第10章存儲器10.1概述10.2隨機存取存儲器（RAM）10.3只讀存儲器（ROM）10.4可編程邏輯器件PLD

存儲器的分類一、按存儲器用途分類二、按存儲器性質分類一、按存儲器用途分類1.內部存儲器內部存儲器也稱為內存，是主存儲器，位于計算機的內部，用來存放當前正在使用的或經常要使用的程序和數據。程序只有放入內存，才能被CPU執行。CPU使用系統地址總線訪問內存，而借助于I/O端口訪問外存。內存的存取速度較快，一般是用半導體存儲器件構成。內存的容量大小受到地址總線位數的限制，對8086系統，20條地址總線可尋址內存空間為1M字節。2.外部存儲器外部存儲器也稱外存，是輔助存儲器。外存的特點是大容量，所存貯的信息既可修改，也可保存，存取速度較慢，要由專用的設備來管理。用來存放需要長期保存的一些程序和數據。在微型計算機中，常見的外存有硬盤、軟盤及光盤(CD－ROM)等。二、按存儲器性質分類1.RAM隨機存取存儲器CPU能根據RAM的地址將數據隨機的寫入或讀出。掉電后，所存信息全部丟失。通常所說的計算機內存容量有多少字節，均指RAM存儲器的容量。（1）SRAM：速度快，集成度低，功耗也大，一般高速緩沖存儲器用它組成。（2）DRAM：其內容在10-3或10-6秒后自動消失，因此必須周期性的在內容消失之前進行周期性刷新。集成度高，成本低，耗電也少，但需要一個額外的刷新電路，且運行速度慢，SRAM比DRAM快2~5倍，一般PC機的標準存儲器都采用DRAM組成。2.ROM只讀存儲器ROM只讀存儲器是將程序及數據固化在芯片中，數據只能讀出，不能寫入，掉電數據也不會丟失，通常存放操作系統的程序（BIOS）或用戶固化的程序。（1）掩膜型ROM：信息由廠家寫入，用戶不能做任何修改（2）PROM可編程ROM：程序固化后，內容不能再變。（3）EPROM可擦除、可編程ROM:程序固化后可通過紫外光照擦除，以便重新固化新數據。（4）EEPROM電可擦除可編程ROM:可利用電壓來擦除芯片內容，以重新固化新數據。半導體存儲器（Memory）隨機存取存儲器（RAM）靜態RAM（SRAM）動態RAM（DRAM）只讀存儲器（ROM）掩膜ROM可編程ROM（PROM）紫外線可擦除的PROM（EPROM）電可擦除的PROM（EEPROM）半導體存儲器的性能指標1.存儲容量2.存取時間3.其他指標——可靠性、集成度、價格比等存儲器是微機系統的重要部件之一，計算機在運行過程中，大部分的總線周期都是對存儲器進行讀/寫操作，因此存儲器性能的好壞在很大程度上直接影響計算機的性能。衡量半導體存儲器性能的指標很多，但從功能和接口電路的角度來看，最重要的有以下幾項。字長（位數）：表示一個信息多位二進制碼稱為一個字,字的位數稱為字長。幾個基本概念：存儲容量（M)：存儲二值信息的總量。字數：字的總量。地址：每個字的編號。字數=2n（n為存儲器外部地址線的線數）存儲容量（M)＝字數×位數1.容量存儲器的容量是指一個存儲器芯片所能存儲的二進制信息量。

存儲器芯片容量=存儲單元數每單元的數據位數為了便于存放和取出數據，每個存儲單元必須有一個固定地址。為了減少存儲器芯片向外引出的地址線，在存儲器芯片內部都自帶譯碼器。根據二進制編碼譯碼的原理，n根地址線可以譯成2n個地址（單元）。所以根據存儲器芯片的存儲容量（地址單元數）就可以知道該芯片向外引出的地址線的根數。

2114的存儲容量為1k×4,1024B=210B其地址線有10根；

6116和2716的的存儲容量為2k×8，211B其地址線有11根

6264和2764的的存儲容量為8k×8，其地址線有13根；地址線n與地址數對照表地址線根數可編譯的地址號數地址線根數可編譯的地址號數24101024=1K38112048=2K416124096=4K532138192=8K6641416384=16K71281532768=32K82561665536=64K9512=0.5K2.存取時間存取速度通常用存取時間來衡量。存取時間又稱為訪問時間或讀/寫時間，它是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。例如，讀出時間是指從CPU向存儲器發出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內容讀出送上數據總線為止所用的時間；寫入時間是指從CPU向存儲器發出有效地址和寫命令開始，直到信息寫入被選中單元為止所用的時間。顯然，存取時間越短，存取速度越快。3.可靠性可靠性是指在規定的時間內，存儲器無故障讀/寫的概率。通常用平均無故障時間MTBF（meantimebetweenfailures）來衡量可靠性。MTBF可以理解為兩次故障之間的平均時間間隔，越長說明存儲器的性能越好。4.性能價格比衡量存儲器綜合性指標。存儲矩陣地址譯碼器讀/寫控制電路…………地址碼輸入片選讀/寫控制輸入/輸出讀寫放大電路由大量寄存器構成的矩陣用以決定訪問哪個字單元用以決定芯片是否工作用以決定對被選中的單元是讀還是寫讀出及寫入數據的通道1.存儲矩陣

存儲矩陣是由許多存儲單元組成的陣列。每個存儲單元可存放1位二進制數。存儲器中所存數據通常以字為單位，1個字含有若干個存儲單元，即含有若干位，其位數也稱為字長。存儲器的容量通常以字數和字長的乘積表示，如1024×4存儲器表示有1024個字，每個字4位，共有4096個存儲單元（容量）1024×4RAM結構圖2.地址譯碼器

地址譯碼器是將外部給出的地址信號進行譯碼，找到對應的存儲單元。通常根據存儲單元所排列的矩陣形式，將地址譯碼器分成行譯碼器和列譯碼器。行地址譯碼器將輸入地址碼的若干位譯成對應字線上的有效信號，在存儲矩陣中選中一行存儲單元；列地址譯碼器將輸入地址碼的其余幾位譯成對應輸出線上的有效信號，從字線選中的存儲單元中再選1位或n位，使這些被選中的單元電路和讀/寫控制電路接通，再由讀/寫控制電路決定對這些單元進行讀/寫操作。

圖9-10RAM存儲矩陣的示意圖

2564（256個字，每個字4位）RAM存儲矩陣的示意圖。如果X0＝Y0＝1，則選中第一個信息單元的4個存儲單元，可以對這4個存儲單元進行讀出或寫入。

3.輸入/輸出控制輸入/輸出控制也稱讀/寫控制，是數據讀取和寫入的指令控制，它和輸入/輸出緩沖器完成數據的讀/寫操作。讀/寫控制電路的讀/寫控制信號R/W=1時，執行讀出操作，將被選中的存儲單元里的數據送到輸入/輸出（I/O）端上。當R/W=0時，執行寫入操作，將I/O端上的數據寫入被選中的存儲單元中。CS為片選信號端，當CS=0時，選中本片電路正常工作；當CS=1時，電路I/O端呈高阻態，不能進行讀/寫操作。RAM的存儲單元

1.靜態RAM(SRAM)由MOS管觸發器組成的存儲單元圖，其中MOS管為NMOS。V1、V2，V3、V4組成的兩個反相器交叉耦合構成基本RS觸發器作基本存儲單元；V5、V6為門控管，由行譯碼器輸出字線X控制其導通或截止；V7、V8為門控管，由列譯碼器輸出Y控制其導通或截止，也是數據存入或讀出的控制通路。NMOS靜態存儲單元讀/寫操作時，X=1，Y=1，V5、V6、V7、V8均導通，觸發器的狀態與位線上的數據一致。當X=0時，V5、V6截止，觸發器的輸出端與位線斷開，保持狀態不變。當Y=0時，V7、V8截止，不進行讀/寫操作。SRAM一般用于小于64KB數據存儲器的小系統或作為大系統中高速緩沖存儲器，有時還用于需要用電池作為后備電源進行數據保護的系統中。2.動態RAM（DRAM）單管動態存儲單元讀/寫操作時，字線X=1，使MOS電容CS與位線相連。寫入時，數據從位線存入CS中，寫1充電，寫0放電。讀出時，數據從CS中傳至位線。DRAM利用MOS存儲單元分布電容上的電荷來存儲一個數據位。由于電容電荷會泄漏，因此為了保持信息不丟失，DRAM需要不斷周期性地進行刷新。DRAM存儲單元所用MOS管少，因此DRAM集成度高，功耗低。DRAM常用于大于64KB的大系統。集成RAM簡介1.集成靜態存儲器21142114靜態RAM是一個通用的MOS集成靜態存儲器，它的存儲單元由六管靜態存儲單元組成，有4096個（1024×4），21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I/O49μ?10I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/2114RAM有10根地址線，可訪問1024(210)個字。它有常見的片選(CS)和讀/寫允許（R/W）控制輸入端。當RAM處于寫模式時，CS為低電平。R/W為低電平，這時I/O1、I／O2、I／O3和I／O4為輸入數據信號；當RAM處于讀模式時，CS為低電平,R/W為高電平，I／O1、I／O2、I／O3和I／O4為輸出數據信號。2114RAM電源電壓為+5V，采用NMOS技術，三態輸出，時間是50～450ns。21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I/O49μ?10I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/RAM的擴展存儲器的容量：字數×位數

1)位數的擴展

當存儲器的實際字長已超過RAM芯片的字長時，需要對RAM進行位擴展。可利用并聯方式實現：用兩片2114RAM來擴展為8位字長存儲器，就是在大多數微機中所說的1KB存儲器，或者叫做1024字節（每個字節長8位）。將RAM的地址線、讀出線和片選信號線對應地并接在一起，而各個芯片的輸入/輸出(I/O)線作為字的各個位線，。

。返回2114RAM位擴展2114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9….D0D1D2D3D4D5D6D72114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9….A0A1A9…CSWR/⑵

字擴展將多片存儲器經適當的連接，組成字數更多，而位數不變的存儲器。例：由1024×8的

RAM擴展為4096×8的RAM。共需四片1024×8的RAM芯片。

1024×8的RAM有10根地址輸入線A9～A0。

4096×8的RAM有12根地址輸入線A11～A0。選用2線-4線譯碼器，將輸入接高位地址A11、A10，輸出分別控制四片RAM的片選端。

圖9-13RAM字擴展

由1024×8的RAM擴展為4096×8的RAM(3)字位擴展例：將1024×4的RAM擴展為2048×8RAM。位擴展需2片芯片，字擴展需2片芯片，共需4片芯片。字擴展只增加一條地址輸入線A10，可用一反相器便能實現對兩片RAM片選端的控制。字擴展是對存儲器輸入端口的擴展，位擴展是對存儲器輸出端口的擴展。

圖9-14RAM的字位擴展

將1024×4的RAM擴展為2048×8RAM10.3只讀存儲器（ROM）一、掩膜ROM(ReadOnlyMemory)二、PROM(可編程的ROM)三、EPROM(可擦除的PROM)四、EEPROM(電子式可清除的PROM)存儲矩陣地址譯碼器地址輸入7.1.1ROM的定義與基本結構數據輸出控制信號輸入輸出控制電路地址譯碼器存儲矩陣輸出控制電路1）ROM（二極管PROM）結構示意圖存儲矩陣位線字線輸出控制電路M=44地址譯碼器字線與位線的交點都是一個存儲單元。交點處有二極管相當存1，無二極管相當存0當OE=1時輸出為高阻狀態000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0內容當OE=0時2.紫外線可擦除ROM(EPROM)PROM的一次性編程給實際使用帶來許多不便，在實際使用中更需要可重復編程的芯片。EPROM（ErasablePROM）是一種可擦寫的PROM，它采用了N溝道增強型浮柵MOS管作為存儲單元。用戶只需用個人EPROM編程器（寫入器）就可對EPROM編程或寫入程序。如果要對EPROM重復使用或重復編程，則可以使用IC頂部特設的石英窗口，將紫外光（UV）直接照射到EPROM芯片上的窗口大約5分鐘左右，通過紫外光把所有的存儲單元設置為邏輯1來擦除EPROM，此后，可對EPROM重新寫入程序。圖9-10所示的是一個典型24引腳的EPROM存儲器芯片。圖9-10EPROM3.電可擦除ROMEEPROM（ElectricallyErasablePROM）是電可擦除PROM，也稱作E2PROM。EEPROM可以用電的形式擦除。當把它放在電路板上時，能對其進行擦除或重新寫入程序，這對于PROM或EPROM是不可能的。另外，還可以對EEPROM芯片上的部分程序代碼進行重寫，一次1個字節。EEPROM的存儲單元有兩種結構，一種為雙層柵介質MOS管，另一種為浮柵隧道氧化層MOS管。其擦寫次數可達1萬次以上。10.4可編程邏輯器件PLD

本章主要內容：可編程陣列邏輯PAL

、通用陣列GAL的結構與特點；

10.1可編程邏輯器件(PLD)簡介返回1.PLD在數字集成芯片中的位置

數字SSI、MSI集成LSI、VLSI電路ASIC全定制ASIC門陣列半定制ASIC標準單元PLD（1）數字集成電路按照芯片設計方法的不同分類：①通用型SSI、MSI集成電路；②LSI、VLSI集成電路，如微處理器、單片機等；③專用集成電路ASIC（LSI或VLSI）。（2）ASIC分類全定制ASIC：硅片沒有經過預加工，其各層掩模都是按特定電路功能專門制造的。半定制ASIC：按一定規格預先加工好的半成品芯片，然后再按具體要求進行加工和制造，包括門陣列、標準單元和可編程邏輯器件(PLD)三種。2.可編程邏輯器件(PLD)（1）定義：PLD是廠家作為一種通用型器件生產的半定制電路，用戶可以利用軟、硬件開發工具對器件進行設計和編程，使之實現所需要的邏輯功能。（2）PLD的基本結構框圖其中輸入緩沖電路可產生輸入變量的原變量和反變量，并提供足夠的驅動能力。

圖10-1PLD的基本結構框圖（3）按集成度分類：①低密度PLD(LDPLD)：結構簡單，成本低、速度高、設計簡便，但其規模較小(通常每片只有數百門)，難于實現復雜的邏輯。

表10-1按編程部位分類LDPLD分類與陣列或陣列輸出電路可編程類型可編程只讀存儲器PROM固定可編程固定半場可編程現場可編程邏輯陣列FPLA可編程可編程固定全場可編程可編程陣列邏輯PAL可編程固定固定半場可編程通用陣列邏輯GAL可編程固定邏輯宏單元（OLMC）半場可編程②高密度PLD(HDPLD)：分類結構形式類型可擦除可編程邏輯器件(EPLD)與或陣列陣列型復雜可編程邏輯器件(CPLD)與或陣列陣列型現場可編程門陣列(FPGA)門陣列單元型（4）PLD器件的優點縮短設計周期，降低設計風險高可靠性和可加密性降低了產品生產的總費表10-2:HDPLD的分類（5）常采用可編程元件(存儲單元)的類型：①一次性編程的熔絲或反熔絲元件；②紫外線擦除、電可編程的EPROM(UVEPROM)存儲單元，即UVCMOS工藝結構；③電擦除、電可編程存儲單元，一類是E2PROM即E2CMOS工藝結構，另一類是快閃(Flash)存儲單元；④基于靜態存儲器(SRAM)的編程元件。其中，③類和④類目前使用最廣泛。

圖10-2幾種常用邏輯符號表示方法（a）輸入緩沖器（b）

與門

（c）

或門（d）

三種連接（6）幾種常見的邏輯符號表示方法1.可編程陣列邏輯（PAL）（1）PAL的結構

與陣列—可編程；或陣列—固定輸出電路—固定圖10-3PAL的結構返回普通可編程邏輯器件（2）PAL的輸出結構①專用輸出結構。輸出端只能輸出信號，不能兼作輸入。只能實現組合邏輯函數。目前常用的產品有PAL10H8、PAL10L8等。

②可編程I/O結構。輸出端有一個三態緩沖器，三態門受一個乘積項的控制。當三態門禁止，輸出呈高阻狀態時，I/O引腳作輸入用；當三態門被選通時，I/O引腳作輸出用。圖10-5可編程的I/O結構③寄存器輸出結構。輸出端有一個D觸發器，在使能端的作用下，觸發器的輸出信號經三態門緩沖輸出。能記憶原來的狀態，從而實現時序邏輯功能。圖10-6寄存器輸出結構④異或—寄存器型輸出結構。輸出部分有兩個或門，它們的輸出經異或門后再經D觸發器和三態緩沖器輸出，這種結構便于對與或邏輯陣列輸出的函數求反，還可以實現對寄存器狀態進行維持操作，適用于實現計數器及狀態。（A⊕0=A，A⊕1=A）圖10-7異或寄存器型輸出結構（3）PAL的命名PAL共有21種，通過不同的命名可以區別。圖10-8PAL的命名

（4）PAL的優點：

①提高了功能密度，節省了空間。通常一片PAL可以代替4～12片SSI或2～4片MSI。同時，雖然PAL只有20多種型號，但可以代替90％的通用器件，因而進行系統設計時，可以大大減少器件的種類。②提高了設計的靈活性，且編程和使用都比較方便。

③有上電復位功能和加密功能，可以防止非法復制。

20世紀80年代初，美國Lattice半導體公司研制。

GAL的結構特點：輸出端有一個組態可編程的輸出邏輯宏單元OLMC，通過編程可以將GAL設置成不同的輸出方式。這樣，具有相同輸入單元的GAL可以實現PAL器件所有的輸出電路工作模式，故而稱之為通用可編程邏輯器件。

GAL與PAL的區別：①PAL是PROM熔絲工藝，為一次編程器件，而GAL是E2PROM工藝，可重復編程；②PAL的輸出是固定的，而GAL