第08章 存储器和可编程逻辑器件简介.ppt
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1、第第8 8章章 存储器和可编程逻辑器件简介存储器和可编程逻辑器件简介 8.1.38.1.3 存储器的应用存储器的应用1.存储器容量的扩展 8.1.18.1.1 随机存取存储器(随机存取存储器(RAM)8.1 8.1 半导体存储器半导体存储器 2021/9/171复习复习A/D转换的步骤?取样定理?量化误差是不可避免的吗?如何减小量化误差?2021/9/172第第8 8章章 存储器和可编程逻辑器件简介存储器和可编程逻辑器件简介 本章内容:随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的结构、工作原理及存储器容量扩展的方法;可编程阵列逻辑PAL、通用阵列GAL的结构与特点;CPLD和FPGA的结构特点;可
2、编程逻辑器件的开发与应用技术。2021/9/1738.1 8.1 半导体存储器半导体存储器 数字系统中用于存储大量二进制信息的器件是存储器。穿孔卡片纸带磁芯存储器半导体存储器半导体存储器的优点:容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等。半导体存储器按照内部信息的存取方式不同分为两大类:1、只读存储器ROM。用于存放永久性的、不变的数据。2、随机存取存储器RAM。用于存放一些临时性的数据或中间结果,需要经常改变存储内容。2021/9/1748.1.1 8.1.1 随机存取存储器(随机存取存储器(RAM)随机存取存储器又叫随机读/写存储器,简称RAM,指的是可以从任意选定的单元读出数据,或
3、将数据写入任意选定的存储单元。优点:读写方便,使用灵活。缺点:掉电丢失信息。分类:SRAM(静态随机存取存储器)DRAM(动态随机存取存储器)2021/9/1751.RAM的结构和读写原理(1)RAM 的结构框图图8-1 RAM 的结构框图I/O端画双箭是因为数据即可由此端口读出,也可写入2021/9/176存储矩阵共有28(256)行24(16)列共212(4096)个信息单元(即字)每个信息单元有k位二进制数(1或0)存储器中存储单元的数量称为存储容量(字数位数k)。2021/9/177地址译码器行地址译码器:输入8位行地址码,输出256条行选择线(用x表示)列地址译码器:输入4位列地址码
4、,输出16条列选择线(用Y表示)2021/9/178 读写控制电路读写控制电路 当R/W=0时,进行写入写入(Write)(Write)数据操作。当R/W=1时,进行读出读出(Read)(Read)数据操作。2021/9/179图8-2RAM存储矩阵的示意图2564(256个字,每个字4位)RAM存储矩阵的示意图。如果X0Y01,则选中第一个信息单元的4个存储单元,可以对这4个存储单元进行读出或写入。2021/9/1710(2 2)RAMRAM 的读写原理的读写原理(以图(以图8 81 1为例)为例)当CS=时,RAM被选中工作。若A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000
5、00000000表示选中列地址为A11A10A9A8=0000、行地址为A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存储单元。此时只有X0和Y0为有效,则选中第一个信息单元的k个存储单元,可以对这k个存储单元进行读出或写入。2021/9/1711若若此此时时R/WR/W1 1,则则执执行行读读操操作作,将将所所选选存存储储单单元中的数据送到元中的数据送到I/OI/O端上。端上。若此时R/W=0时,进行写写入数据操作。当CS=1时,不能对RAM进行读写操作,所有端均为高阻态高阻态。2021/9/1712(3)RAM的存储单元按工作原理分为:静态存储单元:利用基本RS触发器存储信息。保存的
6、信息不易丢失。动态存储单元动态存储单元:利用:利用MOS的栅极电容来存储信息。由于电容的容量很小,以及漏电流的存在,为了保持信息,必须定时给电容充电,通常称为刷新。2021/9/17132.2.静态读写存储器静态读写存储器(SRAMSRAM)集成电路集成电路62646264简介简介 采用CMOS工艺制成,存储容量为8K8位,典型存取时间为100ns、电源电压5V、工作电流40mA、维持电压为2V,维持电流为2A。8K=213,有13条地址线A0A12;每字有位,有条数据线I/O0I/O7;图8-3 6264引脚图 四条控制线2021/9/1714表8-8-6264 6264的工作方式表 3.3
7、.Intel2114AIntel2114A是是1 K1 K字字44位位SRAMSRAM,它是双列直插,它是双列直插1818脚封装器件,采用脚封装器件,采用5V5V供电,与供电,与TTLTTL电平完全兼容。电平完全兼容。4.4.Intel 2116Intel 2116是是16 K116 K1位动态存储器(位动态存储器(DRAMDRAM),),是典型的单管动态存储芯片。它是双列直插是典型的单管动态存储芯片。它是双列直插1616脚封脚封装器件,采用装器件,采用+12V+12V和和 5V5V三组电源供电,其逻辑电三组电源供电,其逻辑电平与平与TTLTTL兼容。兼容。2021/9/17158.1.38.
8、1.3 存储器的应用存储器的应用 1.存储器容量的扩展存储器的容量:字数位数位扩展(即字长扩展):将多片存储器经适当的连接,组成位数增多、字数不变的存储器。方法:用同一地址信号控制n个相同字数的RAM。2021/9/1716例:将2561的RAM扩展为 2568的RAM。将8块2561的RAM的所有地址线和CS(片选线)分别对应并接在一起,而每一片的位输出作为整个RAM输出的一位。2021/9/17172568RAM需2561RAM的芯片数为:图8-10 RAM位扩展 将将2562561 1的的RAMRAM扩展为扩展为2562568 8的的RAMRAM2021/9/1718 字扩展将多片存储器
9、经适当的连接,组成字数更多,而位数不变的存储器。例:由10248的 RAM扩展为40968的RAM。共需四片10248的RAM芯片。10248的 RAM有10根地址输入线A9A0。40968的RAM有12根地址输入线A11A0。选用2线-4线译码器,将输入接高位地址A11、A10,输出分别控制四片RAM的片选端。2021/9/1719 图8-11 RAM字扩展 由10248的 RAM扩展为40968的RAM2021/9/1720(3)字位扩展例:将10244的RAM扩展为20488 RAM。位扩展需2片芯片,字扩展需2片芯片,共需4片芯片。字扩展只增加一条地址输入线A10,可用一反相器便能实现
10、对两片RAM片选端的控制。字扩展是对存储器输入端口的扩展,位扩展是对存储器输出端口的扩展。2021/9/1721图8-12 RAM的字位扩展 将10244的RAM扩展为20488 RAM2021/9/1722第第8 8章章 存储器和可编程逻辑器件简介存储器和可编程逻辑器件简介 8.1.38.1.3 存储器的应用存储器的应用 2EPROM的应用8.1.28.1.2 只读存储器(只读存储器(ROM)8.1 8.1 半导体存储器半导体存储器 8.1.48.1.4 其它类型存储器简介其它类型存储器简介 2021/9/17238.1.2 8.1.2 只读存储器(只读存储器(ROM)1.固定ROM只读存储
11、器所存储的内容一般是固定不变的,正常工作时只能读数,不能写入,并且在断电后不丢失其中存储的内容,故称为只读存储器。ROM组成:地址译码器存储矩阵输出电路图8-4 ROM结构方框图 2021/9/1724地址译码器有n个输入端,有2n个输出信息,每个输出信息对应一个信息单元,而每个单元存放一个字,共有2n个字(W0、W1、W2n-1称为字线)。每个字有m位,每位对应从D0、D1、Dm-1输出(称为位线)。存储器的容量是2nm(字线位线)。ROM中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。2021/9/1725图8-5 二极管ROM图8-6 字的读出方法 在对应的存储单元内存入的是1还是0,是
12、由接入或不接入相应的二极管来决定的。2021/9/1726存储存储矩阵矩阵为了便于表达和设计,通常将图为了便于表达和设计,通常将图8-58-5简化如图简化如图8-78-7所示。所示。图8-7 44 ROM阵列图 有存储有存储单元单元地址译地址译码器码器图8-5 二极管ROM2021/9/1727在编程前,存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的,即每个单元存储的都是1。用户可根据需要,借助一定的编程工具,将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断,该单元存储的内容就变为0,此过程称为编程。熔丝烧断后不能再接上,故PROM只能进行一次编程。2 2可编程只读存储器(可编程只读存储器(PROMPROM)图8
13、-8 PROM的可编程存储单元2021/9/17283 3可擦可编程可擦可编程ROMROM(EPROMEPROM)最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM。浮置栅MOS管(简称FAMOS管)的栅极被SiO2绝缘层隔离,呈浮置状态,故称浮置栅。当浮置栅带负电荷时,FAMOS管处于导通状态,源极漏极可看成短路,所存信息是0。若浮置栅上不带有电荷,则FAMOS管截止,源极漏极间可视为开路,所存信息是1。2021/9/1729图8-浮置栅EPROM(a)浮置栅MOS管的结构(b)EPROM存储单元带负电-导通-存0不带电-截止-存12021/9/1730浮置栅EPROM出厂时,所有存储单元的FAMOS
14、管浮置栅都不带电荷,FAMOS管处于截止状态。写入信息时,在对应单元的漏极与衬底之间加足够高的反向电压,使漏极与衬底之间的PN结产生击穿,雪崩击穿产生的高能电子堆积在浮置栅上,使FAMOS管导通。当去掉外加反向电压后,由于浮置栅上的电子没有放电回路能长期保存下来,在的环境温度下,以上的电荷能保存年以上。如果用紫外线照射FAMOS管分钟,浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放,使导电沟道消失,FAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除,芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。2021/9/17318.1.38.1.3 存储器的应用存储器的应用 2EPROM的应用 程序存储器、码制转换、字符发生器、波形发生器
15、等。例:八种波形发生器电路。将一个周期的三角波等分为256份,取得每一点的函数值并按八位二进制进行编码,产生256字节的数据。用同样的方法还可得到锯齿波、正弦波、阶梯波等不同的八种波形的数据,并将这八组数据共2048个字节写入2716当中。2021/9/1732图8-13 八种波形发生器电路图 波形选择开关256进制计数器存八种波形的数据经8位DAC转换成模拟电压。2021/9/1733S3S2S1波形A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0000正弦波000H0FFH001锯齿波100H1FFH010三角波200H2FFH111阶梯波700H7FFH表8-2 八种波
16、形及存储器地址空间分配情况S1、S2和S3:波形选择开关。两个16进制计数器在CP脉冲的作用下,从00HFFH不断作周期性的计数,则相应波形的编码数据便依次出现在数据线D0D7上,经D/A转换后便可在输出端得到相应波形的模拟电压输出波形。2021/9/1734 图8-14 三角波细分图 下面以三角波为例说明其实现方法。三角波如图8-148-14所示,在图中取256256个值来代表波形的变化情况。在水平方向的257257个点顺序取值,按照二进制送入EPROM2716EPROM2716(2K2K8 8位)的地址端A A0 0A A7 7,地址译码器的输出为256256个(最末一位既是此周期的结束,
17、又是下一周期的开始)。由于27162716是8 8位的,所以要将垂直方向的取值转换成8 8位二进制数。2021/9/1735表8-3 三角波存储表 将这255255个二进制数通过用户编程的方法,写入对应的存储单元,如表8-38-3所示。将27162716的高三位地址A A1010A A9 9A A8 8取为0 0,则该三角波占用的地址空间为000H000H0FFH0FFH,共256256个。2021/9/17368.1.4 8.1.4 其它类型存储器简介其它类型存储器简介1.EEPROM用电气方法在线擦除和编程的只读存储器。存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管。写入的数据在常温下至少可以保存十年
18、,擦除/写入次数为万次10万次。2.快闪存储器Flash Memory采用与EPROM中的叠栅MOS管相似的结构,同时保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性。理论上属于ROM型存储器;功能上相当于RAM。单片容量已达64MB,并正在开发256MB的快闪存储器。可重写编程的次数已达100万次。2021/9/1737由美国Dallas半导体公司推出,为封装一体化的电池后备供电的静态读写存储器。它以高容量长寿命锂电池为后备电源,在低功耗的SRAM芯片上加上可靠的数据保护电路所构成。其性能和使用方法与SRAM一样,在断电情况下,所存储的信息可保存10年。其缺点主要是体积稍大,价格较高。此外,还有一
19、种nvSRAM,不需电池作后备电源,它的非易失性是由其内部机理决定的。已越来越多地取代EPROM,并广泛应用于通信设备、办公设备、医疗设备、工业控制等领域。3.非易失性静态读写存储器NVSRAM 2021/9/1738串行存储器是为适应某些设备对元器件的低功耗和小型化的要求而设计的。主要特点:所存储的数据是按一定顺序串行写入和读出的,故对每个存储单元的访问与它在存储器中的位置有关。4.串行存储器5.多端口存储器MPRAM多端口存储器是为适应更复杂的信息处理需要而设计的一种在多处理机应用系统中使用的存储器。特点:有多套独立的地址机构(即多个端口),共享存储单元的数据。多端口RAM一般可分为双端口
20、SRAM、VRAM、FIFO、MPRAM等几类。2021/9/1739表8-4常见存储器规格型号类型容量SRAMEPROMEEPROMFLASHNVSRAM双口RAM2K8611627162816DS1213B7132/71364K82732DS1213B8K8626427642864DS1213B16K82712832K862256272562825628F256DS1213D64K8275122851228F512128K8628128270102801028F010DS1213D256K8628256270202802028F020512K8628512270402804028F040D
21、S16501M86281000270802808028F0802021/9/1740第第8 8章章 存储器和可编程逻辑器件简介存储器和可编程逻辑器件简介 8.2.38.2.3 复杂的可编程逻辑器件复杂的可编程逻辑器件 (CPLD)8.2.28.2.2 普通可编程逻辑器件普通可编程逻辑器件 8.2 8.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)简介简介 8.2.48.2.4 现场可编程门阵列(现场可编程门阵列(FPGA)8.2.18.2.1 概述概述 2021/9/17418.2.1 8.2.1 概述概述 8.2 8.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)简介简介 1.PLD在数字集成芯片中
22、的位置数字SSI、MSI集成LSI、VLSI电路ASIC全定制ASIC门阵列半定制ASIC标准单元PLD2021/9/1742(1)数字集成电路按照芯片设计方法的不同分类:通用型SSI、MSI集成电路;LSI、VLSI集成电路,如微处理器、单片机等;专用集成电路ASIC(LSI或VLSI)。2021/9/1743(2)ASIC分类全定制ASIC:硅片没有经过预加工,其各层掩模都是按特定电路功能专门制造的。半定制ASIC:按一定规格预先加工好的半成品芯片,然后再按具体要求进行加工和制造,包括门阵列、标准单元和可编程逻辑器件(PLD)三种。2021/9/17442.可编程逻辑器件(PLD)(1)定
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