第9章半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件9.1只讀存儲器(ROM)9.2隨機存取存儲器(RAM)9.3可編程邏輯器件簡介主要內(nèi)容：

半導(dǎo)體存儲器與可編程邏輯器件屬于大規(guī)模集成電路，目前主要用于計算機的內(nèi)存儲器及其它功能模塊，在移動通信、移動存儲器等領(lǐng)域也有很廣闊的應(yīng)用前景。本章首先學(xué)習(xí)各種半導(dǎo)體存儲器的特點、分類，了解各種半導(dǎo)體存儲器的工作原理和使用方法。最后，了解可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevices，簡稱PLD)的基本知識。半導(dǎo)體存儲器按存取功能分類按存儲原理分類按制造工藝分類ROMRAM雙極型MOS型靜態(tài)存儲器動態(tài)存儲器ROMPROMEPROME2PROMFlashROM半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器結(jié)構(gòu)框圖9.1只讀存儲器（ROM）

只讀存儲器(ROM)是一種存放固定不變的二進制數(shù)碼的存儲器，在正常工作時，可重復(fù)讀取所存儲的信息代碼，而不能改寫存儲的信息代碼。斷電后，信息不會消失。9.1.1只讀存儲器（ROM）框圖由地址譯碼器、存儲矩陣、輸出緩沖器以及芯片選擇邏輯等組成。存儲容量：N×M位9.1.2掩膜ROM

掩膜ROM是通過掩膜工藝制造出的一種固定ROM，用戶無法改變內(nèi)部所存儲的信息，它具有性能可靠，大批量生產(chǎn)時成本低等優(yōu)點。由于在制造時需要開膜，且費用可觀，故只有在產(chǎn)品相當成熟且批量很大或長期生產(chǎn)時才考慮使用。9.1.3熔絲式ROM（PROM）

熔絲式ROM是由用戶用專用的寫入器將信息寫入。如要將某位寫入信息為0，則將該位的熔絲燒斷。如要將某位寫入信息為1，則將該位的熔絲保留（不燒斷）。由于熔絲燒斷后不可恢復(fù)，故只能寫入一次。它在制造時無需開膜，適合小批量生產(chǎn)時選用。9.1.4紫外線可擦除可編程ROM（U－EPROM）EPROM是由用戶用專用的寫入器將信息寫入器件的ROM。與PROM不同的是，如果要更改內(nèi)部存儲信息，只需將此器件置于紫外線下擦除之后，用戶又可將新的信息寫入該器件。這種器件使用較方便，但成本略高，適合小批量生產(chǎn)時選用。EPROM器件的存儲單元采用了浮置柵雪崩注入MOS電路，簡稱為FAMOS管。FAMOS管的柵極全部被二氧化硅包圍著，沒有引出腳，如懸浮狀態(tài)，所以稱為“浮置柵”。原始的浮置柵不帶電荷，F(xiàn)AMOS管不導(dǎo)通，位線上是高電平，存儲的信息為1。當FAMOS管的源極S與襯底接地、漏極D接較高電壓（大于正常工作電壓)時，漏極PN結(jié)反向擊穿產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象，使浮置柵積累電荷，F(xiàn)AMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，位線被箝在低電平，存儲的數(shù)據(jù)為0。由于浮置柵被絕緣的二氧化硅包圍，電荷不會丟失，即信息也不會丟失，這種存儲的信息可能安全保存20年以上，但為了防止平時日光中的紫外線的照射，在其玻璃窗口上帖上黑紙。

當EPROM置于強紫外光下曝光時，產(chǎn)生的光電流使所有浮置柵上的電荷返回到襯底，電荷被清除，即所有的信息皆變?yōu)?（這一過程大約為15min）。在寫入信息時，若要使某位信息為0，即對應(yīng)該位的存儲單元內(nèi)浮置柵需注入電荷，可將該位對應(yīng)的漏源極間加一定大小的高電壓，使之產(chǎn)生雪崩擊穿，產(chǎn)生的熱電子穿過薄氧化層，與此同時在柵極上加一定大小的電壓，在柵極電場的作用下，熱電子被注入至浮置柵上，使浮置柵帶電，也就完成了寫入信息0的操作。要使某位信息為1，由于原先EPROM內(nèi)部所有存儲單元對應(yīng)的信息皆為1，故對該位無需操作。EPROM的使用

目前EPROM的規(guī)格較多，常用的有2716（2K×8位），2732（4K×8位），2764（8K×8位）以及27128（16K×8位）等等，它們的工作電壓皆為+5V，但它們的編程電壓不一定相同，芯片表面的透明石英玻璃窗專供芯片作擦除操作時紫外線照射用。由于自然光中)含有一定量的紫外線，在一定時間的作用下，可能會使芯片上部分或全部信息被擦除，所以在信息寫入后，應(yīng)用不透光紙將石英玻璃窗覆蓋，以免信息丟失。

注意：EPROM反復(fù)擦寫的次數(shù)是有限的。EEPROM具有在線電改寫，每個存儲單元可改寫上萬次，在各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其適用于現(xiàn)場停電后數(shù)據(jù)仍需保持的場合。9.1.5電可擦除可編程ROM（E2PROM）E2PROM的內(nèi)部電路與EPROM電路類似，但其FAMOS中的結(jié)構(gòu)進行了一些調(diào)整，在浮柵上增加了一個遂道二極管（實際上是在浮置柵與N型的襯底形成一層薄薄的氧化層后形成的），在編程時可以使電荷通過它流向浮柵，而擦除時可使電荷通過它流向漏極，不需要紫外線激發(fā)放電，即擦除和編程只須加電就可以完成了，且寫入數(shù)據(jù)的電流很小。

快閃存儲器采用了一種類似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲單元，既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點，又保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性，而且集成度可以做的很高。快閃存儲器的寫入方法和EPROM相同，即利用雪崩注入的方法使浮柵充電。它的擦除操作是利用隧道效應(yīng)進行的，在這一點上又類似于E2PROM寫入0時的操作。FlashMemory具有以下特點：單一電源；SOP（小殼封裝）或TSOP（薄小殼封裝）；多值技術(shù)；多功能化。9.1.6快閃存儲器（FlashMemory）二、ROM的結(jié)構(gòu)只讀存儲器(ROM)的結(jié)構(gòu)：由地址譯碼器和只讀不寫存儲體組成。存儲容量＝字線數(shù)×位線數(shù)＝N×M（位）存儲單元地址(1)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖m0A0A1An-1m1mim2n-1譯碼器Z0(D0)……或門Z1(D1)……或門Zb-1(Db-1)……或門……2n個與門構(gòu)成n位二進制譯碼器,輸出2n個最小項。...n個輸入變量b個輸出函數(shù)或門陣列與門陣列3線-8線譯碼器8×4存儲單元矩陣輸出緩沖器地址碼輸入端數(shù)據(jù)輸出端字線

由地址譯碼器選中不同的字線，被選中字線上的四位數(shù)據(jù)通過輸出緩沖器輸出。

如當?shù)刂反aA2A1A0＝000時，通過地址譯碼器，使字線P0＝1，將字線P0上的存儲單元存儲的數(shù)據(jù)0000輸出，即D0～D3＝0000。

將左圖地址擴展成n條地址線，n位地址碼可尋址2n個信息單元，產(chǎn)生字線為2n條，其輸出若是m位，則存儲器的總?cè)萘繛?n×m位。00010000(2)中大規(guī)模集成電路中門電路的簡化畫法連上且為硬連接，不能通過編程改變編程連接，可以通過編程將其斷開斷開ABDCABDY&ABCY≥1與門或門簡化的門陣列見圖6.22（1）構(gòu)成組合邏輯電路（2）碼制變換（3）用戶程序的存貯（4）用于存儲固定的數(shù)據(jù)、表格三、ROM的簡單應(yīng)用6ROM在組合邏輯設(shè)計中的應(yīng)用

例在右表中，將輸入地址A1A0視為輸入變量，而將D3、D2、D1、D0視為一組輸出邏輯變量，則D3、D2、D1、D0就是A1、A0的一組邏輯函數(shù)。圖ROM的與或陣列圖(a)框圖；(b)符號矩陣圖ROM的與或陣列圖(a)框圖；(b)符號矩陣用ROM實現(xiàn)以下邏輯函數(shù)[例2]Y1=

m(2,3,4,5,8,9,14,15）Y2=

m(6,7,10,11,14,15）Y3=

m(0,3,6,9,12,15）Y4=

m(7,11,13,14,15）A1B1C1D1m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15Y2Y3Y4Y1與陣列或陣列3用ROM實現(xiàn)四位二進制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換。

解

(1)輸入是四位二進制碼B3~B0，輸出是四位格雷碼，故選用容量為24×4的ROM。

(2)列出四位二進制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的真值表，如表6.10所示。由表可寫出下列最小項表達式：四位二進制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的真值表圖四位二進制碼轉(zhuǎn)換為四位格雷碼陣列圖

參照組合邏輯函數(shù)框圖及ROM電路框圖，ROM電路的n根地址線可看作組合邏輯函數(shù)的n個輸入變量，而M根位線可看作組合邏輯函數(shù)的M個輸出變量，由于任一組合邏輯函數(shù)均可用最小項與或式表示，而ROM中的地址譯碼器則形成了n個輸入變量的所有最小項，即實現(xiàn)了邏輯變量的“與運算”，ROM中的存儲矩陣則實現(xiàn)了最小項的“或運算”。所以只要將該函數(shù)最小項表達式中最小項值（1、0）寫入ROM中的存儲矩陣，便實現(xiàn)了該組合邏輯函數(shù)。于是，便可用ROM電路實現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換、函數(shù)運算、字符發(fā)生等函數(shù)。9.1.7用ROM電路實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)存儲器狀態(tài)表示

為了便于表示存儲器的狀態(tài)通常使用下圖來表示，其中小圓點表示該交叉點存放了數(shù)據(jù)，沒有小圓點表示沒有存放數(shù)據(jù)（存放的數(shù)據(jù)可以是0，也可以是1，不同的存儲器型號有所區(qū)別，下圖中對應(yīng)的小圓點存放的數(shù)據(jù)為1）。示例1：用ROM實現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。F3=∑m(5,6,7,8,9)

F2=∑m(1,2,3,4,9)

F1=∑m(0,3,4,7,8)

F0=∑m(0,2,4,6,8)示例1：用ROM實現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。F3=∑m(5,6,7,8,9)

F2=∑m(1,2,3,4,9)

F1=∑m(0,3,4,7,8)

F0=∑m(0,2,4,6,8)9.2隨機存取存儲器（RAM）9.2.1RAM工作原理可以隨時對指定地址RAM進行讀寫操作。RAM有靜態(tài)和動態(tài)兩類。靜態(tài)RAM：結(jié)構(gòu)類似ROM，存儲單元由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，一旦觸發(fā)器被置數(shù)，在不斷電情況下，它的狀態(tài)將被保持到下一次數(shù)據(jù)的寫入，在這期間，讀觸發(fā)器的狀態(tài)不會改變觸發(fā)器狀態(tài)，即它可在不斷電的情況下反復(fù)高速讀寫，無限制。動態(tài)RAM：存儲單元是由電容存儲電荷來記憶信息的，考慮到集成度，這些電容容量都很小，而與這些電容相連器件的輸入電阻總是一個有限的高阻，所以在這些電容上的電荷存在放電現(xiàn)象。為了維持電容上記憶的信息，需在一定的時間內(nèi)不斷刷新存儲單元。所以動態(tài)RAM在使用上不如靜態(tài)RAM方便，但它的集成度比靜態(tài)RAM高，且價格相對較低。9.2.2RAM的應(yīng)用1.系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)保護

在有些應(yīng)用場合，不僅要求對現(xiàn)場不斷變化的數(shù)據(jù)作即時記憶，并且當系統(tǒng)斷電時能將當時的數(shù)據(jù)保存下來。顯然，對于前一要求，RAM是符合的，但RAM是易失性器件，它所保存的有效信息在斷電后會立即丟失。然而由于低功耗靜態(tài)RAM的出現(xiàn)使得用鋰電池（或可充電電池）來進行斷電數(shù)據(jù)保護成為可能（一節(jié)3V鋰電池可維持一片62256（32K×8位）芯片大約三年以上數(shù)據(jù)不丟失）。9.2.2RAM的應(yīng)用1.系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)保護

在實際應(yīng)用中，為了避免系統(tǒng)在失電的瞬間可能對RAM的誤寫，硬件上還需對片選端加以控制，可參閱有關(guān)資料。2.存儲器的擴展使用

在實際的數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用中，有時現(xiàn)有的單片RAM的字線或位線會不夠，這就需要用幾片RAM進行擴展以滿足實際的要求。擴展有字線擴展和位線擴展（根據(jù)實際需要），一般用增加地址線經(jīng)譯碼后作為片選信號進行字線的擴展。對于位線的擴展，可采用各單片RAM的相同地址線并聯(lián)，于是輸出線也就被擴展了。對于ROM的擴展，方法與RAM相同。1K×4位→2K×8位9.3可編程邏輯器件簡介9.3.1概述可編程邏輯器（ProgrammableLogicDevices，簡稱PLD）是一種“與或”陣列可編程器件；最終邏輯結(jié)構(gòu)和功能由用戶編程決定；分類：PROM，PAL，GAL等。

PLD器件的使用可使系統(tǒng)硬件體積大大減少，降低功耗和成本，提高系統(tǒng)可靠性，并且具有一定的保密性、靈活性；能很好地解決大規(guī)模集成電路的通用性和專用性這一對矛盾；有些PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計一般數(shù)字系統(tǒng)的需要。9.3.2可編程陣列邏輯（PAL）

將“或陣列”固定，而使“與陣列”可編程，這種器件稱為可編程陣列邏輯（ProgrammableArrayLogic，簡稱PAL）。一般PAL器件只能用來實現(xiàn)組合邏輯電路，也有帶有觸發(fā)器和反饋線結(jié)構(gòu)的PAL器件，它可用來實現(xiàn)時序邏輯電路。9.3.3通用陣列邏輯器件（GAL）

由于PAL器件的輸出電路結(jié)構(gòu)類型繁多，給使用者帶來不便，于是便產(chǎn)生了一種新型的通用陣列邏輯器件（GenericArrayLogic，簡稱GAL）。1.GAL器件的特點

(1)每個輸出引腳都有輸出邏輯宏單元OLMC，允許使用者根據(jù)需要來定義每個輸出的結(jié)構(gòu)和功能。

(2)由于采用了EEPROM結(jié)構(gòu)，其重復(fù)編程次數(shù)可達100次以上，擦除和編程僅需幾秒鐘。