第11章半导体存储器和可编程逻辑器件.ppt

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1、第第11 11章章 半导体存储器和可编程逻半导体存储器和可编程逻辑器件辑器件11.1 存储器存储器随机存储器（Random Access Memory RAM）半导体存储器能存储大量二值信息，是数半导体存储器能存储大量二值信息，是数字系统不可缺少的部分字系统不可缺少的部分,半导体存储器是半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件，一种能存储大量二值信息的半导体器件，是数字系统和电子计算机的重要组成部分，是数字系统和电子计算机的重要组成部分，其功能是存放数据、其功能是存放数据、指令等信息。指令等信息。只读存储器（Read-Only Memory ROM）11.1.1 存储器基本概念11.1

2、.2 存储器分类按按存存取取功功能能可编成逻辑器件(PLD)半导体存储器ROMEPROM快闪存储器PROME2PROM可编程ROMRAMSRAMDRAM按存取方式来细分：固定ROM（又称掩膜ROM）可编程逻辑器件（PLD):现场可编程门阵列复杂可编程逻辑器件高密度可编程逻辑器件简单可编程逻辑器件SPLD：PROM、FPLA、PAL、GAL由制造工艺分：由制造工艺分：v双极型vMOS型由应用类型分：由应用类型分：v通用型v专用型11.2 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)随机存取存储器简称RAM（Random Access Memory)，又叫读/写存储器。使用RAM时能随机从任一指定地址读

3、出（取出）数据或写入（存入）数据。它读、写方便，但一旦断电，所存储的数据也随即丢失，因此不利于数据的长期保存。RAM的结构如图7.3.1所示。下面分别予以介绍。图7.3.1 RAM的结构框图 存储器组成：存储矩阵，地址译码器和存储器组成：存储矩阵，地址译码器和输入输入/输出控制电路。输出控制电路。它有它有3类信号线：地址线、数据线和控制线。类信号线：地址线、数据线和控制线。11.2.1 11.2.1 存储矩阵存储矩阵一个存储器由许多存储单元组成,每个存储单元存放1位二值数据.存储器以字为单位1个字所含位数称字长.字数字长乘积表示存储器容量1024个存储单元排列成 3232的矩阵，图中的每个方块

4、代表一个二进制存储单元。11.2.2 11.2.2 地址译码地址译码A、地址：通常、地址：通常RAM以字为单位进行数据的读出与以字为单位进行数据的读出与写入（每次写入或读出一个字），为了区别各个不同写入（每次写入或读出一个字），为了区别各个不同的字，将存放同一个字的存储单元编为一组，并赋于的字，将存放同一个字的存储单元编为一组，并赋于一个号码，称为地址。字单元也称为地址单元。一个号码，称为地址。字单元也称为地址单元。B、地址单元的个数、地址单元的个数N与二进制地址码的位数与二进制地址码的位数n满足满足关系式：关系式：N=2n.地址的选择通过地址译码器来实现。在大容量的RAM中，通常采用双译码结

5、构，即将输入地址码分为两部分译码，形成行译码器和列译码器。行、列译码器的输出即为存储矩阵的行线和列线，由它们共同确定欲选择的地址单元。256=28,需8根地址线地址线A0A4是行译码器输入，译码后输出32根行选择线X0X31A5A7是列译码器输入，译码后输出8根列选择线Y0Y7。大容量的存储系统一般由若干片 RAM组成。但在读写操作时通常仅与其中的一片或几片传递信息，RAM的片选和读写控制电路就是为此设置的。11.2.3 片选与读写控制电路11.2.4 11.2.4 存储单元存储单元RAM的存储单元分静态和动态两种，相应的RAM也被分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。1）静

6、态存储单数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能永久保存。2）动态RAM存储单元：动态RAM存储数据的原理是基于MOS管栅极电容的电荷存储效应静态RAM:优点:数据由触发器记忆,只要不断电,数据就能永久保存。缺点:存储单元所用的管子数目多,功耗大,集成度受到限制。动态RAM:优点:存储单元所用的管子数目少,功耗小,集成度高。缺点:为避免存储数据的丢失,必须定期刷新。11.3 只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器(ROM,Read Only Memory）为数据非易失性器件，即可先把信息或数据写入到存储器中。在正常工作时它存储的数据只能读出，不能随时写入，如所使用的电源突然切断，它存储的数据

7、也不会丢失。特点：只能读出，不能写入；存储的数据不会因断电而消失，具有非易失性。字线位线 按“字”存放、读取数据，每个“字”由若干个存储单元组成，即包含若干“位”。字的位数称为“字长”。存储器的容量字数位数2nm位 ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，其基本结构如图所示。11.3.1 ROM结构及工作原理二极管ROM结构图 2.二极管ROM字线位线 制作芯片时，若在某个字中的某一位存入“1”，则在该字的字线与位线之间接入二极管，反之，就不接二极管。“1”ROM的数据表 地地 址址 数数 据据 A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 10 1 1

8、11 1 1 00 1 0 1地址译码器实现地址码的与运算，每条字线对应一个最小项。存储矩阵实现字线的或运算。11.3.2 11.3.2 可编程只读存储器可编程只读存储器 1.PROM用户能在特定条件下按自己的需要进行一次性编程的 ROM叫做PROM（Programmable Read Only Memory）可编程只读存储器可编程只读存储器。PROM具有熔丝结构，它的编程方法称为熔丝编程。UCC字线Wi位线Di熔丝 用户对PROM编程是逐字逐位进行的。首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，然后通过规定宽度和幅度的脉冲电流，将该存储管的熔丝熔断，这样就将该单元的内容改写了。2.EPROME

9、PROM（Erasable Programmable Read Only Memory）擦可除可编程存储器擦可除可编程存储器,允许对其存储的数据进行反复修改3.电擦除存储器（电擦除存储器（E2PROM)E2PROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）的主要特点是既可以在线改写，又能在断电情况下保存数据4.FLASH这是20世纪80年代问世的新一代电擦写可编程ROM，简称闪存。它结构简单，编程可靠，擦写快速，集成度高，ROM的种类与特点的种类与特点 可编程逻辑器件的发展70年代初期的PLD 主要是可编程只读存储器(PROM)和

10、可编程逻辑阵列(PLA)。在PROM中，与门阵列是固定的，或门阵列是可编程的；器件采用熔断丝工艺，一次性编程使用。PLA（可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列）结构：组合和时序电路。）结构：组合和时序电路。70年代末期的PLD 出现了可编程阵列逻辑(PAL)器件。在PAL器件中，与门阵列是可编程的，或门阵列是固定连接的，它有多种输出和反馈结构，为数字逻辑设计带来了一定的灵活性。但PAL仍采用熔断丝工艺，一次性编程使用。PAL（可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑）结构：可编程的与门阵列和固）结构：可编程的与门阵列和固定连接的或门阵列。定连接的或门阵列。11.4 11.4 可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD

11、PLD）80年代中期的PLD 通用阵列逻辑(GAL)器件问世，并取代了PAL。GAL器件是在PAL器件基础上发展起来的新一代器件。和PAL一样，它的与门阵列是可编程的，或门阵列是固定的。但由于采用了高速电可擦CMOS工艺，可以反复擦除和改写，很适宜于样机的研制。它具有CMOS低功耗特性，且速度可以与TTL可编程器件相比。特别是在结构上采用了“输出逻辑宏单元”电路，为用户提供了逻辑设计和使用上的较大灵活性。GAL（通用阵列逻辑通用阵列逻辑）结构：一个与门阵列、一个）结构：一个与门阵列、一个或门阵列以及一个输出逻辑宏单元。或门阵列以及一个输出逻辑宏单元。80年代中后期的PLD 80年代后期问世的F

12、PGA(现场可编程门阵列现场可编程门阵列)器件器件，FPGA属于较高密度的PLD器件。FPGA的基本结构有两类：一类是在PAL基础上加以改进和扩展形成的；另一类是逻辑单元型，逻辑单元之间是互联阵列。这些资源可由用户编程。CPLD(复杂可编程逻辑器件)FPGA(现场可编程门阵列)PLDPLD的分类及特点的分类及特点PROM-可编程存储器PLA-可编程逻辑阵列PAL-可编程阵列逻辑GAL-通用可编程阵列逻辑FPGA-现场可编程门阵列PLDPLDPLD的分类及特点的分类及特点 只读存储器(ROM)有掩模式ROM，PROM，EPROM，E2PROM，EAROM，FLASH等形式，是非易失性存储器。这类

13、存储器可靠性高，一般用来存放固定的程序或数据。现场可编程逻辑阵列(FPLA)的与阵列和或阵列均可编程，可以实现组合逻辑和时序逻辑。可编程阵列逻辑(PAL)的结构和FPLA相似，也由与阵列及或阵列两部分组成，其中与阵列可编程，或阵列固定。通用阵列逻辑(GAL)是80年代中期在PAL的基础上发展起来的器件，GAL器件是一种电擦除的可编程器件，特别适合于研制开发阶段使用。PLDPLD的分类及特点的分类及特点 现场可编程门阵列(FPGA)是90年代中后期发展起来的一种可编程的大规模集成器件，它既有门阵列的结构和性能，又具有现场可编程的特点，而且可以反复地擦除和重新编程，适用于ASIC的研制。FPGA的体系结构核心是可组态的逻辑块。PLD器件自20世纪70年代发明以来，从熔丝型到光擦除型；到80年代又发展成为点擦除型；到90年代则进一步发展成为在系统编程型。