第6章 半导体存储器和可编程逻辑器件.ppt

《第6章 半导体存储器和可编程逻辑器件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 半导体存储器和可编程逻辑器件.ppt（32页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.1 概述6.2 ROM(只读存储器)6.3 RAM(随机存取存储器)6.4 PLD可编程组合逻辑器件6.6 FPGA(现场可编程门阵列)本章小结第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.1 概述第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件一、半导体存储器的分类 1.按制造工艺分类 名 称类 型 特 点使 用 场 合半导体存储器MOS型集成度高、功耗小、价格低、工艺简单对容量要求较高的场合，用作主存储器双极型工作速度快、功耗高、价格较高对速度要求较高的场合，用

2、作高速缓冲存储器2.按功能分类 第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件名称功能类型特 点按部件分类半导体存储器ROM(只读存储器)只能从其中读出数据，不能写入数据。数据可长期保留，断电也不消失，具有非易失性，适用于长期存放的数据1.NMOS、CMOS(掩膜存储器)2.PROM(可编程存储器)3.EPROM(可擦除改写存储器)4.E2PROM(电改写PROM)5.FLASH(闪速存储器)RAM(随机存取存储器)可在任何时刻从存储器中读出数据或向其中写入数据，其数据不可长期保留，断电后立即消失。1.SRAM 双极型(静态存储器)PMOS NMOS CMOS2.DR

3、AM PMOS(动态存储器)NMOS CMOSSAM(顺序存取存储器)按照一定的顺序存取存储器，有先入先出型(FIFO)和先入后出型(FILO)两种第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二、半导体存储器的主要技术指标 半导体存储器的主要技术指标有存储容量和存取时间。1.存储容量指存储器所能存放二进制信息的总量，常用“字数位数”来表示。容量越大，表明能存储的二进制信越多。2.存取时间指进行一次(写)存或(读)取所用的时间，一般用读(或写)的周期来描述。读写周期(存取周期)指连续两次读(或写)操作的最短时间间隔，读写周期包括读(写)时间和内部电路的恢复时间。读写周

4、期越短，则存储器的存储速度越高。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.2 ROM(只读存储器)一 ROM的分类 按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：（1）固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。（2）一次性可编程ROM（PROM）。出厂时，存储内容全为1（或全为0），用户可根据自己的需要编程，但只能编程一次。（3）光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。（4）电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧

5、道MOS管，是用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写1万次以上）。（5）快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/写入100次以上。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二ROM的结构及工作原理1.ROM的内部结构 由地址译码器和存储矩阵组成。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2.ROM的

6、基本工作原理：由地址译码器和或门存储矩阵组成。例：存储容量为44的ROM第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二、PROM、EPROM、E2PROM可编程只读存储器 1.PROM(只能写入一次的只读存储器)PROM即可编程ROM。其电路结构与固定只读存储器一样，也是由地址译码器、存储矩阵和输出部份组成。但是其存储矩阵的所有的交叉点上全部制作了存储器件，相当于所有的存储单元内都存入数据“1”。2.EPROM(可擦除可编程只读存储器)可擦除可编程ROM可以多次擦除多次编程，适合于需要经常修改存储内容的场合。根据擦除方式的不同，可分为紫外线可擦除可编程ROM和电信号

7、可擦除可编程ROM。一般提到EPROM，是指在紫外线照射下能擦除其存储内容的ROM。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件3.E2PROM(电擦除可编程存储器)为了克服EPROM擦除操作复杂，速度慢，不能按“位”擦除，只能进行整体擦除的缺点，一种用低压电信号便可控除的E2PROM便问世，它有28-系列，28C-系列，如28C256等。4.Flash(快省存储器)快省存储器(Flash)实质上是一种快速擦除的E2PROM，俗称“U盘”。快省存储器的优点是：具有非易失性，断电后仍能长久保存信息，不需要后备电源，而且集成度高、成本低，写入或擦除速度快等。第第6 6章

8、章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件三、ROM芯片应用举例 试利用ROM实现4位二进制码到格雷码的转换 解：列出4位二进制码转换为格雷码的真值表 二进制码格雷码B3 B2 B1 B0G3 G2 G1 G00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 01 1 0 01 1 0 11 1

9、1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.3 RAM(随机存取存储器)一 RAM的基本结构 由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二、RAM的容量扩展1位扩展用8片1024（1K）1位RAM构成的10248位RAM系统。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2字扩展 用8片1K8位RAM构成的8K8位RAM。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻

10、辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件三、RAM的芯片简介(6116)6116为2K8位静态CMOSRAM芯片引脚排列图：第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.4 PLD可编程组合逻辑器件 可编程逻辑器件采用的可编程元件有四类：一次性编程的熔丝或反熔丝元件。紫外线擦除、电可编程序的EPROM(UVEPROM)即VUCMOS工艺结构。电擦除、电可编程存储单元，一类是E2CMOS工艺结构；另一类是快闪（Flash）存储单元。静态存储器(SRAM)的编程元件。这些元件中，电擦除、电可编程的E2PROM和快闪（Flash）存储单元的PLD以及DRAM的PLD目前使用最

11、广泛。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件一、PLA(可编程逻辑阵列)和FPLA(现场可编程逻辑阵列)1.因为任何一个逻辑函数都可以用“与或式”表示，所以任何逻辑函数都可以用一个“与门”阵列和一个“或门”阵列来实现。2.而FPLA(现场可编程阵列)则是由可编程“与阵列”和可编程“或阵列”两部分组成。输入变量对应于“与阵列”的列线，输出函数对应于“或阵列”的列线，通过“与阵列”和“或阵列”网格点上二极管的不同编排，可得到不同函数。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二、PAL(可编程阵列逻辑)PAL也是在PROM基础上发展起

12、来的一种可编程逻辑器件，是 PAL采用了熔丝编程方式、双极型工艺制造，因而器件的工作速度很高（可达十几ns）。PAL器件由可编程的与阵列、固定的或阵列和输出电路三部分组成。由于它们是与阵列可编程，而且输出结构种类很多，因而给逻辑设计带来很大的灵活性。1.PAL的输出结构 PAL基本与门阵列是可编程的，而或门阵列是固定连接的。如图所示第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件PAL基本结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2.PAL的几种输出结构 PAL具有多种输出结构。组合逻辑常采用“专用输出的基本门阵列结构”，其输出结构如图

13、所示。图中,若输出部分采用或非门输出时，为低电平有效器件；若采用或门输出时，为高电平有效器件。有的器件还用互补输出的或门，故称为互补型输出，这种输出结构只适用于实现组合逻辑函数。目前常用的产品有PAL10H8（10输入，8输出，高电平有效）、AL10L8(10输入，8输出，低电平有效)、PAL16C1（16输入，1输出，互补型)等。(4)进行状态计算，计算结果见表5.12，所示状态转换表第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件专用输出门阵列结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 PAL实现时序逻辑电路功能时，其输出结构如图所

14、示，输出部分采用了一个D触发器，其输出通过选通三态缓冲器送到输出端，构成时序逻辑电路。时序输出结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件3.PAL的特点 提高了功能密度，节省了空间。提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。有上电复位功能，可以防止非法复制。PAL的主要缺点是由于它采用双极型熔丝工艺（PROM结构），只能一次性编程，因而使用者仍要承担一定的风险。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件三、通用阵列逻辑(GAL)1.GAL器件的基本结构 GAL的基本结构的基本结构 如图6.25所示。GAL器件的基本结构包括输入缓

15、冲电路、可编程的“与阵列”，固定的“或阵列”，可编程的输出电路输出逻辑宏单元(OLMC)和输出三态缓冲器等五个部分组成。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2.GAL16V8芯片的基本结构 GAL16V8是20脚器件，型号标记中16表示输入端有16个引脚，8则表示OLMC有8个，最多有8个引脚作为输出端。器件的逻辑结构图和引脚图分别如图所示。GAL16V8的逻辑结构框图的逻辑结构框图 GAL16V8的引脚图第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件3.GAL16V8输出逻辑宏单元(OLMC)GAL16V8的每一个输出端对应一个输

16、出逻辑宏单元，输出逻辑宏单元结构如图6.27所示，它包含四个部分：输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元(OLMC)的结构的结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6.6 FPGA(现场可编程门阵列)一、FPGA器件的基本结构 XC4000系列的FPGA器件采用了CMOS SRAM编程技术，器件的基本结构如图所示。XC4000系列系列FPGA基本结构基本结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件二、CLB(可编程逻辑模块)CLB是FPGA的重要组成部分，多个CLB以二维阵列的形式分布在器件的中部。XC4000系列的CLB结构如图(a)

17、所示。(a)FPGA器件器件XC4000系列的系列的CLB结构结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件三、IOB(可编程I/O)IOB分布在FPGA器件的四周，先提供了器件外部引出端和内部逻辑之间的连接，其结构如图所示。XC4000的的IOB结构结构第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件四、PIR(可编程内部连线资源)遍布器件内部的可编程互连资源PIR，可以将器件内部任意两点连接起来，能将FPGA中数目很大的CLB和IOB连接成各种复杂的数字系统。PIR主要由纵横分布在CLB阵列之间的金属线网络和位于纵横线交叉点上的可编程开

18、关矩阵PSM组成。1.通用单双长线连接它主要用于CLB之间的连接，在这种结构中，任意两点间的连接都要通过开关矩阵PSM。2.全局连接全局连线主要用于传送一些公共信号如全局时钟信号、公用制信号。3.长线连接 长线主要用于长距离或多分支信号的传送。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件本章小结 1.半导体存储器主要用于计算机的程序或数据的存储，它分为ROM和RAM两种。RAM是随机存取存储器，它的读写速度很高，它分为动态(DRAM)和静态(SRAM)两种。DRAM是靠寄生电容存储信息，需要定时刷新，否则信息会丢失。DRAM的功耗小，结构简单，在容量大的计算机中被广

19、泛应用。SRAM主要用于存储容量小的微型机中。PROM是(可编程只读存储器)，可用来存储程序、固定数据，这些程序及数据以二进制码的形式事先存入PROM中，断电时它们不会丢失，在使用时只供读出，而不能随时写入，故称为可编程只读存储器。若能多次擦除多次编程的ROM称为EPROM(可擦除可编程只读存储器)，能快速擦除快速写入信息的ROM称为Flash(快省存储器)。第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 2.PROM、EPROM除了存储数据外，还可以编程逻辑函数，具有这种可编程逻辑函数功能的器件还包括PLA、PAL和GAL等。PLA主要由与阵列、或阵列构成，两个阵列

20、都是可编程的。PAL则由可编程的与阵列、固定的或阵列和输出电路三部分构成，与阵列采用双极型熔丝结构。GAL由与阵列、或阵列和输出逻辑宏单元三部分组成，GAL是采用E2CMOS工艺制造，可多次进行改写，使用方便，借助开发的硬件和软件，可以用GAL实现所有中、小规模数字集成器件。PAL的功能不如GAL，但是读写速度比GAL高。3.可编程逻辑器件PLD按照有无寄存功能分为组合PLD和时序PLD两类。按照电路结构的不同，则有PLA和PGA型两大类。即 PAL(可编程阵列逻辑)PLA FPLA(现场可编程逻辑阵列)寄存PLD GAL(含ISPGAL)(通用阵列逻辑)PGA(FPGA)(现场可编程门阵列，

21、在线可编程逻辑器件)第第6 6章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件 目前用得最多的是GAL器件和FPGA器件。PLD器件，尤其是FPGA器件的显著优点是：高速度(ns级)，高可靠性，且具有加密功能，不易被人仿冒制作，具有无限次编程的能力，且高密度集成(1百万门片的芯片正在推出)，体积小，功能强大，易学易用，开发周期短，投资费用低。4.PLD器件的发展方向是更高(密度)，更强(功能)和更加方便的在线可编程，并将大部分电子设计领域如MCU(微控单元)、MPU(微处理单元)、DSP(数字信号处理)、AD或DA等，以软硬核形式“四合一”于PLD器件之中，这样无疑会给电子设计理念带来重大变化。