存储器与可编程逻辑阵列
PAL,PLA,GAL数字逻辑系统
特定的输出电路。
❖ 与阵列可编程使输入项增多，或
❖ 采用双极型熔丝工艺，工作速 阵列固定使器件简化。
度较高（10－35ns）。
❖ 或阵列固定明显影响了器件编程
的灵活性。
精选课件
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4输入4输出16乘积项PAL器件的基本结构图
组合可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由一个“与” 阵列和一个“或”阵列构成，“与”阵列和“或”阵 列都是可编程的。
时序可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由“与”阵列 “或”阵列和一个用于存储以前状态的触发器网络构成
精选课件
5
可编程逻辑阵列应用
▪ 在可编程逻辑阵列PLA的应用中，有一种是用来 控制资料路径，在指令集内事先定义好逻辑状态， 并用此来产生下一个逻辑状态(透过条件分支)。
• 2. 异步可编程I/O结构
• 3. 寄存(时序)输出结构 • 4. 异或－寄存器型输
出结构 • 5. 运算选通反馈结构
精选课件
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专用电平输出。
一个输入
如输出采用或门，为高电平有效PAL器件。 若采用互补输出的或门，为互补输出器件。
▪ 举例来说，如果目前机器(指整个逻辑系统)处于 二号状态，如果接下来的执行指令中含有一个立 即值(侦测到立即值的栏位)时，机器就从第二状 态转成四号状态，并且也可以进一步定义进入第 四状态后的接续动作。因此PLA等于扮演(晶片) 系统内含的逻辑状态图(statediagram)角色。
精选课件
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可编程逻辑阵列应用
触发器Q非输出经过一个互补缓冲器反馈到与阵 列输入端上。
输出三态缓冲器由公共控制线控制。 用途：组成各类时序逻辑电路。 这种结构的产品有PAL16R4、 PAL16R8 等。
可编程逻辑器件
可编程逻辑器件1. 引言可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices，PLD）是一种数字电路器件，具有可编程功能，广泛应用于数字系统设计、逻辑电路实现和协议转换等领域。
本文将介绍可编程逻辑器件的基本原理、分类以及应用。
2. 基本原理可编程逻辑器件的基本原理是利用可编程存储单元和可编程逻辑电路的组合，实现逻辑功能的编程。
具体来说，可编程逻辑器件包括可编程存储器、可编程逻辑阵列（PLA）以及输入/输出引脚等部分。
可编程存储器用于存储逻辑功能的真值表或逻辑方程式，其中包含了输入和输出的对应关系。
可编程逻辑阵列则通过内部的可编程互连结构，将存储器中的逻辑功能与输入/输出引脚相连。
通过对存储器中的编程操作，可以改变逻辑功能的实现方式，实现不同的逻辑功能。
3. 分类可编程逻辑器件根据内部的可编程结构和逻辑功能的实现方式，可以分为以下几类：3.1 可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）可编程逻辑阵列是最早的一种可编程逻辑器件，由与门阵列和与非门阵列组成。
通过对阵列中的与门和与非门进行编程，可以实现各种逻辑功能。
3.2 可编程数组逻辑器件（Programmable Array Logic，PAL）可编程数组逻辑器件也是由与门阵列和与非门阵列组成，但与可编程逻辑阵列不同的是，输入信号经过可编程与门和与非门后会经过输出或。
可编程数组逻辑器件提供了更灵活的逻辑功能组合方式。
3.3 可编程逻辑器件阵列（Field Programmable Logic Arrays，FPLA）可编程逻辑器件阵列是一种结合了PAL和双向通用门阵列（GAL）的结构，具有更高的逻辑资源和更灵活的编程方式，可实现更复杂的逻辑功能。
3.4 可编程门阵列（Programmable Gate Array，PGA）可编程门阵列是一种将逻辑门和触发器直接编程的逻辑器件，具有非常高的逻辑资源和灵活性，适用于设计复杂的数字逻辑电路。
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
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
P+
P+
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
N型衬底
消失后，浮置栅中的电子无放电回路
而被保留下来。
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电工电子技术
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
+UDD
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。
字线 位 线
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。
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。
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电工电子技术
(1) 静态RAM存储单元
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
8半导体存储器与可编程逻辑器件
1. 存储矩阵
存储矩阵由大量基本存储 单元组成，每个存储单元可以 存储一位二进制数。这些存储 单元按字(Word)和位(Bit)构成 存储矩阵。 存贮容量 = 字数字长(每个字所包含的二进制数码的位数） 64K×8表示具有64K字，字长8位，共512K的存贮容量。
1K=1024(210) , M=1024K(220)
或阵列：一组或门，输出端 输出数据，输入端是位线， 字线与位线的2n个交叉点都 是可编程接点。
用一个译码器框代替固定的 “与”阵列,得PROM的简化
阵列图。
PROM的简化阵列图
注意：因位线一般接有下拉 电阻，故未与字线连接时是 低电平。图中的下拉电阻可 以省略。
2. PROM的可编程节点 出厂时，存储单元的内容为全1(或全0)，用户可根据需要 将某些单元通过编程改写为1(或0)。
(2) 芯片的片选控制端和读/写控制端也分别连在一起。
(3) 数据端各自独立，每一个I/O为568的存储器的连接图
2. 字扩展连接 用位数相同的RAM芯片组成字数更多的存储器 。
4片2568RAM芯片组成10248存储器的连接
3. 复合扩展
如果字数和位数都不够时,可以进行复合扩展连接，即 首先进行位扩展，然后再进行字扩展连接。
(1) 低密度PLD a. 只读存储器 ROM是一种早期的PLD，由于结构的限制，它更适合 于存储数据。
b. 可编程逻辑阵列 (Programmable Logic Array ,简称 PLA)
由可编程的与和或阵列组成，可以实现任意逻辑函数。
c. 可编程阵列逻辑( Programmable Array Logic ，简称 PAL) d. 通用阵列逻辑(Genetic Array Logic ，简称GAL)
半导体存储器和可编程逻辑器件
要点二
GAL（Generic Array Logic）
通用阵列逻辑，是PAL的改进型，采用EEPROM编程技术 。与PAL相比，GAL具有更高的可编程性和灵活性，可以 实现更复杂的逻辑功能。同时，GAL还具有可擦除和可重 复编程的特点。
05 半导体存储器和可编程逻 辑器件的关联与应用
在嵌入式系统中的应用
擦写次数有限
Flash Memory的擦写次 数有限制，达到一定次数 后可能会出现数据丢失或 损坏的情况。
价格较高
相对于一些传统的存储器 技术，Flash Memory的 价格仍然较高。
04 可编程逻辑器件技术详解
FPGA技术原理及优缺点
• 原理：FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可 编程门阵列，是一种可编程使用的信号处理器件，其内部包 含可编程逻辑块、可编程I/O模块和内部连线资源等。用户可 以通过编程来配置这些资源，实现特定的逻辑功能。
FPGA技术原理及优缺点
要点一
可重复编程
FPGA可以多次编程，方便用户进行功能修改和升级。
要点二
并行处理
FPGA内部包含大量逻辑单元，可以实现并行处理，提高数 据处理速度。
FPGA技术原理及优缺点
• 灵活性高：用户可以根据需求自定义逻辑功能，实现复杂的数字信号处理算法。
FPGA技术原理及优缺点
06 发展趋势与挑战
半导体存储器发展趋势与挑战
更高容量和更快速度
随着大数据和人工智能等技术的快速发展， 对半导体存储器的容量和速度需求不断提升 。
更低功耗
随着移动设备和物联网的普及，对低功耗半 导体存储器的需求也在增加。
半导体存储器发展趋势与挑战
数字电子技术第8章存储器与可编程逻辑器件习题及答案
第8章存储器与可编程逻辑器件8.1存储器概述自测练习1．存储器中可以保存的最小数据单位是（）。
（a）位（b）字节（c）字2．指出下列存储器各有多少个基本存储单元？多少存储单元？多少字？字长多少？（a） 2K×8位（）（）（）（）（b） 256×2位（）（）（）（）（c） 1M×4位（）（）（）（）3．ROM是（）存储器。
（a）非易失性（b）易失性（c）读/写（d）以字节组织的4．数据通过（）存储在存储器中。
（a）读操作（b）启动操作（c）写操作（d）寻址操作5．RAM给定地址中存储的数据在（）情况下会丢失。
（a）电源关闭（b）数据从该地址读出（c）在该地址写入数据（d）答案（a）和（c）6．具有256个地址的存储器有（ ）地址线。
（a）２５６条（b）６条（c）8条（d）16条7．可以存储２５６字节数据的存储容量是（ ）。
（a）２５６×１位（b）２５６×８位（c）１Ｋ×４位 （d）２Ｋ×１位答案：1．a2．（a）2048×8；2048；2048；8（b）512；256；256；2（c）1024×1024×4；1024×1024；1024×1024；43．a4．c5．d6．c7．b8.2随机存取存储器（RAM）自测练习1.动态存储器（DRAM）存储单元是利用（）存储信息的，静态存储器（SRAM）存储单元是利用（）存储信息的。
2.为了不丢失信息，DRAM必须定期进行（）操作。
3.半导体存储器按读、写功能可分成（）和（）两大类。
4.RAM电路通常由（）、（）和（）三部分组成。
5.6116RAM有（）根地址线，（）根数据线，其存储容量为（）位。
答案：1．栅极电容，触发器2．刷新3．只读存储器，读/写存储器4．地址译码，存储矩阵，读/写控制电路5．11，8，2K×8位8.3 只读存储器（ROM）自测练习1．ROM可分为（）、（）、（）和（）几种类型。
存储器和可编程逻辑器件简介
GAL器件没有独立的或阵列结构，各个或门放 在各自的输出逻辑宏单元（OLMC）中。
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（2）输出逻辑宏单元（OLMC）的结构
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OLMC的逻辑图
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或门：有8个输入端，和来自与阵列的8个乘积 项（PT）相对应。
它的输入信号B和XOR（n）之间的关系为：
D ＝B⊕XOR
当XOR＝0时，即D = B；
当XOR＝1时，即D =B
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② SYN（n）：时序逻辑电路/组合逻辑电路选 择位。
当SYN＝0时，D触发器处于工作状态，OLMC 可为时序逻辑电路；
当 SYN=1 时 ， D 触 发 器 处 于 非 工 作 状 态 ， OLMC只能是组合逻辑电路。
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⑵ 可编程I/O单元 I/O端常作为一个独立单元处理。通过对I/O端口 编程，可以使每个引脚单独的配置为输入输出和双向 工作、寄存器输入等各种不同的工作方式。
⑶ 可编程连线阵列 在各LAB之间以及各LAB和I/O单元之间提供互 连网络。这种互连机制有很大的灵活性，它允许在不 影响引脚分配的情况下改变内部的设计。
（1）定义：PLD是厂家作为一种通用型器件生 产的半定制电路，用户可以利用软、硬件开发工具 对器件进行设计和编程，使之实现所需要的逻辑功 能。
（2）PLD的基本结构框图 其中输入缓冲电路可产生输入变量的原变量和
反变量，并提供足够的驱动能力。
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（3）按集成度分类： ① 低密度PLD(LDPLD)：结构简单，成本低、
④ 基于静态存储器(SRAM)的编程元件。
可编程逻辑器件PLD
可编程逻辑器件PLD(Programmable Iogic Devices)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件，是专用集成电路。
ASIC的一个重要分支，属于通用型半定制电路。
与中小规模通用型集成电路相比，PLD具有集成度高、速度r陕、功耗小、高可靠性等优点，与大规模专用集成电路相比，PLD具有设计周期短、成本比较低、风险小、使用灵活、易于修改等优势，因此，PLD应用普遍，发展非常迅速。
就结构特点而言，PLD可分为两类：阵列型PLD与现场可编程门阵列FPGA，而阵列型PLD 又可分为简单PLD和复杂PLD两种．下面分别进行介绍。
1．简单PLD简单PLD的基本结构框图如附图所示。
简单PID主要由输入电路、与阵列、或阵列和输出电路等四部分组成。
与阵列和或阵列是核心，与阵列用来产生乘积项，或阵列用来产生乘积项之和形式的函数。
输入电路由缓冲器组成，可产生输入变量的原变量和反变量。
输出电路可以提供不同的输出方式，如组合输出、时序输出或可编程结构，输出端口通常带有三态门，且输出信号可以通过内部通道反馈到输入端。
简单PLD有PROM、PLA、PAL、GAL等四种类型。
PROM(可编程只读存储器)的与阵列为全译码形式的固定电路，其或阵列可编程。
PROM阵列规模大、速度低，主要用作存储器。
PLA(可编程逻辑阵列)具有可编程与阵列和可编程或阵列，结构最灵活。
PLA阵列规模较小，芯片的利用率较高，但编程复杂，故并未得到广泛的应用。
PAL(可编程阵列逻辑)和GAL (通用阵列逻辑)均为或阵列固定、与阵列可编程结构。
PAL采用熔丝编程方式，双极型工艺，工作速度快、输出结构种类多、设计灵活。
GAL是在PAL基础上改进发展而来的，GAL采用CMOS工艺制造，可反复编程，数据可长期保存。
GAL与PAL的最大差别在于GAL具有灵活的、可编程的输出结构——OLMC(输出逻辑宏单元)。
PAL的输出结构是固定的，芯片型号选定后，其输出结构也就选定了，而GAL虽只有三种基本型号，但通过对OLMC编程，可形成各种输出方式，因而可代替数十种PAL器件。
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方法：“查找表”，将真值表存于ROM中。
例：用一个ROM实现二进制码到格雷码的转换 表 格雷码与二进制码关系对照表
十进制数 二进制码 格雷码 十进制数 二进制码 格雷码
（最小项）
0 1 2 3 4 5 6 7
B3B2B1B0 R3R2R1R0
0000
0000
0001
0001
0010
0011
0011
0010
地址
数据
00000 00001
00001
…… 01000 01001
00010
01001 10000
加法 计数
10~15 10000
00000 11001
状态未用
10001 00000
…… 11000
00111
减法 计数
11001 01000
26~31 00000
状态未用
数字系统设计
11
ZDMC
例：用ROM设计一个组合电路，该电路输入是3位二进制 数，输出是输入数值的平方。
0100
0110
0101
0111
0110
0101
0111
0100
（最小项）
8 9 10 11 12 13 14 15
B3B2B1B0 R3R2R1R0
1000
1100
1001
1101
1010
1111
1011
1110
1100
1010
1101
1011
1110
1001
1111
1000
数字系统设计
8
ZDMC
数字系统设计
10
ZDMC
•确定地址和输出
输入变量为Q3、Q2、Q1、Q0和X，地址为5位； 输出D3、D2、D1 、D0和Y ，5个，应选用25×5的 ROM
•逻辑图：
ROM 25×5
0
1
0 A
[0]A
REG
Q0
2 3 [1]A
Q1
3 1 [2]A
X
4
[3]A
Q2 Q3
CS
[4]A
Y
OE
CP
•存储内容（数据）：
可编程ROM（PROM）：用户可写入一次
可擦可编程ROM（EPROM）：紫外线擦除
电抹可编程ROM（EEPROM）:电可擦
数字系统设计
3
ZDMC
电路结构框图
地址线：
A0
A1 地
W0 W1
地
址
址 输
. . .
. . .
译 码
入
器
. . .
An-1
W2n 1
核心
存储矩阵
0单元 1单元
. . .
存储器与可编程逻辑阵列
数字系统设计
1
ZDMC
Computer System 计算机系统
数字系统设计
2
ZDMC
ROM（Read Only Memory），只读存储器
ROM是各种存储器中结构最简单的一种。在正常工作 时它存储的数据是固定不变的，只能读出，不能随时写 入.
分类
固定ROM：无法更改，出厂时厂家编程
Din 3
Din 2
Din 1
Din 0
Wr Driver
-
+
SRAM Cell
SRAM Cell
:
SRAM Cell
- Sense Amp+
Wr Driver
-
+
SRAM Cell
SRAM Cell
:
SRAM Cell
- Sense Amp+
W0 A B
W1 AB
输出缓冲器
W2 AB
D1 W1 W2 W3
W3 存A储B矩阵实现
数D字0系统设W计0 W2
“或”功能：
ZD“MC 或阵”
5
Typical timing for a ROM read operation
数字系统设计
6
ZDMC
ROM应用 (ROM Applications)
0
0
1
00
36
1
1
1
1
1
0
0
01
49
输出B0等于输入A0,输出B1一直为0.
本例中有三个输入端和四个输出端。
数字系统设计
13
ZDMC
SARM General Memory Operation (Static Random-Access Memory)
数字系统设计
14
ZDMC
Typical SRAM Organization: 16-word x 4-bit
2n-1单元
容量概念：
容量=字×位
2n b（bits）
例 EPROM 27256 共有15位地址，8位输出， 其容量：
215 8 262144 256K
三态 OE
控制
n线---2n线译码器 二进制译码器
数字系统设计
输出缓冲器
D0 D1
Db-1
注意：1k=1024 1M=1024K 1G=1024M
存储矩阵即为或阵列把乘积 项组合成m个逻辑函数输出。
地址译码器产生2n个字线即为固定与阵列产生2n个乘积项 输入地址信号即为电路的输入逻辑变量
另外：ROM看成查找表（LUT，Look-Up Table）系统
数字系统设计
7
ZDMC
ROM为组合电路器件： 实现组合逻辑函数，实现时序电路 中组合逻辑部分.
数据输出
“位”线：数据线
“字”线：只有一个有效
4
ZDMC
CMOS-ROM
2-4线译码器
地址码输入端
有没高源接电负M平O，载SD，1=字0 线处于 表示A字存1线A4储0处=×0“于0时20低”存，电W平储0，=1单D，0=M元1O。矩S导阵通，
接MOS表示存储“1”
地址译码器 实现“与” 功能：与阵 列
1 2 ……
0001 0011
15
1000
数字系统设计
9
ZDMC
例. 用ROM和寄存器实现同时模10加/减可逆计数器， X=0，加法； X=1，减法。
模10计数状态需4位，所以选用4位寄存器。根据时序电路结构，可得框图：
Y（进位）
X
组合电路
4 Reg 4
D
Q
CP
图中组合电路由ROM实现；而由寄存器作记忆电路。
•确定地址和输出
输入变量为B3、B2、B1、B0，地址为4位；函数R3、R2、R1 、R0， 输出为4个，应选用24×4的ROM
•存储内容（数据）：
•逻辑图：
地址
数据
D3D2D1D0
ROM 24×4
0
0000
B0
0
B1 B2
1 2
0
A
15
[0]A [1]A
R0 R1
B3
3
[2]A
R2
[3]A
R3
CS OE
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
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电路真值表
输入
输出
A2 A1 A0
B5 B4
B3
B2 B1 B0 十进制
0
0
0
0
0
0
0
00
0
0
0
1
0
0
0
0
01
1
0
1
0
0
0
0
1
00
4
0பைடு நூலகம்
1
1
0
0
1
0
01
9
1
0
0
0
1
0
0
00
16
1
0
1
0
1
1
0
01
25
1
1
0
1
列出组合电路的真值表。一 般情况下真值表中所有可能 的输入和输出都要列出。
三个输入端对应8个字，每个 字4位，因此ROM的容量是 8x4。
0
A0
A1
8x4ROM
A2
数字系统设计
B0 B1 B2 B3 B4 B5
ZDMC
ROM真值表
A2 A1 A0 B5 B4 B3 B2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0