第三章 门电路

　　存储器是用来存放数据的集成电路或介质，常见的存储器有半导体存储器(本书将讨论的ROM，RAM)、光存储器（如CD,VCD,MO,MD,DVD)、磁介质存储器（如磁带、磁盘、硬盘）等，本书主要讨论半导体存储器中的ROM和RAM，本节主要讨论ROM，RAM在时序电路后再讲解。
　　只读存储器英文为Read Only Memory，通常简写为ROM。ROM存放的数据一般不能用简单的方法对其内容进行改写，正常使用时主要对其进行读取操作，ROM还具有掉电后其内部信息不丢失的特点(通常叫非易失性)，一般用于存放一些固定的数据或程序，其一般在器件生产出厂前由生产厂家将内容直接写入在器件中。
　　只读存储器通常有：掩膜式ROM、一次可编程ROM(PROM)、紫外光可擦除ROM(U-EPROM)、电可擦除ROM(EEPROM)等几种类型。

　　存储器是一种存放数据的器件，就象存放货物的仓库一样，人们在仓库中存放货物时为了便于存放和拿取，通常将货物在放的位置进行编号，并且留有存放及拿取的通路，存储器的结构如下图所示，其也有选择位置的地址、存放数据的存储矩阵、提取数据的输出通路。

　　只读存储器的存储单元可以由二极管、三极管或场效应管构成，下图给以出了ROM的三种不同器件构成的原理图。

　　为了便于表示存储器的状态通常使用下图来表示，其中小圆点表示该交叉点存放了数据，没有小圆点表示没有存放数据（在放的数据可以是0，也可以是1，不同的存储器型号有所区别，上图中对应的小圆点在放的数据为1）。

　　从上图中可以看出其内部的内容是不可能改写的,其只能在生产器件时将需要存放的数据存放在器件中，这类器件通常称为掩膜ROM，由于存放的数据不同生产其电路的模板也不相同，这样就决定了该类电路仅适用于大批量且数据固定的情况，如一些点阵打印机的点阵字库。

　　由于掩膜ROM须生产量较大才能降低其成本，人们就希望能生产一种通用的器件，然后通过编程的方法将数据写入器件中，这样该通用器件的生产量将相当大，从而降低了单片芯片的价格,人们首先根据电路熔断丝得到了启发，在存储器的每个存放数据的结点上加上一个熔断丝（相当于通常电工上的保险丝）,这样该器件在出厂时每个单元内容全部为1,如果希望某一单元存放数据0,只须将该结点对应的熔断丝烧断即可。下图即为该种存储电路的内部结构。

　　该种存储器存在一些不足：由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂；其次，由于可编程的部分是由熔断丝构成的，这就决定了该器一旦将内容写错，其芯片将只能作为化工原料了。

　　紫外光可擦除只读存储器是现在使用较广的一种只读存储器，其明显的特征是在其正中间有一个玻璃窗口，该窗口可能让紫外光通过，其在紫外光的照射下10～20分钟其内部的数据将全部擦除了，这时可以再通过编程的方法写入希望的数据。下图给出了其存储单元电路图及其外形图。

　　EPROM器件的存储单元采用了浮栅雪崩注入MOS电路，简称为FAMOS管。FAMOS管的栅极全部被二氧化硅包围着，没有引出脚，如悬浮状态，所以称为“浮栅”，原始的浮栅不带电荷，FAMOS管不导通，位线上是高电平，存储的信息为1。当FAMOS管的源极S与衬底接地电位、漏极D接较高电压（大于正常工作电压)时，漏极PN结反向击穿产生“雪崩”现象，使浮栅积累电荷，FAMOS管处于导通状态，位线被箝在低电平，存储的数据为0。由于浮栅被绝缘在二氧化硅包围，电荷不会丢失，即信息也不会丢失，这种存储的信息可能安全保存20年以上，但为了防止平时日光中的紫外线的照射，在其玻璃窗口上帖上黑纸。
　　紫外光可擦除只读存储器的优点是其内容可以擦除后重新写入数据，即使写错了也无所谓，但其缺点是其重新改写时须将器拆下来在专门的编程器来进行改写。但由于其价格较低、使用方法较简单所以现在使用还是相当广的。

　　电可擦除只读存储器是在EPROM的基础上开发出现的，其可以在加电的情况下擦除存储器的全部或某一部分内容，然后在电路上直接改写其擦除过的单元内容。EEPROM的内部电路与EPROM电路类似，但其FAMOS中的结构进行了一些调整，在浮栅上增加了一个遂道二极管（实际上是在浮栅与N型的衬底形成一层薄薄的氧化层后形成的），在编程时可以使电荷通过它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流向漏极，它不需要紫外光激发放电，即擦除和编程只须加电就可以完成了，且写入的电流很小。下图给出了EEPROM编程单元的内部结构。

　　从前面数字逻辑电路的基础知识中可知道，任一组合逻辑的函数表达式可写为最小项之和的形式。从上面的图上不难看出，地址的译码的每个输出端对应于一个最小项，而存储矩阵电路可实现线或的逻辑关系，由此可见ROM不仅可以存放数据，而且可以用来实现组合逻辑电路的功能。
　　例　用ROM实现8421BCD码到余3码的转换。
　　下表列出了两种码之间的对应关系，根据表可写出下列的最小项表达式：

F₃=∑m(5,6,7,8,9)
F₂=∑m(1,2,3,4,9)
F₁=∑m(0,3,4,7,8)
F₀=∑m(0,2,4,6,8)

　　由于译码电路输出了地址线的所有最小项组合，我们只须用一个四根地址线输入、四根输出端的ROM就可能实现其功能，我们定义其地址输入端作为输入代码，数据输出端看成输出端，只须将存储矩阵对应的最小项单元进行编程连接即可以实现，下图给出了其结果。