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第14章 存储器与可编程逻辑器件
一、基本要求
1． 了解ROM、RAM半导体存储器以及ROM与阵列，或阵列的结构；
2． 了解常用PLD器件的逻辑功能和应用特点，了解它们的组成特点，分析方法和逻辑设计方法；
3． 了解GAL等常用可编程逻辑器件的结构及编程方法。
二、阅读指导
半导体存储器按存储功能分，可分为只读存储器ROM(Read Only Memory)和随机存取存储器RAM(Random Access Memory)两类；按构成元件分，有双极型存储器和MOS型存储器等等，如图14.1所示。双极型存储器速度快，但功耗大；MOS型存储器速度较慢，但功耗小，集成度高。

图14.1
半导体存储器的指标很多，如可靠性、集成度、功耗、电源种类等。从使用角度来看，存储器最重要的性能指标是存储芯片的容量和存取速度。
存储容量指每个存储器芯片所能存储的二进制数的位数。即存储芯片的容量＝芯片的地址单元数×数据线位数。
存储器的存取速度是指从CPU给出有效的存储地址到存储器给出有效数据所需的时间。存取时间越短，则速度越快。一般为几纳秒~几百纳秒(ns)。
1、只读存储器
只读存储器ROM存储的信息是固定不变的。工作时只能读出信息，不能随时写入信息。
它主要存储矩阵、地址译码器、控制逻辑、三态数据缓冲器四部分组成。
组成ROM存储单元的元件可以是电阻、半导体二极管、三极管和MOS管等。图14.2所示的存储阵列具有4条字线和4条位线，表示能存储4个字，每个字有4位。字线和位线的相交处称为存储单元，该处若有MOS管则存储内容为0，否则为1。地址线A1，A0通过译码对4个字线进行选择，图中各个字的地址及其内容如表14.l所示。当片选信号为低电平时，选中字的内容经三态缓冲器由数据线D3～D0输出。由于各存储单元的内容由MOS管的分布决定，因而ROM一旦由厂家制造好后，其存储内容就不能改变，故又称固定ROM。

图14.2

从图14.2中可知，每个输入地址对应着地址代码的一个最小项(称最小项译码)，并使相应的一条字线为1。而每一条位线的状态是若干字线输出的逻辑或。为了简化作图，常用与一或逻辑阵列来表示ROM的结构。与阵列表示译码矩阵，或阵列表示存储矩阵。若存储单元内存放有信息1，则在对应的字线和位线交叉点上画一个圆点。这种图形也称为ROM阵列逻辑图。图14.2所示ROM电路的简化存储矩阵阵列图如图14.3所示。
表14.1

图14.3
2、可编程只读存储器
1)一次编程型只读存储器(PROM)
PROM是一种存储内容可以由用户写入的只读存储器。它由固定的与阵列和可编程的或阵列组成；而可编程或阵列由与门的输出线和或门的输入线组成，其交叉点处制造厂家用熔断丝连接，如图14.4所示。用户可根据要求用编程器将阵列中的某些熔丝烧断，以实现一定的逻辑关系，一旦编好程序，就不能再更改了。PROM主要用来存储固定的程序、数据和表格等。
2)可改写型只读存储器(EPROM)
EPROM可多次擦去并重新写入新内容。在EPROM器件外壳上有透明的石英窗口，用紫外线照射，即可完成擦除操作。
3)电可改型只读存储器(E2PROM)
E2PROM是一种能用电压信号快速擦除的EPROM，使用 灵活、方便。 图14.4
3、随机存取存储器
随机存取存储器(RAM)也称为读写存储器。它可随时从任何一个指定地址的存储单元中读出数据，也可随时将数据写入任何一个指定地址的单元中，读／写方便，使用灵活。但一旦电源中断，所存的信息就会随之消失，不利于数据的长期保存。
RAM的结构框图如图14.5所示，与ROM相似，所不同的是RAM多了一个读／写控制信号(R／W)，并且数据线为双向的。

图14.5
一片RAM芯片所能存储的信息量是有限的，可用多片RAM组成大容量存储器。访问存储器时，通过片选线进行控制。使用时，只有片选信号CS＝0的一片RAM工作，其余各片CS＝1时，不工作。
RAM也有双极性和MOS型两类。在MOS型RAM中，按其工作模式又分为动态RAM和静态RAM两种。
4、可编程逻辑器件
可编程逻辑器件(PLD)是一种可以由用户编程执行一定逻辑功能的大规模集成电路，基本结构如图14.6 (a)所示。与阵列对输入项进行与运算，其输出在或阵列中进行或运算。图14.6 (b)，(c)表示了与、或阵列的习惯画法。图中，“．”表示固定连接；‘×’表示可编程连接；无点也无叉则表示不连接。用户通过编程器对与阵列和或阵列进行编程，可以实现各种逻辑功能。图146 (d)表示两种缓冲器，F1＝为反相缓冲器，F2＝A为同相缓冲器。
根据与阵列和或阵列是否能够编程以及输出功能的不同，PLD大致可分为4种类型。

图14.6
1)可编程只读存储器
PROM由固定的与阵列和可编程的或阵列组成，如图14.7所示。

图14.7

（2)通用阵列逻辑——GAL
GAL结构与PAL基本一样，只是在每个输出端增加了一个可编程的输出逻辑宏单元，其输出状态可以由用户定义。GAL速度快、功耗低、集成度高，具有电可擦除实现多次编程的功能，使用灵活方便，是各种PLD中最为流行的一种。
三、例题解析
例14.1 现有3个变量A，B，C，试用8×4位ROM实现下列逻辑函数：与、或非、异或、与或非。
解：首先写出3变量与、或非、异或、与或非的4个逻辑函数，并分别用F3，F2，F1，F0表示，即
F3=A·B·C F2= F1=ABC F0=
然后，用两种方法可方便地画出用8×4位ROM实现Fl，F1，F，，Fo的阵列图。
方法1：写出F3，F2，F1，F0的最小项表达式
F3=m7 F2= m0 F1= m1+ m2+ m4+ m7 F0= m0+ m1+ m2+ m4
方法2：列出F3，F2，F1，F0函数的真值表，如表14.2所示。
最后，根据选用23×4位ROM画出实现F3，F2，F1和F0的ROM阵列图，如图14.8
所示。
表14.2

图14.8