存储器复杂可编程器件和现场可编程门阵列讲稿.ppt

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1、存储器复杂可编程器件和现场可编程门阵列第一页，讲稿共四十二页哦教学基本要求：教学基本要求：掌掌握握半半导导体体存存储储器器字字、位位、存存储储容容量量、地地址址、等等基基本概念。本概念。掌握掌握RAM、ROM的工作原理及典型应用。的工作原理及典型应用。了解存储器的存储单元的组成及工作原理。了解存储器的存储单元的组成及工作原理。了解了解CPLD、FPGA的结构及实现逻辑功能的编程原理。的结构及实现逻辑功能的编程原理。第二页，讲稿共四十二页哦概概 述述半导体存贮器半导体存贮器能存放大量二值信息的半导体器件。能存放大量二值信息的半导体器件。可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由可编程逻辑器件是

2、一种通用器件，其逻辑功能是由用户通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、用户通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵活、处理速度快、可靠性高等优点。结构灵活、处理速度快、可靠性高等优点。存储器的主要性能指标存储器的主要性能指标取快速度取快速度存储时间短存储时间短存储数据量大存储数据量大存储容量大存储容量大第三页，讲稿共四十二页哦7.1只读存储器只读存储器7.1.1ROM的的定义与基本结构定义与基本结构7.1.2两维译码两维译码7.1.3可编程可编程ROM7.1.4集成电路集成电路ROM7.1.5ROM的读操作与时序图的读操作与时序图7.1.6ROM的应用举例的应用举例第四页，讲稿共四

3、十二页哦存储器存储器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)RAM(随机存取存储器随机存取存储器):在运行状态可以随时进行读或写操作。在运行状态可以随时进行读或写操作。存储的数据必须有电源供应才能保存存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电一旦掉电,数据全部丢失。数据全部丢失。ROM(只读存储器只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。：在正常工作状态只能读出信息。断电后信息不会丢失，常用于断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息（如程序、常数等）存放固定信息（如程序、常数等）。固定固定ROM可编程可编程ROMPROMEPROME2PROMSRA

4、M(StaticRAM)：静态：静态RAMDRAM(Dynamic RAM)：动态动态RAM7.1只读存储器只读存储器第五页，讲稿共四十二页哦只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。为只读存储器。(Read-OnlyMemory)ROM的分类的分类按写入情况划分按写入情况划分固定固定ROM可编程可编程ROMPROMEPROME2PROM按存贮单元中器按存贮单元中器件划分件划分二极管二极管ROM三极管三极管ROMMOS管管ROM7.1.1ROM的的定义与基本结构定义与基本结构第六页，讲稿共四十二页哦存储矩阵存储矩阵 地

5、地址址译译码码器器地地址址输输入入7.1.1ROM的定义与基本结构的定义与基本结构数据输出数据输出控制信号控制信号输入输入输出控制电路输出控制电路地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出控制电路输出控制电路第七页，讲稿共四十二页哦1）ROM（二极管（二极管PROM）结构示意图结构示意图存储存储矩阵矩阵位线位线字线字线输出控制电路输出控制电路M=4 4地址译码器地址译码器第八页，讲稿共四十二页哦字线与位线的交点都是一个字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管存储单元。交点处有二极管相当存相当存1 1，无二极管相当存，无二极管相当存0 0当当OE=1时输出为高阻状态时输出为高阻状态0001

6、01111101111010001101地地址址A1A0D3D2D1D0内内容容当当OE=0时时第九页，讲稿共四十二页哦几个基本概念：几个基本概念：存储容量（存储容量（M)：存储二值信息的总量。：存储二值信息的总量。字数：字的总量。字数：字的总量。字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，字的位数称为字长。字的位数称为字长。存储容量（存储容量（M)字数字数位数位数地址：每个字的编号。地址：每个字的编号。字数字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）为存储器外部地址线的线数）第十页，讲稿共四十二页哦字线字线存储存储矩阵矩阵位线位线字线与位线

7、的交字线与位线的交点都是一个存储点都是一个存储单元。单元。交点处有交点处有MOS管相当存管相当存0，无，无MOS管相当存管相当存1。7.1.2两维译码两维译码该存储器的容量该存储器的容量=?第十一页，讲稿共四十二页哦7.1.4集成电路集成电路ROMAT27C010，128K8位位ROM第十二页，讲稿共四十二页哦 工作模式工作模式A16 A0VPPD7 D0读读00XAiX数据输出数据输出输出无效输出无效X1XXX高阻高阻等待等待1XXAiX高阻高阻快速编程快速编程010AiVPP数据输入数据输入编程校验编程校验001AiVPP数据输出数据输出第十三页，讲稿共四十二页哦7.1.5ROM的读操作与

8、时序图的读操作与时序图（2）加入有效的片选信号）加入有效的片选信号（3）使输出使能信号）使输出使能信号有效，经过一定延时后，有效数据有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；出现在数据线上；（4）让片选信号）让片选信号或输出使能信号或输出使能信号 无效，经过一定延无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。时后数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；第十四页，讲稿共四十二页哦（1）用于存储固定的专用程序用于存储固定的专用程序（2）利用利用ROM可实现查表或码制变换等功能可实现查表或码制变换等功能查表功能查表

9、功能查某个角度的三角函数查某个角度的三角函数把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为地址内的数据，这称为“造表造表”。使用时，根据输入的地址。使用时，根据输入的地址(角角度度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表查表”。码制变换码制变换把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。为相应存储单元中的内容即可。7.1.6ROM的应用举例的应用举例第十五页，讲稿共四十二页哦CI3 I2 I1 I0

10、二二进进制制码码O3O2O1O0格雷格雷码码CI3 I2 I1 I0格雷格雷码码O3O2O1O0二二进进制制码码0000000001000000000000100011000100010001000111001000110001100101001100100010001101010001110010101111010101100011001011011001000011101001011101010100011001100011110100111011100111100101011111101011000101111101101111010110010101110010000110110111

11、11011001011101001111101011011111000111111010用用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路实现二进制码与格雷码相互转换的电路第十六页，讲稿共四十二页哦C(A4)I3 I2 I1 I0(A3A2A1A0)二二进进制制码码O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷格雷码码C(A4)I3 I2 I1 I0(A3A2A1A0)格雷格雷码码O3O2O1O0(D3D2D1D0)二二进进制制码码0000000001000000000000100011000100010001000111001000110001100101001100100010001101010001

12、11001010111101010110001100101101100100001110100101110101010001100110001111010011101110011110010101111110101100010111110110111101011001010111001000011011011111011001011101001111101011011111000111111010C=A4I3 I2 I1 I0=A3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D0第十七页，讲稿共四十二页哦用用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路实现二进制码与格雷码相互转换的电路第十八页，讲稿

13、共四十二页哦一个存储容量为一个存储容量为256*8位的位的ROM，其地址应为，其地址应为多少位？多少位？第十九页，讲稿共四十二页哦7.2随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)7.2.2同步静态随机存取存储器（同步静态随机存取存储器（SSRAM）7.2.4存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器第二十页，讲稿共四十二页哦7.2随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)1SRAM的本结构的本结构CE OEWE=100高阻高阻CEOEWE=00X输

14、入输入CEOEWE=010输出输出CEOEWE=011高阻高阻第二十一页，讲稿共四十二页哦SRAM的工作模式的工作模式工作模式工作模式 CE WE OE I/O0I/Om-1保持保持(微功耗微功耗)1XX高阻高阻读读010数据输出数据输出 写写00X数据输入数据输入 输出无效输出无效011高阻高阻第二十二页，讲稿共四十二页哦（a）（b）3.SRAM的读写操作及时序图的读写操作及时序图读操作时序图读操作时序图第二十三页，讲稿共四十二页哦3.SRAM的写操作及时序图的写操作及时序图写操作时序图写操作时序图第二十四页，讲稿共四十二页哦7.2.2同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器（SSRAM

15、）SSRAM是一种高速是一种高速RAM。与。与SRAM不同不同,SSRAM的读写操作的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。是在时钟脉冲节拍控制下完成的。第二十五页，讲稿共四十二页哦寄存地址线上的地址寄存地址线上的地址寄存要写入的数寄存要写入的数据据ADV=0:普通模式读写普通模式读写ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写=0:写操作写操作=1:读操作读操作寄存各种使能控制信号，生成最终的内寄存各种使能控制信号，生成最终的内部读写控制信号；部读写控制信号；2 2位二进制计数器位二进制计数器,处理处理A1A0第二十六页，讲稿共四十二页哦ADV=0:普通模式读写普通模式读写片片选选无无效效=0:写操

16、作写操作WE=1:读操作读操作WE普通模式读写模式普通模式读写模式:在每个时钟有效沿锁存输入信号在每个时钟有效沿锁存输入信号,在一个时钟周在一个时钟周期内期内,由内部电路完成数据的读由内部电路完成数据的读(写写)操作。操作。读读A1地址地址单元单元数据数据I/O输输出出A1数据数据;开始开始读读A2数据数据I/O输输出出A2数据数据;开始开始读读A3数据数据I/O输输出出A6数据数据;开始开始读读A7数据数据开始开始读读A4地址地址单元单元数据数据I/O输输入入A5数据数据;开始开始写写A6数据数据I/O输输出出A4数据数据;开始开始写写A5数据数据,第二十七页，讲稿共四十二页哦读读A2地址地

17、址单元单元数据数据丛发丛发模式模式读读A2+1中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A2+2中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A2+3中的中的数据数据丛发丛发模式模式重新重新读读A2中的中的数据数据ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写丛发模式读写模式：在有新地址输入后丛发模式读写模式：在有新地址输入后,自动产生后续地址进行自动产生后续地址进行读写操作读写操作,地址总线让出地址总线让出读读A1地址地址单元单元数据数据丛发丛发模式模式读读A1+1中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A1+2中的中的数据数据第二十八页，讲稿共四十二页哦在由在由SSRAM构成的计算机系统中，由于在时钟有构成的计算机系统

18、中，由于在时钟有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到SSRAM内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均在时钟作用下，由在时钟作用下，由SSRAM内部控制完成。此时，系统内部控制完成。此时，系统中的微处理器在读写中的微处理器在读写SSRAM的同时，可以处理其他的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个系统的工作速度。任务，从而提高了整个系统的工作速度。SSRAM的使用特点：的使用特点：第二十九页，讲稿共四十二页哦1、动态存储单元及基本操作原理、动态存储单元及基本操作原理T 存储单元存储单元写操作写操作:X=1=

19、0T导通，电容器导通，电容器C与位线与位线B连通连通输入缓冲器被选通，输入缓冲器被选通，数据数据DI经缓冲器和经缓冲器和位线写入存储单元位线写入存储单元如果如果DI为为1，则向电，则向电容器充电，容器充电，C存存1;反反之电容器放电之电容器放电,C存存0。-刷新刷新R行选线行选线X读读/写写输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器第三十页，讲稿共四十二页哦读操作读操作:X=1=1T导通，电容器导通，电容器C与位线与位线B连通连通输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器被灵敏放大器被选通，选通，C中存储的数

20、据通过中存储的数据通过位线和缓冲器输出位线和缓冲器输出 T/刷新刷新R行选线行选线X输出缓冲器输出缓冲器/灵灵敏放大器敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B每次读出后，必须及时对每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此时刷读出单元刷新，即此时刷新控制新控制R也为高电平，则也为高电平，则读出的数据又经刷新缓冲读出的数据又经刷新缓冲器和位线对电容器器和位线对电容器C进行刷进行刷新。新。第三十一页，讲稿共四十二页哦7.2.4存储器容量的扩展存储器容量的扩展位扩展可以利用芯片的并联方式实现。位扩展可以利用芯片的并联方式实现。CE A11A0WED0D1D2D3WECEA0A114K

21、4位位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CEA0A114K4位位I/O0I/O1I/O2I/O3WE1.字长（位数）的扩展字长（位数）的扩展-用用4KX4位的芯片组成位的芯片组成4KX16位的存储位的存储系统。系统。第三十二页，讲稿共四十二页哦7.2.4RAM存储容量的扩展存储容量的扩展2.2.字数的扩展字数的扩展用用用用8KX8位的芯片组成位的芯片组成32KX8位的存储系统。位的存储系统。RAM1D0D7A A0 0A A1212CE1芯片数芯片数=4=4RAM1D0D7A A0 0A A1212CE1RAM1D0D7A A0 0A A1212CE1RAM1D0D7A

22、A0 0A A1212CE1系统地址线数系统地址线数=15=15系统系统:A0A14A13A14?2000H2001H2002H 3FFFH4000H400H4002H 5FFFH6000H6001H6002H 7FFFH0000H0001H0002H 1FFFH芯片芯片:A0A12第三十三页，讲稿共四十二页哦32K8位存储器系统的地址分配表位存储器系统的地址分配表各各RAM芯片芯片译码器译码器有效输有效输出端出端扩展的地扩展的地址输入端址输入端A14A138K8位位RAM芯片地址输入端芯片地址输入端A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0对应的十对应的十六进制地六进制地址码

23、址码00000000000000000000000000010000000000010 11111111111110000H0001H0002H 1FFFH01000000000000000000000000010000000000010 11111111111112000H2001H2002H 3FFFH10000000000000000000000000010000000000010 11111111111114000H400H4002H 5FFFHY0Y1Y2Y311000000000000000000000000010000000000010 11111111111116000H600

24、1H6002H 7FFFH第三十四页，讲稿共四十二页哦 字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端来字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端来实现。实现。第三十五页，讲稿共四十二页哦7.3复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)7.3.1CPLD的结构的结构7.3.2CPLD编程简介编程简介第三十六页，讲稿共四十二页哦7.3复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)与与PAL、GAL相比，相比，CPLD的集成度更高，有更的集成度更高，有更多的输入端、乘积项和更多的宏单元；多的输入端、乘积项和更多的宏单元；每个块之间可以使用可编程内部连线每个块之间可以使用

25、可编程内部连线(或者称为可或者称为可编程的开关矩阵编程的开关矩阵)实现相互连接。实现相互连接。CPLD器件内部含有多个逻辑块，每个逻辑块都相当器件内部含有多个逻辑块，每个逻辑块都相当于一个于一个GAL器件器件;第三十七页，讲稿共四十二页哦7.3.1CPLD的结构的结构更多乘积项、更多宏单元、更多的输入信号。更多乘积项、更多宏单元、更多的输入信号。第三十八页，讲稿共四十二页哦通用的通用的CPLD器件逻辑块的结构器件逻辑块的结构内部内部可编可编程连程连线区线区 n n 宏单元宏单元 1 1 宏单元宏单元 2 2 宏单元宏单元 3 3 可编可编程乘程乘积项积项阵列阵列 乘积乘积项分项分配配 宏单元宏

26、单元 m m 内部内部可编可编程连程连线区线区 m m m m I/OI/O 块块 XilinxXG500:90个个36变量的乘积项变量的乘积项,宏单元宏单元36个个AlteraMAX7000:80个个36变量的乘积项变量的乘积项,宏单元宏单元16个个第三十九页，讲稿共四十二页哦XG500系列乘积项分配和宏单元系列乘积项分配和宏单元可编程可编程数据分配器数据分配器可编程数据选可编程数据选择器择器宏输出宏输出第四十页，讲稿共四十二页哦可编程内部连线可编程内部连线可编程内部连线的作用是实现逻辑块与逻辑块之间、逻辑块与可编程内部连线的作用是实现逻辑块与逻辑块之间、逻辑块与I/O块之块之间以及全局信号

27、到逻辑块和间以及全局信号到逻辑块和I/O块之间的连接。块之间的连接。连线区的可编程连接一般由连线区的可编程连接一般由E2CMOS管实现。管实现。可编程连接原理图可编程连接原理图内部连线内部连线宏单元或宏单元或I/O连线连线E2CMOS管管T当当E2CMOS管被编程为导通时，管被编程为导通时，纵线和横线连通；未被编程为截止纵线和横线连通；未被编程为截止时，两线则不通时，两线则不通。第四十一页，讲稿共四十二页哦I/O单元是单元是CPLD外部封装引脚和内部逻辑间的接口。每个外部封装引脚和内部逻辑间的接口。每个I/O单单元对应一个封装引脚，对元对应一个封装引脚，对I/O单元编程，可将引脚定义为输入、输出单元编程，可将引脚定义为输入、输出和双向功能。和双向功能。I/O单元单元数据选择器数据选择器提供提供OE号。号。OE=1,I/O引脚引脚为输出为输出第四十二页，讲稿共四十二页哦