数字电路逻辑设计第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件ppt课件.pptx

数字电路逻辑设计,1,第7章半导体存储器和可编程逻辑器件,7.1 半导体存储器7.1.1 半导体存储器的类型、特点和技术指标7.1.2 顺序存储器（SAM）7.1.3 只读存储器（ROM）7.1.4 随机存储器（RAM）7.2 可编程逻辑器件7.2.1 PLD的基本结构7.2.2 可编程逻辑阵列（PLA）7.2.3 可编程阵列逻辑（PAL）7.2.4 通用阵列逻辑（GAL）7.2.5 现场可编程阵列（FPGA）,2,7.1 半导体存储器,7.1.1半导体存储器的类型、特点和技术指标7.1.2顺序存储器（SAM）7.1.3只读存储器（ROM）7.1.4随机存储器（RAM）半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模 集成电路。它具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低廉、 存储速度快、外围电路简单且易于接口、便于自动化批量生 产等特点。半导体存储器主要用于电子计算机和某些数字系统中， 用来存放程序、数据、资料等。因此，半导体存储器就成了 这些数字系统不可缺少的组成部分。,3,7.1.1 半导体存储器的类型、特点和技术指标,表7-1 半导体存储器的类型和特点（P258）,4,7.1.1 半导体存储器的类型、特点和技术指标,表7-2 半导体存储器的技术指标（P259）,5,7.1.2 顺序存储器（SAM）,顺序存储器（P259）SAM（Sequential Access Memory）由动态移存器组 成；动态移存器由动态移存单元串接而成；动态移存单元由 两个传输门和CMOS反相器串接而成。动态移存器电路简单，适合大规模集成。它利用MOS 管栅极和源级（基片）之间的电容（栅电容）来暂存信息。 由于MOS管的输入电阻极大，在栅电容上冲入电荷后，电荷 经输入电阻的自然泄漏（放电）比较缓慢，至少可以保持几 毫秒，如果移位脉冲（CP）的周期在微秒数量级，则在一 个周期内栅电容上的电荷基本不变，栅极电位也基本不变。 若长时间没有移位脉冲的推动，存放在栅电容上的二值信息 就会随着电荷的泄漏而消失。因此，它只能在移位脉冲的推 动下，也就是在动态中运用。故称它为动态移存器。,2.5 CMOS门电路,CMOS反相器（P66）,A 0V,VGSN 0 VGS(th)N,截止,GSP,DD,DD,GS(th)P,V, A V, V V,导通,S D D S,Roff,on,R,VDD,F,Ron Roff,DD,DD,offon,Roff,F ,V V,R R,6,2.5 CMOS门电路,CMOS反相器（P66）,DD,AV,VGSN A 0 VDD VGS(th)N,导通,GSP,DD,GS(th)P,V A V, 0 V,截止,S D D S,Ron,off,R,VDD,F,Ron Roff,DD,offon,Ron,F ,V 0V,R R,7,7.1.2 顺序存储器（SAM）,动态CMOS反相器（P259）,TG,CP,CP,G,G,S,D D,S,VC,VT2,VT1,vO,vI,C,R,图7-1 动态CMOS反相器,为了长期保持C上的1 信号，需要每隔一定 时间对C补充一次电 荷，使信号得到“再 生”，通常称这一操 作过程为“刷新”。CP周期不能太长，一 般要小于1ms。动态CMOS反相器能 够暂存信息，并且在 不断刷新的前提下， 长期储存信息。,8,7.1.2 顺序存储器（SAM）,动态CMOS移存单元（P259）,In,TG1,CP,CP,G,G,S,D D,S,VC,VT1,VT2,C1,TG2,Out,CP,CP,G,G,S,D D,S,VC,VT3,VT4,C2,图7-2 动态CMOS移存单元主动态CMOS反相器从动态CMOS反相器1位,9,10,In,TG1,CP,CP,G,G,S,D D,S,VC,VT1,VT2,C1,TG2,Out,CP,CP,G,G,S,D D,S,VC,VT3,VT4,C2,图7-2 动态CMOS移存单元当CP1时，主动态反相器接收信息；从动态反相器保持原 存信息。当CP0时，主动态反相器保持原存信息；从动态反相器跟 随主动态反相器变化。,经过一个CP的推动，数据即可向右移动一位。,7.1.2 顺序存储器（SAM）,1024位动态移存器（P259）,0,1,2,1023,串入,串出,CPCP,图7-3 1024位动态移存器1位动态移存单元,11,图7-4 10241位FIFO型SAM,7.1.2 顺序存储器（SAM）,10241位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）,片选0,封锁,封锁,封锁,开放,工作方式：循环刷新,12,图7-4 10241位FIFO型SAM,7.1.2 顺序存储器（SAM）,开放,封锁,开放,10241位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片 选 1 写/循环1封锁,读0,工作方式：写入,13,图7-4 10241位FIFO型SAM,7.1.2 顺序存储器（SAM）,开放,开放,开放,10241位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片 选 1 写/循环1封锁,读1,工作方式：写入读取,14,图7-4 10241位FIFO型SAM,7.1.2 顺序存储器（SAM）,封锁,封锁,封锁,10241位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片 选 1 写/循环0开放,读0,工作方式：循环刷新,15,图7-4 10241位FIFO型SAM,7.1.2 顺序存储器（SAM）,封锁,开放,封锁,10241位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片 选 1 写/循环0开放,读1,工作方式：读取循环刷新,16,7.1.2 顺序存储器（SAM）,10241位FILO（First-In-Last-Out）型SAM（P260）,读/写0,工作,截止,SL/SR0,图7-5 10241位FILO型SAM,17,7.1.2 顺序存储器（SAM）,10241位FILO（First-In-Last-Out）型SAM（P260）,读/写1,截止,工作,SL/SR1,图7-5 10241位FILO型SAM,18,19,7.1.3 只读存储器（ROM）,只读存储器（P261）只读存储器简称ROM（Read Only Memory），它是各种存 储器中结构最简单的一种。ROM是一种固定存储器，它把需要长期存放的程序、表格、 函数以及常数、符号等数据固定于这种存储器内，所存内容在断 电时也不丢失，具有非易失性。正常工作时只能读出，不能写入。ROM可分为：固定ROM可编程ROM（PROM）： Programmable Read Only Memory可擦除可编程ROM（EPROM）： Erasable Programmable Read Only Memory电可擦可编程ROM（EEPROM，E2PROM）： Electronics,Erasable Programmable Read OnlyMemory,20,7.1.3 只读存储器（ROM）,1、固定ROM（P261）固定ROM又称为掩模ROM，这种ROM出厂时其内部 存储的信息由生产厂家采用掩模工艺固化在里面（即厂家编 程）。它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存 放固定数据、固定程序和函数表等。,21,7.1.3 只读存储器（ROM）,1、固定ROM（P261）,图7-6 ROM的基本结构,字线,位线,存储容量：2nm 位,22,地 址 译 码 器,W0,W1,W2,W3,存储矩阵,R,RRR,A1,0,A,输出缓冲器,三态控制,DDDD3210,D3D2D1D0图7-7 44位二极管固定ROM（P262）,44位二极管固定ROM（P262）,表7-3 44位ROM数据表,W 0W 1,2,W,W 3,R图7-8 二极管或门,23,3,D,2,D W W30,21,2,3,0,2, W0 A1 A0, D0 W0 W1 W3, D1 W1 W2, W1 A1 A0,D W W W, W2 A1 A0, D W W,3, W3 A1 A0,1,1,A,1,0,A,1,D3,1,1,D2D1,1,D0,W0 W1 W2 W3,图7-9 图7-7所示ROM的与或阵列图,24,7.1.3 只读存储器（ROM）,2、可编程ROM（PROM）（P262）PROM在出厂时，存储的内容为全 0（或全 1），用户 根据需要，可将某些单元改写为 1（或0）。这种ROM采用 熔丝或PN结击穿的方法编程，由于熔丝烧断或PN结击穿后 不能再恢复， 因此PROM只能改写一次。,图7-10 熔丝型PROM的存储单元,Wi,Di,V1V2,Di,Wi,25,(a)(b)图7-11 PN结击穿法PROM的存储单元,26,7.1.3 只读存储器（ROM）,3、可擦除的可编程ROM（EPROM）（P263）EPROM利用浮栅MOS管进行编程，ROM中存储的数 据可以进行多次擦除和改写。最早出现的是用紫外线照射擦 除 的 EPROM（Ultra-Violet Erasable Programmable Read- Only Memory, 简称UVEPROM）。随后出现了用电信号可 擦除的可编程ROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM或E2PROM）。近年来 已广泛使用的快闪存储器（Flash Memory）也是一种用电信 号擦除的可编程ROM。目前用紫外线照射擦除的EPROM已 被EEPROM和FLASH所代替。,7.1.3 只读存储器（ROM）,EPROM的存储单元,W,i,Yj,位 线,N,N,P型硅衬底,SD,G,控制栅,浮栅,SiO,2,叠层栅MOS管图7-12 EPROM的存储单元结构,27,28,7.1.3 只读存储器（ROM）,EPROM的存储单元编程在漏源极间加高压（+25V），沟道内形成雪崩击穿，而 控制栅加正脉冲（ 25V/50ms），吸引部分高能电子穿透SiO2绝缘层，被浮栅俘获并聚集于浮栅，当去掉高压电源 后，由于包围浮栅的SiO2的高绝缘性能，被俘获电子难以泄漏并将长期保存，使浮栅带上负电，该负电压的存在，必须 施加比阈值电压VGS(th)更高的控制栅电压才能抵消浮栅上负 电荷的作用，而形成导电沟道。正常工作时5V的控制栅电 压不能再使管子导通，说明该存储单元被长期写入0。如此，可将全部该写0的单元写0，实现用户编程。,7.1.3 只读存储器（ROM）,EPROM的存储单元擦除若要擦除所写入的数据，可将其置于EPROM擦除器产 生的强紫外光照射之下，并持续一定时间（几到十几分钟），浮栅上的电子通过紫外光获得光子能量，而穿透绝缘 层回到衬底中，芯片又恢复到全部存储单元为1的初始状态。 该芯片又可以再一次被用户改写编程（用户多次编程），数 据可保存约10年。为区别于固定ROM，这些可编程单元在 阵列图中的交叉点上用“”表示，而不再用圆点。,Wi,29,Yj,7.1.3 只读存储器（ROM）,EEPROM的存储单元（P263）,图7-13 EEPROM的存储单元,30,31,7.1.3 只读存储器（ROM）,EEPROM的特点（P263）一般EEPROM集成片允许擦写1000100000次，擦写共 需时间几十毫秒左右，数据可保存510年。早期的E2PROM 集成芯片如2815、2817等需用高电压脉冲擦写，一般需用专 用编程器来完成。而新型E2PROM如28l6A、2864A等内部设 置了升压电路、使擦、写、读都在5V电源下进行，不需要编 程器，而是在用户系统中用读写端的逻辑电平来控制，这 种在线改写非常方便，与RAM的读写操作类似，但断电 后不会丢失数据。,32,7.1.3 只读存储器（ROM）,快闪存储器（Flash Memory）（P263）它是新一代电信号擦除的可编程ROM。它不仅吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，而且保留了E2PROM用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。,N,N,P型硅衬底,S,D,G,浮栅,SiO2,Wi,Yj,位 线,D,S,VSS,G,隧道区图7-14 快闪存储器的存储单元,33,7.1.3 只读存储器（ROM）,4、ROM在组合逻辑设计中的应用（P264）ROM除用作存储器外，还可以用来实现各种组合逻辑 函数。因为ROM中的地址译码器实际上是个与阵列，若把 地址端A0An当作逻辑函数的输入变量，则可在地址译码器 的输出端对应产生全部最小项；而存储矩阵是个或阵列，可 把有关最小项相或后获得输出变量，ROM有几个数据输出 端，就可得到几个逻辑函数的输出，所以可以用ROM实现 任何组合逻辑函数。用ROM实现组合逻辑函数的方法很简单，只要列出该 函数的真值表，以最小项相或的原则，即可直接画出存储矩 阵的阵列图。,例1：试用一个ROM实现下列函数1,2, FABCDACABCD, FACDBC,解：,（1） 写出各函数的标准与-或式F1ABCDABCDABCDABCDABCD,34,ABCDABCDABCDABCDm1 m2 m6 m10 m11 m12 m13 m14 m15F2ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCDABCD ABCDABCD ABCDABCD ABCDm0 m1 m3 m7 m8 m9 m10 m11 m12 m13 m14 m15（2） 确定地址和输出,4,输入变量：A、B、C、D 地址：4位, 2 2位ROM,输出函数：F1、F2 输出：2个,EN,（3）画出阵列图A1B1C1D1,W0,W1 W2,W3,W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10W11W12W13 W14W15,1,1,F1,35,F2,6,例2：用PROM构成将4位二进制码转换成循环码的码制转换电路。,解,33,B ( A ),22,B ( A ),11,B ( A ),00,B ( A ),W0 W1W2W3 W,4W5W6 W7 W8W,W,9W10 W11 W12 W1314W15,1,1,1,1,1111地址译码器=与阵列（固定）,37,G3(D3) G2(D2) G1(D1) G0(D0),存储矩阵=或阵列（可编程）Y3Y2Y1Y0,未 编 程 的 164位 P R O M,B3 ( A3 ),B2 ( A2 ),B1 ( A1 ),B0 ( A0 ),Y3Y2Y1Y0,W0 W1W2W3 W4W,5W6W7 W8W9W10 W11 W12 W13 W14 W15,1111,1,1,1,1,编 程 后 的 164位 P R O M,38,G3(D3) G2(D2) G1(D1) G0(D0),39,7.1.3 随机存储器（RAM）,随机存储器（RAM： Random Access Memory ）（266） 随机存储器也称随机存取存储器或随机读 / 写存储器，简称RAM。RAM可以随时从任一指定地址取出（读出）数据，也可以随时将数据存入（写入）任何指定地址的存储单 元中去。其存储单元可以是静态的（触发器），也可以是动 态的（动态MOS存储单元），因此有静态RAM（SRAM： Static Random Access Memory）和动态RAM（DRAM： Dynamic Random Access Memory）之分。优点：读、写方便，使用灵活；缺点：一旦断电数据随之丢失，即数据具有易失性。,7.1.3 随机存储器（RAM）,RAM的基本结构（P266）,图7-15 RAM的基本结构,40,41,2561位RAM示意图,X地 址 译 码 器,A 0,1,A,A 2,3,A,X （0行）,X 15,1,1,1,16,16,1,16,16,行列,位线,位线,0,0,T,0,15,15,T T,15,T,Y（列） Y,Y 地 址 译码器A4A5A6A7,1,1,EN,I / O,CS,R /W,存储矩阵,I/O电路,G 1,3,ENG,G 4,G 5,D,G 2D1EN,42,分析： 2561位RAM,当CS1时，未选中该片,片选端CS,当CS0时，选中该片,读/ 写控制端R / W ,当R / W1时，执行读操作,当R / W0时，执行写操作,表地址码位数与可寻址数关系存储容量：28256（bit） 行地址：A3 A2 A1 A0列地址：A7 A6 A5 A4AB（地址线：Adress Bus）：8根（A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0）DB（数据线：DataBus）：1根（I / O）CB（控制线：ControllBus）：2根（CS、R / W）,43,图7-16 6管CMOS静态存储单元,UCC,4,2,Q,Q,1,3,5,6,7,8,Y,D,D,7.1.3 随机存储器（RAM）,1、静态随机存储器（SRAM）（P266）X,44,7.1.3 随机存储器（RAM）,1、静态随机存储器（SRAM）（P266）采用六管CMOS存储单元的常用SRAM芯片有6116（2K8位）、6264（8K8位）、62256（32x8位）等。 由于采用CMOS构造，使其静态功耗极小，当它们的片选端加入无效电平时，立即进入微功耗保持数据状态，可以保持 原存数据不丢失。因此在交流电源断电时，可用电池供电。,45,7.1.3 随机存储器（RAM）,2、动态随机存储器（DRAM）（P267）动态RAM的存储矩阵由动态MOS存储单元组成。动态MOS存储单元利用MOS管的栅极电容来存储信息，但由于 栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等于0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息的丢失，必须定时 地给电容补充漏掉的电荷，因此DRAM内部要有刷新控制电 路，其操作也比静态RAM复杂。尽管如此，由于DRAM存 储单元的结构常简单，所用元件少，功耗低，所以目前大容 量RAM主要采用动态存储单元结构。,图7-17四管动态MOS存储单元（P268）,46,7.1.3 随机存储器（RAM）,单管动态MOS存储单元（P268）,图7-18单管动态MOS存储单元,47,48,7.1.3 随机存储器（RAM）,4、随机存储器容量的扩展（P268）位扩展：存储器芯片的字长多数为一位、四位、八位 等。当实际的存储系统的字长超过存储器芯片的字长时，需 要进行位扩展。位扩展可以利用芯片的并联方式实现，如图 7-19所示。字扩展：如果一片RAM中的字长够用，但字数不够 时，可用字数扩展方法。字数扩展利用译码器控制RAM片 选输入端来实现，如图7-20所示。,4949,7.1.3 随机存储器（RAM）,位扩展：1K8位的RAM1K16位的RAM（P269）,1024,RAM,AA,AR/WCS,I/O0 7,1024,RAM,AA,AR/WCS,I/O0 7,AA,AR/WCS,.,.,.,.,I/O0 7,I/O8 15,图7-19RAM位扩展连接法,50,7.1.3 随机存储器（RAM）,字扩展：2568位的RAM 10248位的RAM（P269）,图7-20RAM字扩展连接法,51,7.2 可编程逻辑器件（PLD）,7.2.1 PLD的基本结构7.2.2 可编程逻辑阵列（PLA）7.2.3 可编程阵列逻辑（PAL）7.2.4 通用阵列逻辑（GAL）7.2.5 现场可编程阵列（FPGA）,52,半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部 件，它可分为SAM、RAM和ROM 等几大类。RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断 电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAM和DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容 存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持， 而DRAM则必需定期刷新。RAM结构、特点、扩展、容量。ROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被 读出。根据数据写入方式的不同，ROM又可分成固定ROM和可编程ROM。后者又可细分为PROM、EPROM、E2PROM等，特别是E2ROM可以进行电擦写，已兼有了RAM的特性。ROM结构、特点。从逻辑电路构成的角度看，ROM是由与门阵列（地址译码器）和或 门阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路。ROM的输出是输入最小 项的组合。因此采用ROM构成各种逻辑函数不需化简，这给逻辑设 计带来很大方便。随着大规模集成电路成本的不断下降，利用ROM 构成各种组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。用ROM阵列实 现组合逻辑函数。,第7章半导体存储器小结,53,第7章半导体存储器作业（P290）,7-27-47-57-67-7,