半导体存储器与可编程逻辑器件优秀PPT.ppt

半导体存储器与可编程逻辑器件第1页，本讲稿共44页这类电路的特点：器件密度高，逻辑功能可由软件配置，用这类电路的特点：器件密度高，逻辑功能可由软件配置，用它所构成的数字系统硬件规模小，系统灵活性高。它所构成的数字系统硬件规模小，系统灵活性高。缺点：工作速度不够高，另外，这类芯片一般要用多片标准集缺点：工作速度不够高，另外，这类芯片一般要用多片标准集成电路构成外围电路才能工作。成电路构成外围电路才能工作。3）专用集成电路（）专用集成电路（ASIC)Application Specific Integrated CircuitASIC是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，密度高，密度高，ASIC芯片能取代由若干个中小规模电路组成的电路板，芯片能取代由若干个中小规模电路组成的电路板，甚至一个完整的数字系统甚至一个完整的数字系统第2页，本讲稿共44页ASIC分类：分类：ASIC属用户定制电路。（属用户定制电路。（Custom Design IC).).包括包括全定制和半定制两种。全定制和半定制两种。全定制（全定制（Full custom design IC):半导体生产厂家根据用户的半导体生产厂家根据用户的特定要求专门设计并制造。特定要求专门设计并制造。特点：生产周期长，费用高，风险大。在大批量定型产品中特点：生产周期长，费用高，风险大。在大批量定型产品中使用。使用。半定制（半定制（Semi-custom design IC):半导体生产厂家设计并制半导体生产厂家设计并制造出的标准的半成品芯片。造出的标准的半成品芯片。半定制电路分类：半定制电路分类：门阵列门阵列（Gate Array)第3页，本讲稿共44页 在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它整齐在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它整齐地排成阵列，这种半成品芯片称为地排成阵列，这种半成品芯片称为母片母片。母片母片可由厂家大批可由厂家大批量生产。量生产。当用户需制作满足特定要求的当用户需制作满足特定要求的ASIC芯片时，可根据设计要芯片时，可根据设计要求选择求选择母片母片，由用户或厂家设计出连线版图，再由器件生产，由用户或厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家经过厂家经过金属连线金属连线等简单工艺，制成成品电路。等简单工艺，制成成品电路。缺点缺点：用户主动性差，使用不方便。：用户主动性差，使用不方便。特点特点：周期较短，成本较低，风险小。：周期较短，成本较低，风险小。第4页，本讲稿共44页 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)(Programmable Logic Device)芯片上的电路和金属引线由半导体厂家做好，其逻辑功能由用芯片上的电路和金属引线由半导体厂家做好，其逻辑功能由用户开发实现。户开发实现。特点：集成度高，速度快，灵活性好，可重复编程。电路设计方特点：集成度高，速度快，灵活性好，可重复编程。电路设计方便，风险低。便，风险低。1.PLD器件的连接表示方法器件的连接表示方法固定连接固定连接可编程连接可编程连接不连接不连接第5页，本讲稿共44页2.门电路表示法门电路表示法1AA1AAAA反向缓冲器反向缓冲器ABC&FA B C&F与门与门 ABC1FA B C1F或门或门 第6页，本讲稿共44页3.阵列图阵列图1A1B1C&D=BCE=AABBCC=0F=AABBCC=0G=1第7页，本讲稿共44页8.2 存储器存储器 存储器是一种通用大规模集成电路，用来存放程序和数存储器是一种通用大规模集成电路，用来存放程序和数据据.存储器分类存储器分类:1)只读存储器只读存储器(ROM)2)随机存取存储器随机存取存储器(RAM)第8页，本讲稿共44页8.2.1 ROM(Read-Only Memory)ROM存放固定信息，只能读出信息，不能写入信存放固定信息，只能读出信息，不能写入信息。当电源切断时，信息依然保留息。当电源切断时，信息依然保留.1.ROM的结构的结构.A0A1An-1地地址址译译码码器器存储阵列存储阵列 2nmW0W1W2n-1F0 F1Fm-1字线字线位线位线地址线地址线第9页，本讲稿共44页1)地址译码器为二进制译码器，即全译码结构地址译码器为二进制译码器，即全译码结构.(地址线为地址线为n根根,译码器输出为译码器输出为2n根字线根字线,说明存储阵列中有说明存储阵列中有2n个个存储单元存储单元)2)存储阵列输出有存储阵列输出有m根位线根位线,说明每个说明每个存储单元存储单元有有m位位,即即 一个字有一个字有m位二进制信息组成位二进制信息组成.每一位称为一个每一位称为一个基本存基本存 储单元储单元.3)存储器的容量定义为存储器的容量定义为:字数字数位数位数(2nm).A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 一个二极管一个二极管ROM的例子的例子第10页，本讲稿共44页1A11A0&W0W1W2W3F0F1F2F3位线位线字线字线第11页，本讲稿共44页 W0W3为地址译码器的输出为地址译码器的输出 Wi=mi (mi为地址码组成为地址码组成 的最小项）的最小项）当当A1A0=00时，时，W0=1,F0F1F2F3=0100(一个字）；一个字）；当当A1A0=01时，时，W1=1,F0F1F2F3=1001(一个字）；一个字）；当当A1A0=10时，时，W2=1,F0F1F2F3=0110(一个字）；一个字）；当当A1A0=11时，时，W3=1,F0F1F2F3=0010(一个字）。一个字）。第12页，本讲稿共44页 将地址输入和将地址输入和Fi之间的关系填入真值表得：之间的关系填入真值表得：地址地址 数据数据A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 F0=A1A0F1=A1A0+A1A0F2=A1A0+A1A0F3=A1A0ROM实际是一种组合电路结构。实际是一种组合电路结构。第13页，本讲稿共44页 阵列图阵列图与阵列：与阵列：表示译表示译码器。码器。或阵列：或阵列：表示存表示存储阵列。储阵列。存储容量为：存储容量为：44 地址地址 数据数据A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 1A11A0&1111F0F1F2F3m0m1m2m3第14页，本讲稿共44页2.可编程只读存储器可编程只读存储器用户可根据需要自行进行编程的存储器用户可根据需要自行进行编程的存储器.1)PROM(Programmable Read-Only Memory)PROM为能进行一次编程的为能进行一次编程的ROM，PROM的结构和的结构和ROM基本相基本相同同,只是在每个存储管上加一根易熔的金属丝接到相应的位线只是在每个存储管上加一根易熔的金属丝接到相应的位线.位线位线字线字线当在该位上需要存当在该位上需要存0时时,通过通过编程编程,烧断熔丝烧断熔丝;当需存当需存1时时,保留熔丝保留熔丝.编程为一次性的编程为一次性的,烧断的熔丝烧断的熔丝不能再接上不能再接上.第15页，本讲稿共44页2)EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)EPROM为可擦除、可重新编程的只读存储器为可擦除、可重新编程的只读存储器.擦除用专用的擦除用专用的紫外线灯照射芯片上的受光窗口紫外线灯照射芯片上的受光窗口.EPROM器件的基本存储单元采用浮栅雪崩注入器件的基本存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管管(简称简称FAMOS管管)电路电路.FAMOSVDDD S字线字线位线位线原始状态的浮栅不带电荷原始状态的浮栅不带电荷,FAMOS管管不导通不导通,位线上为高电平位线上为高电平.当当FAMOS管的源管的源极极S与衬底接地电位与衬底接地电位,漏极接高电位漏极接高电位(较大较大)时时,漏极的漏极的PN结反向击穿产生雪崩现象结反向击穿产生雪崩现象,使使FAMOS导通导通.位线为低位线为低电位电位.如用紫外线或者如用紫外线或者X射线照射射线照射FAMOS管管,可使可使栅极放电栅极放电,FAMOS恢复到截止恢复到截止状态状态.第16页，本讲稿共44页一个一个EPROM芯片：芯片：Intel 2716VCCVPPOECEGND1121324CE是片使能端；是片使能端；OE是数据输出使能端；是数据输出使能端；VPP是编程写入电源输入端。是编程写入电源输入端。容量：容量：2K8位位受光窗口受光窗口第17页，本讲稿共44页工作方式工作方式读读 出出未选中未选中待待 机机编编 程程禁止编程禁止编程校验读出校验读出CEOEVPP数据线数据线D7D0的状态的状态0 0 +5V 读出的数据读出的数据 1 +5V 高高 阻阻 1 +5V 高高 阻阻1 +25V 写入的数据写入的数据0 1 +25V 高高 阻阻0 0 +25V 读出校验数据读出校验数据2716工作方式工作方式第18页，本讲稿共44页3）E2PROM(电可擦可编程只读存储器）电可擦可编程只读存储器）特点：特点：编程和擦除均由电完成；编程和擦除均由电完成；既可整片擦除，也可使某些存储单元单独擦除；既可整片擦除，也可使某些存储单元单独擦除；重复编程次数大大高于重复编程次数大大高于EPROM.第19页，本讲稿共44页F1(A,B,C)=m(1,5,6,7)F2(A,B,C)=m(0,1,3,6,7)F3(A,B,C)=m(3,4,5,6,7)例例:用用PROM实现逻辑函数实现逻辑函数:3.PROM的应用的应用1)实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数用用PROM实现组合逻辑函数，实际上是利用实现组合逻辑函数，实际上是利用PROM中的最中的最小项，通过或阵列编程，达到设计目的小项，通过或阵列编程，达到设计目的.第20页，本讲稿共44页1A&111F1F2F31B1C&m0m1m2m3m4m5m6m7第21页，本讲稿共44页2)存放数据表和函数表存放数据表和函数表:例如三角函数、对数、乘法等表例如三角函数、对数、乘法等表 格。格。3）存放调试好的程序。）存放调试好的程序。*2）、）、3）是）是PROM的主要用途。的主要用途。第22页，本讲稿共44页8.2.2 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)RAM可以随时从任一指定地址读出数据，也可以随时把数据可以随时从任一指定地址读出数据，也可以随时把数据写入任何指定的存储单元写入任何指定的存储单元.RAM在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等中间数据、运算结果等.RAM按工艺分类：按工艺分类：1）双极型双极型；2）场效应管型场效应管型。场效应管型分为：场效应管型分为：1）静态静态；2）动态动态。第23页，本讲稿共44页1.RAM的结构的结构.A0A1An-1地地址址译译码码器器存存 储储矩矩 阵阵 W0W1W2n-1字线字线地址线地址线读写读写/控制电路控制电路读写读写/控制控制(R/W)片选片选(CS)数据输入数据输入/输出输出 (I/O)第24页，本讲稿共44页当片选信号当片选信号CS无效时，无效时，I/O对外呈高阻对外呈高阻;当片选信号当片选信号CS有效时，由有效时，由R/W信号决定读或写信号决定读或写,根据根据地址信号，通过地址信号，通过I/O输出或输入。输出或输入。(I/O为双向三态结构为双向三态结构)ENEN11I/ODR/W第25页，本讲稿共44页2.RAM的存储单元的存储单元1)静态静态RAM的基本存储单元的基本存储单元2)(以六管以六管NMOS静态存储单元为例静态存储单元为例)XiYjI/OI/OVCCQQT6T4T3T1T2T5T7T8位位线线Bj位位线线Bj存储存储单元单元11I/OI/OQQ第26页，本讲稿共44页2)动态动态RAM的基本存储电路的基本存储电路动态动态RAM的基本存储电路由动态的基本存储电路由动态MOS基本存储单元组基本存储单元组成。动态成。动态MOS基本存储单元通常利用基本存储单元通常利用MOS管栅极电容管栅极电容或其它寄生电容的电荷存储效应来存储信息。或其它寄生电容的电荷存储效应来存储信息。第27页，本讲稿共44页电路结构（以单管动态存储单元为例）电路结构（以单管动态存储单元为例）位线位线数据线数据线 (D)字选线字选线TCSCD输出输出电容电容写信息：字选线为写信息：字选线为1，T导通，导通，数据数据D经经T送入送入CS.读信息：字选线为读信息：字选线为1，T导通，导通，CS上的数据经上的数据经T送入位线的等送入位线的等效电容效电容CD.第28页，本讲稿共44页特点：特点：1）当不读信息时，电荷在电容）当不读信息时，电荷在电容CS上的保上的保 存时间约为数毫秒到数百毫秒；存时间约为数毫秒到数百毫秒；2）当读出信息时，由于要对）当读出信息时，由于要对CD充电，使充电，使 CS上的电荷减少。为破坏性读出。上的电荷减少。为破坏性读出。3）通常在）通常在CS上呈现的代表上呈现的代表1和和0信号的电平信号的电平 值相差不大，故信号较弱。值相差不大，故信号较弱。第29页，本讲稿共44页结论：结论：1）需加刷新电路；）需加刷新电路；2）输出端需加高鉴别能力的输出放大器。）输出端需加高鉴别能力的输出放大器。3）容量较大的）容量较大的RAM集成电路一集成电路一 般采用单管电般采用单管电 路。路。4）容量较小的）容量较小的RAM集成电路一集成电路一 般采用三般采用三 管或四管或四 管电路。多管电路结构复杂，但外围电路简管电路。多管电路结构复杂，但外围电路简 单。单。第30页，本讲稿共44页3)RAM容量的扩展容量的扩展VCCA8R/WCSGND191018Intel 2114A9A7A5A4A6A0A1A3A2I/O1I/O2I/O3I/O4位扩展位扩展I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1CSR/WI/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1CSR/WA0A1A9R/WCSI/O1I/O2I/O3I/O4I/O4I/O5I/O6I/O7将将2114扩展为扩展为1K8位位的的RAM第31页，本讲稿共44页8.3 8.3 存储容量的扩展存储容量的扩展 当使用一片当使用一片ROM或或RAM器件不能满足对存储容量的器件不能满足对存储容量的需求时，则需要将若干片需求时，则需要将若干片ROM或或RAM组合起来，构成更组合起来，构成更大容量的存储器。大容量的存储器。存储容量的扩展方式有两种：位扩展方存储容量的扩展方式有两种：位扩展方式和字扩展方式。式和字扩展方式。8.3.1 位扩展方式位扩展方式 若每一片若每一片ROM或或RAM的的字数够用而位数不足字数够用而位数不足时，应采时，应采用位扩展方式。接法：将各片的地址线、读写线、片选线并用位扩展方式。接法：将各片的地址线、读写线、片选线并联即可联即可第32页，本讲稿共44页图是用8片10241的RAM构成10248的RAM接线图第33页，本讲稿共44页图是由两片图是由两片2114扩展成扩展成10248位的位的RAM电路连线图。电路连线图。第34页，本讲稿共44页8.3.2 字扩展方式字扩展方式 若每一片存储器若每一片存储器(ROM或或RAM）的数据位数够而字数不够时，则需要）的数据位数够而字数不够时，则需要采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到字数更多的存储器。采用字扩展方式，以扩大整个存储器的字数，得到字数更多的存储器。例例 用用4片片2568位的位的RAM接成一个接成一个10248位的位的RAM接线图接线图10248 RAM解：解：第35页，本讲稿共44页每一片2568的A0 A7可提供28256个地址，为00到11，用扩展的字A8、A9构成的两位代码区别四片2568的RAM，即将A8、A9译成四个低电平信号，分别接到四片2568RAM的CS，如下表A9A8CS1 CS2 CS3 CS4 000111011011101101111110第36页，本讲稿共44页四片2568RAM地址分配为第37页，本讲稿共44页实现的电路如图7.4.3所示图图7.4.3第38页，本讲稿共44页 如果一片RAM或ROM的位数和字数都不够，就需要同时采用位扩展和字扩展方法，用多片组成一个大的存储器系统，以满足对存储容量的要求。例7.4.2 试用2564位的RAM，用复合扩展的方法组成10248位的RAM。要求：画出连线图；指出当R/W=1，地址为0011001100时，哪个芯片组被选通？指出芯片组(0)、(1)、(2)、(3)的地址范围。解解：（1)先用位扩展方式构成先用位扩展方式构成2568位的位的RAM，其连线图其连线图如图如图7.4.5所示；所示；第39页，本讲稿共44页再由字扩展方式构成10248位RAM，如图7.4.6所示，所以一共用了8片2564位的RAM。第40页，本讲稿共44页(2)当地址码为当地址码为0011001100,且且R/W=1 时，时，A9A8=00，2568(1)组被选中，其他组被封锁。组被选中，其他组被封锁。(3)2568(1)的地址为（的地址为（0000000000)B(0011111111)B;2568(2)的地址为（的地址为（0100000000)B(0111111111)B;2568(3)的地址为（的地址为（1000000000)B(1011111111)B;2568(4)的地址为（的地址为（1100000000)B(1111111111)B。第41页，本讲稿共44页8.4 可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD)PLD是是ASIC的一个重要分支。的一个重要分支。PLD包括包括PLA、PAL、GAL和和EPLD、FPGA等。等。PLD具有集成度高，速度快，保密性好，可重复编程等特点。具有集成度高，速度快，保密性好，可重复编程等特点。输输入入输输出出输输入入电电路路与与阵阵列列或或阵阵列列输输出出电电路路PLD基本结构框图基本结构框图 互补互补输入项输入项与项与项或项或项反馈项反馈项第42页，本讲稿共44页 根据根据与与、或或阵列的可编程性，阵列的可编程性，PLD分为三种基本结构。分为三种基本结构。1）与与阵列固定，阵列固定，或或阵列可编程型结构阵列可编程型结构PROM属于这种结构。属于这种结构。2）与与、或或阵列均可编程型结构阵列均可编程型结构PLA(Programmable Logic Array)属于这种结构。属于这种结构。特点：与阵列规模大，速度较低。特点：与阵列规模大，速度较低。特点：速度快，设计逻辑函数可采用最简结构，芯片内部资源利特点：速度快，设计逻辑函数可采用最简结构，芯片内部资源利用率高。但编程难度大，缺乏质高价廉的开发工具。用率高。但编程难度大，缺乏质高价廉的开发工具。第43页，本讲稿共44页3）或或阵列固定，阵列固定，与与阵列可编程型结构阵列可编程型结构PAL(Programmable Array Logic)属于这种结构。属于这种结构。该结构称为该结构称为PAL结构。结构。特点：速度快，费用低，易于编程。当前许多特点：速度快，费用低，易于编程。当前许多PLD器件都器件都 采用这种结构。采用这种结构。第44页，本讲稿共44页