM禁止读写，处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态；CS＝“0”时，RAM可在读/写控制输入R/W的作用下作读出或写入操作。 片选控制：

9. 输出控制 RAM 电 路 结 构 框 图 行 地 址 译 码 器 读 写 控 制 器 2n 存储矩阵 n位 地址码 m位 数据 m 片选控制 读/写控制 列地址译码器 存储矩阵： 存储矩阵是存储器的主体，含有大量的基本存储单元。通常数据和指令是用一定位数的二进制数来表示的，这个二进制数称为字，字的位数称为字长。存储器以字为单位进行存储，为了存入和取出的方便，必须给每个字单元以确定的标号，这个标号称为地址，不同的字单元具有不同的地址。存储器的容量由地址码的位数m决定，当地址码的位数为n，字长的位数为m时，存储器内含2n×m个存储单元。

10. 2. RAM的存储单元电路 存储单元是RAM的核心部分， RAM字中所含的位数是由具体的RAM器件决定的，可以是4位、8位、16位和32位等。每个字是按地址存取的。一般操作顺序是：先按地址选中要进行读或写操作的字，再对找到的字进行读或写操作。打一比方：存储器好比一座宿舍楼，地址对应着房间号，字对应着房间内住的人，位对应床位。 存储器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RAM电路，对速度要求不高场合下，常用单极型存储器。我们主要以单极型存储器为例介绍RAM的工作原理。

11. Q (1) 静态RAM存储单元 行选择线 图中T1和T2、T3和T4分别构成两个反相器。两个反相器交叉耦合又构成了基本触发器，作为储存信号的单元，当Q＝１时为“1”态，Q＝0时为“0”态。T5和T6是门控管，其导通和截止均受行选择线控制。 1 0 +UDD 导通 截止 截止 导通 T1 T3 Q T5 T6 T4 T2 0位线 1 0 保持原态不变 存储数据输出 1位线 当行选择线为高电平时，T5T6导通，触发器输出端与位线接通 当行选择线为低电平时，T5T6截止，存储单元和位线断开。

12. (2) 动态RAM存储单元 字选线 一个MOS管和一个电容即可组成一个最简单的动态存储单元电路。 1 0 导通 截止 隔 离 T 当存储单元未被选中时： 当存储单元被选中时： C C0 写入时，送到数据线上的二进制信号经T存入C中；读出时，C的电平经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。 数据线 读/写操作 动态RAM存储单元 由于C和数据线的分布电容C0相并，因此C要损失部分电荷。为保持原有信息不变，使放大后的数据同时回送到数据线上，对C应进行重写，称为刷新。对长时间无读/写操作的存储单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进行刷新，这是动态存储器的特点。

13. • • • • • • 片16 片2 片1 • • • • • • • • • • • • I /O 1 I /O 16 I /O 2 CS 3. RAM的容量扩展 RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此常用的容量扩展法有位扩展、字扩展和字位扩展三种形式。 地址码 A0~A9 16片1024字×1位的RAM构成1024字×16位的RAM。 如果一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可采用位扩展连接方式解决。其数据位的扩展方法是：将各个RAM的地址码并联片选端并联即可。

14. I/O 1~4 利用地址码的最高位A10控制RAM器件的片选CS端，以决定哪一片RAM工作。地址码的低A0~A9并联接到两片RAM的地址输入端。两片RAM的数据输入/输出端（I/O1~4）按位对应地并联使用。 片1 片2 CS CS 1 RAM的字扩展 下图所示为RAM字扩展的典型实例：利用两片1024字×4位的RAM器件构成2048字×4位的RAM。 A0~A9 A10

15. I/00 I/01 I/02 I/03 A0 A9 R/W Y0 Y7 A10 A11 A12 RAM的字位同时扩展 字位同时扩展连接较复杂，如下图示： 74LS138 译码器 16片1024×4位的 RAM和3线－8线译码器74LS138相接可扩展三个地址输入端，构成一个8K×4位的RAM。

16. 什么是随机存储器？随机存储器有何特点？ RAM有几种类型的存储单元？各适用于什么场合？ 存储器的容量由什么来决定？ 检验学习结果 在工作过程中，既可方便地读出所存信息，又能随时写入新的数据的存储器称为随机存储器，随机存储器。其特点是在系统工作时，可以很方便地随机地对各个存储单元进行读/写操作，但发生掉电时数据易丢失。 按功能不同可分为静态和动态两类，按所用元件可分为双极型和单极型双极型存储器适用于存取速度要求高的场合，单极型的存储器适用于容量大、低功耗，对速度 要求不高的场合。 存储器的容量是由地址码的位数n和字长的位数m共同决定的。 多看多练多做

17. 2n m m n 11.2 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件属于只读存储器ROM，其方框图与RAM相似。ROM将RAM的读写电路改为输出电路；ROM的存储单元由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。 1. 只读存储器ROM的基本概念 只读存储器在工作时只能进行读出操作，结构原理如下： 输出电路 地址译码 地 址 码 存储单元矩阵 数据 I/O “位” “字” 只读存储器ROM的特点是：存储单元简单，集成度高，且掉电时数据不会丢失。

18. D S 浮置栅 P+ P+ N型衬底 2、可编程逻辑器件的存储单元 只读存储器ROM存入数据的过程称为“编程”。根据编程方式的不同，可分为内容固定的ROM，一次性编程的PROM、可多次编程的EPROM和电改写的E2PROM。早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单元利用其内部熔丝是否被烧断来写入数据的，因此只能写入一次，使其应用受到很大限制。目前使用的PROM可多次写入，其存储单元是在MOS管中置入浮置栅的方法实现的。 左图是浮置栅型PMOS管的结构原理图，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足够高的反向脉冲电压把PN结击穿，雪崩击穿产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，浮置栅中的电子无放电回路而被保留下来。

19. 浮置栅PMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使PMOS管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该单元位线即为低电平；若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅PMOS管截止，位线为高电平。当用户需要浮置栅PMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使PMOS管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该单元位线即为低电平；若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅PMOS管截止，位线为高电平。当用户需要 改写存储单元中的内容时，要用紫外线或X射线照射擦除，使浮置栅上注入的电荷形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未写入时的状态，因此又可重新写入新信息。 +UDD 利用光照抹掉写入内容需要大约30min左右较长时间。为了缩短抹去时间，人们研制出了电擦除方式。电擦除的速度一般为ms数量级，其擦除的过程就是改写的过程，改写是以字为单位进行的。电擦除的E2PROM既可以在掉电时不丢失数据，又可以随时改写写入的数据，重复擦除和改写的次数可达1万次以上。 字线 位 线 浮置栅MOS管 EPROM存储单元

20. ≥1 F2 & F1 A B C D A B C D 3、可编程逻辑器件 可编程逻辑器件按编程方式可分为掩膜编程和现场编程。掩膜编程是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作；现场编程则是由用户在工作现场进行编程，以实现所需要的逻辑功能。 任意一个逻辑函数都可以写成与—或表达形式，所以可编程逻辑器件的基本结构是一个与阵列和一个或阵列。 PLD有较大的与或阵列，其逻辑图的画法也与传统的画法有较大的区别。 或阵列 固定连接 与门 阵列 或门 阵列 乘积项 和项 逻辑连接 F2=A+C 与阵列 F1=ABD PLD主体示意图

21. B0 B3 B2 B1 B3 B2 B0 B1 G0 G1 G2 G3 (1)可编程逻辑阵列PLA 可编程逻辑阵列PLA在存储器中的主要应用是构成组合逻辑电路，下面我们举例进行说明。 例 用PLA实现 4 位二进制数 转换为Gray 码的电路。 与阵列 PLA的特点：与阵列和或阵列都可以编程。 PLA中的与阵列被编程产生所需的全部与项； PLA中的或阵列被编程完成相应与项间的或运算并产生输出。 由此大大提高了芯片面积的有效利用率。 或阵列

22. 用 PLD实现逻辑函数 L0 = ABC + ABC + ABC + ABC L1 = BC + BC L2 = BC + BC A B C 或阵列 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 与阵列 Y3 Y2 Y1 由图可得 Y1 = ABC + ABC + ABC Y2 = ABC + ABC Y3 = ABC + ABC L0 L1 L2 例 例

23. (2)可编程阵列逻辑PAL 可编程阵列逻辑PAL的速度高且价格低，电路输出结构形式有多种，因可以方便地进行现场编程，所以受到用户欢迎。 为实现时序逻辑电路的功能，可编程阵列逻辑PAL又设计制造了在或门和三态门之间加入D触发器，并且将D触发器的输出反馈回与阵列，从而使PAL的功能大大提高。与同样位数的PLA相比，PAL不但减少了编程点数，而且也简化了编程工作，更加有利于辅助设计系统的开发。 PAL结构示意图

24. 1 A & ≥1 AB & AB 1 B PAL编程是按“熔丝图”进行的，下图所示为实现“异或”函数的熔丝图，图中“×”表示熔丝保留，而无“×”的交点表示熔丝烧断。 由于PAL采用双极型熔丝工艺，工作速度较高，但由于与阵列的“熔丝”工艺， 因此只能进行一次编程，而且需要在专门的编程器上进行编程，所以其应用仍受到限制。

25. CP I0 I7 1 & 1 OLMC O0 1 1 & 1 OLMCO0 1 1 1 OE (3)通用阵列逻辑GAL 目前多用GAL，因为与PAL相比，GAL采用的是浮栅编程技术；有较高的通用性和灵活性。GAL可重复编程、工作速度高、价格低、具有强大的编程工具和软件支撑，并且用可编程的输出逻辑宏单元取代了固定输出电路，因而功能更强。 GAL内部原理图（局部）

26. PLD有几种类型？指出它们的不同点？ 可编程的含义是什么？有哪几种编程方式？ 检验学习结果 PLD通常有可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL。PLA的与阵列和或阵列都可编程，输出电路固定；PAL与阵列可编程，或阵列固定，输出电路固定；GAL与阵列可编程，或阵列固定，输出电路可组态。 存储信息由用户根据需要可以重新编程修改即可编程。可编程方式有掩膜编程和现场编程两种方式。 多看多练多做

27. 本章学习结束 Goodbye!