半导体存储器属于大规模集成电路，它用来存放指令或数据，通常在微型计算机中作内部存储器使用。半导体存储器有只读存储器ROM（Read Only Menory，ROM）和随机存储器RAM（Random Access Merrory，RAM）。ROM按工艺可分为双极型和MOS型，按性能可分为掩膜式、熔丝式和可改写式。RAM可分为静态和动态。另一类功能特殊的大规模集成电路是20世纪70年代后期发展起来的可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device，PLD）。

可编程逻辑器件是一种可以由用户定义和设置逻辑功能的器件。该类器件具有结构灵活、集成度高、处理速度快和可靠性高等特点。下面分别介绍半导体存储器和可编程逻辑器件。

9.1.1 只读存储器ROM

只读存储器ROM是一种存放固定不变的二进制数码的存储器，在正常工作时，可重复读取所存储的信息代码，而不能改写存储的信息代码。

特点: 其上的信息能够的保持。

1. ROM的结构框图

ROM的一般结构框图如图9-1所示。它由地址译码器、存储矩阵、读出电路（输出缓冲器）以及芯片选择逻辑等组成。它有n条地址输入线 (A0~An-1)，M条数据输出线（D0~DM-1），数据线上输出的是被选中的存储单元的数据。

（1）存储矩阵

存储矩阵是存储器的主体，含有大量存储单元。

① 字节(Byte)

一个存储单元只能存储一位二进制数码“1”或“0”，8位二进制数称为一个字节。

② 字/字长(Word)

通常，数据和指令是用一定位数的二进制数来表示的，这个二进制数称为字，字的位数称为字长。

存储器中以字为单位进行存储，即利用一组存储单元存储一个字，每个字包含有M位二进制数。在存储器中，为了写入（存入）和读出（取出）信息的方便，必须给每组存储单元（字单元）以确定的标号，这个标号称为地址，用W表示。不同的字单元具有不同的地址，从而在写入或读出信息时，便可以按照地址来选择欲读写的存储单元。

③ 存储容量

存储矩阵的存储容量反映了存储的信息量。其中，N为可能的地址数，M为每个字所包含的位数，那么，存储容量=N×M。存储容量越大，存储的信息量就越多，存储功能就越强。

2．地址译码器

地址译码器的作用是根据输入的地址代码从n条地址线中选择一条字线，以确定与该字线地址代码相对应的一组存储单元的位置。选择哪一条字线，这决定于输入的是哪一个地址代码。

任何时刻，只能有一条字线被选中。于是，被选中的那条字线所对应的一组存储单元中的各位数码便经位线传送到数据线上输出。n条地址输入线可得到N（=）个可能的地址。

3．读出电路（输出缓冲器）

读出电路又称输出缓冲器，它是为了增加ROM带负载的能力，将被选中的M位数据输出至位线上。

9.1.2 ROM的工作原理

ROM的工作原理图如图9-2所示。

1．存储矩阵的工作原理

（1）电路结构及其特点

图9-2 的二极管ROM电路中，存储矩阵有四条字线W0~W3和四条位线D0~D3，共有16个交叉点（不是结点），每个交叉点都可看作是一个存储单元。交叉点处接有二极管时相当于存“1”，没有接二极管时相当于存“0”。例如，字线W0与位线有四个交叉点，其中只有两处接有二极管。当W0为高电平、其余字线为低电平，使位线D2和D0为“1”，这相当于接有二极管的交叉点存“1”，而另两个交叉点处由于没有接二极管，位线D1和D3为“0”，这相当于未接二极管的交叉点存“0”。

ROM中储存的信息，即存储单元是存“1”还是存“0”，在设计和制造时根据需要确定的。其中的信息一旦存入后就不能改变，即使断开电源，所存信息也不会消失。所以，ROM又称为固定存储器。

（2）存储矩阵的等效电路

实际上，存储矩阵是一个或逻辑陈列，每一列可视作一个二极管或门电路，图9-2中的二极管ROM电路含有四个二极管或门电路，输入变量为W0~W3，输出变量为D0~D3。

以第0列为例，由二极管或逻辑电路可知，位线D0上连接的两个二极管阴极通过电阻接地，构成一个或门电路，其等效或门电路如图9-2(b)所示 (见后页) 。

其逻辑式

D0=W0+W1

位线D1上连接的两个二极管构成一个或门电路，其逻辑式

D1=W1+W3

同理有

D2=W0+ W2+W3

D3=W1+W3

（3）简化的ROM矩阵阵列图

图9-2 二极管ROM电路可以画成如图9-3（C）所示的简化电路，有二极管的存储单元用一黑点表示。这样，ROM地址译码器和存储矩阵之间的逻辑关系变得十分简捷而直观。例如，若字线W1被选中（W1=1），在W1这一行上有三个黑点（存1），一个交叉点上无黑点（存0），此时，ROM输出的数据（字单元）为D3D2D1D0=1011。当然，ROM也可以从D0~D3各位线中单线输出信息，例如，D2=W0+ W2+W3。

ROM存储矩阵不但可以由二极管组成，也可由双极型晶体管和MOS型场效应管构成。

2．地址译码器

（1）电路结构

这是一个由二极管构成的译码器，两位地址代码A1和A0为译码器的输入，字线W0~W3为译码器的输出。译码器的输出，就是存储矩阵字单元的地址。

译码器是一个与逻辑阵列，其每一行可等效为一个二极管与门电路。图9-2的电路中，地址译码器含有四个二极管与门电路，输入变量为A1、A0，输出变量为W0~W3。输出与输入的关系满足“与”逻辑关系。以第3行为例，由W3与A1、A0构成的与逻辑其等效电路如图9-2（d）所示。

各行与逻辑表达式如下：

（2）工作原理

根据译码器的逻辑关系，当输入地址代码A1 A0分别为00，01，10，11四种组合时，字线W0，W1，W2，W3中总有一条字线为“1”。也就是说，无论A1 A0取何种值，四条字线中只能有一条为高电平。因此，该译码器又称N取一译码器。例如，当地址代码A1A0=10时，地址译码器中只有与字线W2相连的两个二极管的阴极同时为“1”，与门输出W2=1，此时，只有与相连的那只二极管的阳极为高电平，导通后使位线D2=1，其余二极管均截止，D3、D1和D0位线均为“0”。于是，存储矩阵中输出的数据为D3D2D1D0=0100。这就是说，地址码=10时，译码器使字线=1，并将存储矩阵中所对应的字单元内容0100输出到位线上。

9.1.3 ROM的类型和使用

按性能ROM可分为如下几种类型：掩膜ROM、熔丝式ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）。

1．掩膜ROM

掩膜ROM中存放的信息，是由厂家通过掩膜工艺制造出的一种固定ROM，用户无法改变内部所存储的信息，它具有性能可靠，大批量生产时成本低等优点。它在使用时只能读出，不能写入。因此，通常只能存放固定数据、固定程序和函数表等。

2．熔丝式ROM（PROM）

熔丝式ROM或PROM是由用户用专用的写入器将信息写入。如要将某位写入信息为0，则将该位的熔丝烧断。如要将某位写入信息为1，则将该位的熔丝保留（不烧断）。由于熔丝烧断后不可恢复，故只能写入。

3．可擦除的、可编程ROM

电可编程ROM或EPROM是由用户用专用的写入器将信息写入器件的。与PROM不同的是，如果要更改内部存储信息，对于EPROM只需将此器件置于紫外线下，即可擦除；对于E2PROM用电擦除。

之后，用户又可将新的信息写入该器件。后来又研制成功的快闪存储器（Flash Memory）也是一种用电信号擦除的可编程ROM。

4．EPROM的使用

目前EPROM的规格较多，常用的有2716（2K×8位），2732（4K×8位），2764（8K×8位）以及27128（16K×8位）等等，它们的工作电压为+5V，但它们的编程电压不一定相同（需查阅有关资料），芯片表面的透明石英玻璃窗专供芯片作擦除操作时紫外线照射用。由于自然光中（特别是在太阳光直射下）含有一定量的紫外线，在一定时间作用下（少则几小时多则几天），

可能会使芯片上部分或全部信息,所以在信息写入后，应用不透光纸将石英玻璃窗覆盖，以免信息丢失。

另外需注意，EPROM反复擦写的次数是有限的（一般器件保证十几次的正确使用）。

9.1.4 随机存取存储器RAM

随机存取存储器是可读可写的存储器，其英文名称为简称RAM。RAM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存储单元中。RAM的优点是读/写方便，但信息容易丢失，一旦电源关断，所存储的信息就会随之消失，不利于信息的长期保存，这是它的缺点。

1.分类

RAM有静态RAM（Static RAM，简称SRAM）和动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)两种。

2. RAM的基本结构

RAM的结构框图如图9-11 所示。它由三部分组成：地址译码器、存储矩阵和控制信号输入。由图可知，存储器有三类信号线，即地址线、数据线和控制线。

(1) 存储矩阵

RAM的存储矩阵由许多存储单元构成，每个存储单元存放一位二进制数码。与ROM存储单元不同的是，RAM存储单元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入的信息。要存得住这些信息，RAM存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。

(2) 地址译码器

与ROM地址译码器一样，也是一种N取一译码器，一个地址码对应着一条选择线。当某条选择线被选中时，与该选择线相联系的存储单元就与数据线相通，以便实现读数或写数。

(3) 读/写控制电路

当一个地址码选中存储矩阵中相应的存储单元时，是读还是写，可采用高、低电平来控制，图中，当读控制输入端为高电平时，即 R/ =1，执行的是读操作，当/W=0，执行的是写操作。

(4) 片选控制

实际的RAM存储系统都是由多片RAM组成的，以满足实际工作的需要。在读、写（访问）存储器时，每次只与其中的一片或几片交换信息，这种有选择性地交换信息的任务是由片选控制机构来完成的。图中，片选CS 为选择芯片的控制输入端，低电平有效。也就是说，当某芯片的 CS =0时，该芯片才能被读出或写入信息，否则，该芯片呈现高阻状态，不能被访问。

3. RAM芯片介绍

RAM也有双极型和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。动态RAM集成度高，功耗小，但不如静态RAM使用方便。

一般情况下，大容量存储器使用动态RAM，小容量存储器使用静态RAM。RAM芯片有多种型号规格，下面以2114静态RAM为例介绍RAM的使用。

图11-10所示是2114静态RAM，容量为1024字×4位，有10条地址输入线A9~A0，4条数据线IO3~IO0，R/W为读、写控制信号输入端，CS为片选信号输入端，UCC为+5V电源，GND为接地端。

在实际应用时，往往需要使用多片存储器以扩展存储器的容量。

9.1.5 存储器容量的扩展

在数字系统中，当使用一片ROM或RAM器件不能满足存储容量要求时，必须将若干片ROM或RAM连在一起，以扩展存储器容量。扩展的方法可以通过增加位数或字数来实现。

增加位数采用位扩展，增加字数采用字扩展。

1．RAM位数的扩展

将RAM2114 （1024字×1位）扩展为1024 ×4。

(1) 扩展的原理

原理图如下：

位扩展后，容量为1024 字×4位。

（2）位数扩展的方法

将几片RAM的地址输入端、读/写控制端都对应地并联在一起。

各位的I/O端串联输出，位数就得到了扩展，总位数等于几片RAM位数之和。

图9-14是由4片RAM2114组成的存储器位数扩展电路，构成1024×4的RAM存储器。位数扩展了4倍。

2. 字数的扩展

字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选(CS)输入端来实现。

（1）扩展的原理

各芯片地址的叠加，容量是N个芯片容量的总和。

（2）扩展的方法

N个地址线并联连接，R/W控制线并联连接。

片选信号分别接地址的高位或用译码器经过译码

输出，分别按各芯片的CS端。