拓展进阶：大规模集成组合逻辑电路

1.存储器的分类

存储器是用来存储大量二进制数码信息的大规模集成电路，其种类很多，按功能分类如下。

(1)随机存取存储器。随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也称为读/写存储器，它既能方便地读出所存储的数据，又能随时写入新的数据。RAM的特点是一旦掉电，所存储的数据全部丢失。

(2)只读存储器。只读存储器(ROM)中的内容一般是固定不变的，它预先将信息写入存储器中，在正常工作状态下只能读出数据，而不能写入数据。ROM的特点是在断电后数据不会丢失，故常用来存放固定的资料及程序。

2.只读存储器的结构原理

根据逻辑电路的特点，只读存储器属于组合逻辑电路，即给一组输入(地址)，存储器相应地给出一种输出(存储的字)。因此要实现这种功能，可以采用一些简单的逻辑门。ROM器件按存储内容存入方式的不同可分为掩膜ROM、可编程ROM(PROM)和可改写ROM(EPROM、E2PROM、Flash Memory)等。

(1)掩膜ROM

掩膜ROM，又称为固定ROM，这种ROM在制造时，生产厂利用掩膜技术把信息写入存储器中，用户不能改变。按使用的器件可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM3种类型。这里主要介绍二极管掩膜ROM。图3-10(a)所示为4×4的二极管掩膜ROM。它由地址译码器、存储矩阵和输出电路3部分组成。图3-10中，4条横线称为字线，每一条字线可存放一个4位二进制数码(信息)，又称为一个字，故4条字线可存放4个字。4条纵线代表每个字的位，故称为位线，4条位线即表示4位，作为字的输出。字线与位线相交处为一位二进制数的存储单元，相交处有二极管者存1，无二极管者存0。

图3-10 4×4二极管掩膜ROM

例如，当输入地址码A1A0=10时，字线W2=1，其余字选择线为0，W2字线上的高电平通过接有二极管的位线使D0、D3为1，其他位线与W2字线相交处没有二极管，所以输出D3D2D1D0=1001。根据图3-10(a)的二极管存储矩阵，可列出对应的真值表如表3-8所示。所以这种ROM的存储矩阵可采用如图3-10(b)所示的简化画法。有二极管的交叉点画有实心点，无二极管的交叉点不画点。

表3-8 二极管存储器矩阵的真值表

显然，ROM并不能记忆前一时刻的输入信息，因此只是用门电路来实现组合逻辑关系。实际上，图3-10(a)所示的存储矩阵和电阻R组成了4个二极管或门。以D2为例，二极管或门电路如图3-10(c)所示，D2=W0+W1，因此属于组合逻辑电路。用于存储矩阵的或门阵列也可由双极型或单极型MOS三极管构成，这里就不再赘述，其工作原理与二极管ROM相同。

ROM中地址译码器形成了输入变量的最小项，实现了逻辑变量的与运算，其代表的地址取决于阵列竖线上的黑点位置的数据组合;而ROM中的存储矩阵可实现最小项的或运算，因而ROM可以用来产生组合逻辑函数。再结合表3-8，可以看出，若把ROM的地址端作为逻辑变量的输入端，把ROM的位输出端作为逻辑函数的输出端，再列出逻辑函数式的真值表或最小项表达式，将ROM的地址和数据端进行变量代换，然后画出ROM的阵列图，定制相应的ROM，从而就用ROM实现了组合逻辑函数。图3-10中与门阵列(地址译码器)输出表达式为

或门阵列输出表达式为

D0=W0+W2+W3，D1=W1+W3，D2=W0+W1，D3=W2

(2)可编程ROM(PROM)(www.xing528.com)

固定ROM在出厂前已经写好了内容，只能针对电路选用，限制了用户的灵活性，可编程PROM封装出厂前，存储单元中的内容全为1(或全为0)。用户在使用时可以根据需要，将某些单元的内容改为0(或改为1)，此过程称为编程，这为用户的使用带来了方便。图3-11所示为PROM的一种存储单元。图3-11中的二极管位于字线与位线之间，二极管前端串有熔断丝，在没有编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔断丝都是连通的，即每个单元存储的都是1。用户使用时，只需要按自己的需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔断丝用大电流烧断，该用户存储的内容就变为0。熔断丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。

图3-11 PROM的可编程存储单元

PROM是由固定的“与”阵列和可编程的“或”阵列组成的，如图3-12所示。与阵列为全译码方式，当输入为I1～In时，与阵列的输出为n个输入变量可能组合的全部最小项，即2n个最小项。或阵列是可编程的，如果PROM有m个输出，则包含有m个可编程的或门，每个或门有2n个输入可供选用，由用户编程来选定。所以，在PROM的输出端，输出表达式是最小项之和的标准与或式。

图3-12 PROM结构图

(3)光可擦除可编程ROM(EPROM)

EPROM是另外一种广泛使用的存储器。PROM虽然可以编程，但只能编程一次，而EPROM克服了PROM的缺点，可以根据用户的要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，则可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20min左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。EPROM的主要用途是计算机电路中作为程序存储器使用，在数字电路中，也可以用来实现码制转换、字符发生、波形发生等。

(4)电可擦除可编程ROM(E2PROM)

E2PROM是近年来被广泛使用的一种只读存储器，称为电擦除可编程只读存储器，有时也写成EEPROM。其主要特点是能在应用系统中在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需要保护电源。特别是+5V电擦除E2PROM，通常不需要单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。

(5)快闪存储器(Flash Memory)

快闪存储器又称为快速擦写存储器或快闪存储器，是由Intel公司首先发明的一种半导体存储器件，目前已被广泛应用。它在断电情况下信息可以保留，在不加电的情况下，信息可以保存10年，可以在线进行擦除和改写。Flash Memory是在E2PROM的基础上发展起来的，属于E2PROM类型，其编程方法和E2PROM类似，但Flash Memory不能按字节擦除。Flash Memory既具有ROM非易失性的优点，又具有存取速度快、可读可写，具有集成度高、价格低、耗电少的优点。

3.可编程逻辑阵列

可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)，典型结构是由与门组成的阵列确定哪些变量相乘(与)，以及由或门组成的阵列确定哪些乘积项相加(或)。究竟哪些变量相乘？哪些变量相加？完全可由使用者设计决定。把这样的与、或阵列称为可编程逻辑阵列，简称PLA。

从前面ROM的讨论中可知，与阵列是全译码方式，其输出产生n个输入的全部最小项。对于大多数逻辑函数而言，并不需要使用输入变量的全部乘积项，有许多乘积项是没有用的，尤其当函数包含较多的约束项时，许多乘积项是不可能出现的。这样，由于不能充分利用ROM的与阵列从而会造成硬件的浪费。

PLA是处理逻辑函数的一种更有效的方法，其结构与ROM类似，但它的与阵列是可编程的，且不是全译码方式而是部分译码方式，只产生函数所需要的乘积项。或阵列也是可编程的，它选择所需要的乘积项来完成或功能。在PLA的输出端产生的逻辑函数是简化的与或表达式。图3-13所示为PLA结构，图中“*”表示可编程连接。

图3-13 PLA结构

PLA规模比ROM小，工作速度快，当输出函数包含较多的公共项时，使用PLA更为节省硬件。目前，PLA的集成化产品越来越多，用途也非常广泛，和ROM一样，有固定不可编程的、可编程的和可改写的3种。