第12章存储器和可编程逻辑器件课件.ppt

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1、第12章存储器和可编程逻辑器件,这类电路的特点：器件密度高，逻辑功能可由软件配置，用它所构成的数字系统硬件规模小，系统灵活性高。,缺点：工作速度不够高，另外，这类芯片一般要用多片标准集成电路构成外围电路才能工作。,3）专用集成电路（ASIC)Application Specific Integrated Circuit,ASIC是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，密度高，ASIC芯片能取代由若干个中小规模电路组成的电路板，甚至一个完整的数字系统,ASIC分类：ASIC属用户定制电路。（Custom Design IC).包括全定制和半定制两种。,全定制（Full custom

2、design IC):半导体生产厂家根据用户的特定要求专门设计并制造。,特点：生产周期长，费用高，风险大。在大批量定型产品中使用。,半定制（Semi-custom design IC):半导体生产厂家设计并制造出的标准的半成品芯片。,半定制电路分类：,门阵列（Gate Array),在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它整齐地排成阵列，这种半成品芯片称为母片。母片可由厂家大批量生产。,当用户需制作满足特定要求的ASIC芯片时，可根据设计要求选择母片，由用户或厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家经过金属连线等简单工艺，制成成品电路。,缺点：用户主动性差，使用不方便。,特点：周期较短，成本

3、较低，风险小。,可编程逻辑器件(PLD)(Programmable Logic Device),芯片上的电路和金属引线由半导体厂家做好，其逻辑功能由用户开发实现。,特点：集成度高，速度快，灵活性好，可重复编程。电路设计方便，风险低。,1.PLD器件的连接表示方法,2.门电路表示法,3.阵列图,12.2 存储器,存储器是一种通用大规模集成电路,用来存放程序和数据.,存储器分类:1)只读存储器(ROM)2)随机存取存储器(RAM),12.2.1 ROM(Read-Only Memory),ROM存放固定信息,只能读出信息,不能写入信息.当电源切断时,信息依然保留.,1.ROM的结构,地址译码器为二

4、进制译码器,即全译码结构.(地址线为n根,译码器输出为2n根字线,说明存储阵列中有2n个存储单元),2)存储阵列输出有m根位线,说明每个存储单元有m位,即 一个字有m位二进制信息组成.每一位称为一个基本存 储单元.,3)存储器的容量定义为:字数位数(2nm).,一个二极管ROM的例子,A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0,W0W3为地址译码器的输出 Wi=mi(mi为地址码组成 的最小项）,当A1A0=00时，W0=1,F0F1F2F3=0100(一个字）；当A1A0=01时，W1=1,F0F1F2F3=100

5、1(一个字）；当A1A0=10时，W2=1,F0F1F2F3=0110(一个字）；当A1A0=11时，W3=1,F0F1F2F3=0010(一个字）。,将地址输入和Fi之间的关系填入真值表得：,ROM实际是一种组合电路结构。,阵列图,与阵列：表示译码器。,或阵列：表示存储阵列。,存储容量为：44,2.可编程只读存储器,用户可根据需要自行进行编程的存储器.,1)PROM(Programmable Read-Only Memory),PROM为能进行一次编程的ROM，PROM的结构和ROM基本相同,只是在每个存储管上加一根易熔的金属丝接到相应的位线.,当在该位上需要存0时,通过编程,烧断熔丝;当需

6、存1时,保留熔丝.,编程为一次性的,烧断的熔丝不能再接上.,2)EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory),EPROM为可擦除、可重新编程的只读存储器.擦除用专用的紫外线灯照射芯片上的受光窗口.,EPROM器件的基本存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管(简称FAMOS管)电路.,原始状态的浮栅不带电荷,FAMOS管不导通,位线上为高电平.当FAMOS管的源极S与衬底接地电位,漏极接高电位(较大)时,漏极的PN结反向击穿产生雪崩现象,使FAMOS导通.位线为低电位.如用紫外线或者X射线照射FAMOS管,可使栅极放电,FAMOS恢复到截止状态.,一个EP

7、ROM芯片：Intel 2716,VPP是编程写入电源输入端。,容量：2K8位,3）E2PROM(电可擦可编程只读存储器）,特点：编程和擦除均由电完成；既可整片擦除，也可使某些存储单元单独擦除；重复编程次数大大高于EPROM.,3.PROM的应用,1)实现组合逻辑函数,用PROM实现组合逻辑函数,实际上是利用PROM中的最小项,通过或阵列编程,达到设计目的.,F1(A,B,C)=m(1,5,6,7),F2(A,B,C)=m(0,1,3,6,7),F3(A,B,C)=m(3,4,5,6,7),例:用PROM实现逻辑函数:,2)存放数据表和函数表:例如三角函数、对数、乘法等表 格。,3）存放调试好

8、的程序。,*2）、3）是PROM的主要用途。,12.2.2 随机存取存储器(RAM),RAM可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何指定的存储单元.,RAM在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等.,RAM按工艺分类：1）双极型；2）场效应管型。,场效应管型分为：1）静态；2）动态。,1.RAM的结构,2.RAM的存储单元,静态RAM的基本存储单元(以六管NMOS静态存储单元为例),2)动态RAM的基本存储电路,动态RAM的基本存储电路由动态MOS基本存储单元组成。动态MOS基本存储单元通常利用MOS管栅极电容或其它寄生电容的电荷存储效应来存储信息。

9、,电路结构（以单管动态存储单元为例）,写信息：字选线为1，T导通，数据D经T送入CS.,读信息：字选线为1，T导通，CS上的数据经T送入位线的等效电容CD.,特点：1）当不读信息时，电荷在电容CS上的保 存时间约为数毫秒到数百毫秒；,2）当读出信息时，由于要对CD充电，使 CS上的电荷减少。为破坏性读出。,3）通常在CS上呈现的代表1和0信号的电平 值相差不大，故信号较弱。,结论：1）需加刷新电路；,2）输出端需加高鉴别能力的输出放大器。,3）容量较大的RAM集成电路一 般采用单管电 路。,4）容量较小的RAM集成电路一 般采用三 管或四 管电路。多管电路结构复杂，但外围电路简 单。,3)RA

10、M容量的扩展,位扩展,将2114扩展为1K8位的RAM,字扩展,将2114扩展为2K4位的RAM,12.3 可编程逻辑器件（PLD),PLD是ASIC的一个重要分支。PLD包括PLA、PAL、GAL和EPLD、FPGA等。,PLD具有集成度高，速度快，保密性好，可重复编程等特点。,根据与、或阵列的可编程性，PLD分为三种基本结构。,1）与阵列固定，或阵列可编程型结构,PROM属于这种结构。,2）与、或阵列均可编程型结构,PLA(Programmable Logic Array)属于这种结构。,特点：与阵列规模大，速度较低。,特点：速度快，设计逻辑函数可采用最简结构，芯片内部资源利用率高。但编程

11、难度大，缺乏质高价廉的开发工具。,3）或阵列固定，与阵列可编程型结构,PAL(Programmable Array Logic)属于这种结构。,该结构称为PAL结构。,特点：速度快，费用低，易于编程。当前许多PLD器件都 采用这种结构。,12.3.1 可编程阵列逻辑(PAL),PAL的基本结构,实际产品中,构成输出的乘积项可达8个.,1.PLA的输出结构,PAL的与阵列结构类同.但输出结构有多种:,1)组合输出型(这种结构适用于实现组合逻辑电路),专用输出结构,共有三种形式:高输出有效;低输出有效;互补输出.,本例为低输出有效,可编程I/O结构,2)寄存器输出型,寄存器输出型结构,内含触发器,

12、适应于实现时序逻辑电路.,寄存器输出结构,带异或门的寄存器输出结构,算术运算反馈结构,PAL的结构代码,用PAL实现22乘法器（输入A1A0和B1B0分别为两位二进制数，输出为结果F3F2F1F0的反码。,逻辑方程为：,设计采用PAL16L8,2.PAL应用举例,3.PAL器件的性能特点,逻辑功能由用户定义，用可编程方法代替常规 设计方法；,编程容易，开发简单，简化了系统设计和布线 过程；,器件密度大，可代替多片中小规模标准数字集成电路，比用常规器件节省空间；,器件传输延迟小，工作频率高，有利于提高系统的工作速度；,具有可编程的三态输出，管脚配置灵活，输入输出管脚数量可变；,具有加密功能，有利

13、于系统保密；,采用多种工艺制造，可满足不同系统不同场合的各种需要。,12.3.2 通用阵列逻辑(GAL),GAL器件继承了PAL、PROM等器件的优点，克服了原有PAL器件的不足,是现代数字系统设计的理想器件.,1.GAL基本结构,GAL基本结构和PAL大致类似,只是在输出结构上作了重要改进.,OLMC结构,AC0、AC1(n)及XOR(n)均为GAL器件片内控制字中的结构控制位。结构控制字共有82位，不同的控制内容，可使OLMC被配置成不同的功能组态。,控制字的内容是在编程时由编程器根据用户定义 的管脚及实现的函数自动写入的。,2.GAL的主要特点,通用性强,100%可编程,速度高,功率低,100%可测试,