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文档简介
1、第六章 存储器和可编程逻辑器件6.1 半导体存储器6.2 可编程逻辑器件基础6.3 低密度可编程逻辑器件6.4 高密度可编程逻辑器件10/10/20221第六章 存储器和可编程逻辑器件6.1 半导体存储器10/9/6.1 半导体存储器一、概述 半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息的大规模集成电路,是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。半导体存储器ROMEPROM快闪存储器PROME2PROM固定ROM(又称掩膜ROM)可编程ROMRAMSRAMDRAM按存取方式来分:10/10/202226.1 半导体存储器一、概述 半导体存储器是一种能存储6.1 半导体存储器按制造工艺来分:半导体
2、存储器双极型MOS型对存储器的操作通常分为两类:写即把信息存入存储器的过程。读即从存储器中取出信息的过程。两个重要技术指标:存储容量存储器能存放二值信息的多少。单位是位或比特(bit)。1K=210=1024,1M=210K=220。存储时间存储器读出(或写入)数据的时间。一般用读(或写)周期来表示。10/10/202236.1 半导体存储器按制造工艺来分:半导体存储器双极型MOS6.1 半导体存储器二、掩膜只读存储器(ROM)存储的数据不会因断电而消失,具有非易失性。特点: 只能读出,不能写入;1. ROM的基本结构 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
3、。10/10/202246.1 半导体存储器二、掩膜只读存储器(ROM)存储的数据ROM的基本结构 6.1 半导体存储器字线位线 存储单元可以由二极管、双极型三极管或者MOS管构成。每个存储单元可存储1位二值信息(“0”或“1”)。 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”。 每当给定一组输入地址时,译码器选中某一条输出字线Wi,该字线对应存储矩阵中的某个“字”,并将该字中的m位信息通过位线送至输出缓冲器进行输出。存储器的容量字数位数2nm位10/10/20225ROM的基本结构 6.1 半导体存储器字线位线 存储单二极管ROM结构图 6.
4、1 半导体存储器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”10/10/20226二极管ROM结构图 6.1 半导体存储器2.二极管ROM字线ROM的数据表 地 址 数 据 A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 11 0 0 10 1 1 11 1 1 00 1 0 16.1 半导体存储器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。10/10/20227ROM的数据表 地 址 数 据 A1 A0D3 6.1 半导体存储器3.MOS管ROMROM的点阵图“1
5、”“0”10/10/202286.1 半导体存储器3.MOS管ROMROM的点阵图“1”“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进行编程,但只能编程一次。1. 固定ROM(掩模ROM )。厂家把数据“固化”在存储器中,用户无法进行任何修改。使用时,只能读出,不能写入。6.1 半导体存储器二、可编程的只读存储器ROM的编程是指将信息存入ROM的过程。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。熔丝
6、型PROM的存储单元10/10/202292. 一次性可编程ROM(PROM)。出厂时,存储内容全为16.1 半导体存储器3. 紫外线擦除可编程ROM(EPROM)。采用浮栅技术,可通过紫外线照射而被擦除,可重复擦除上万次。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100万次以上。4. 电可擦除可编程ROM(E2PROM)。也是采用浮栅技术,用电擦除,可重复擦写100次,并且擦除的速度要快的多。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
7、功能,可以随时改写。10/10/2022106.1 半导体存储器3. 紫外线擦除可编程ROM(EPROM 6.1 半导体存储器三、随机存取存储器(RAM)断电后存储的数据随之消失,具有易失性。特点: 可随时读出,也可随时写入数据; 根据存储单元的工作原理不同,RAM分为静态RAM和动态RAM。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。10/10/2022116.1 半导体存储器三、随机存取存储器(RAM)断电后
8、存1)SRAM的基本结构1.静态随机存储器(SRAM)SRAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路三部分组成.6.1 半导体存储器SRAM的基本结构 CS称为片选信号。 CS=0时,RAM工作; CS=1时,所有I/O端均为高阻状态,不能对RAM进行读/写操作。R/W称为读/写控制信号。 R/W=1时,执行读操作; R/W=0时,执行写操作。 存储容量字数位数 2nm位10/10/2022121)SRAM的基本结构1.静态随机存储器(SRAM)SRAM2)SRAM静态存储单元6.1 半导体存储器UDDV4V2QQV1V3V5V6V7V8I/OI/O列选线Y行选线X存储单元位线D位线D(a
9、) 六管NMOS存储单元基本RS触发器无论读出还是写入操作,都必须使行选线X和列选线Y同时为“1”.UDDV4V2V6V5V1V3V7V8YI/OI/O位线D位线DX(b)六管CMOS存储单元PMOS管10/10/2022132)SRAM静态存储单元6.1 半导体存储器UDDV4V2Q2.动态随机存储器(DRAM)6.1 半导体存储器V4V3V1V2V7V8YDD位线D位线DC1C2CO1CO2QQ预充脉冲V5V6X存储单元UC1UC2UCC四管动态MOS存储单元 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。
10、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。通常把这种操作称为“刷新”或“再生”。 刷新之间的时间间隔一般不大于 20ms。 动态MOS存储单元有四管电路、三管电路和单管电路等。10/10/2022142.动态随机存储器(DRAM)6.1 半导体存储器V4V3V6.1 半导体存储器V4V3V1V2V7V8YDD位线D位线DC1C2CO1CO2QQ预充脉冲V5V6X存储单元UC1UC2UCC四管动态MOS存储单元写入数据:D=1时,C2充电,写入Q=1;D=0时,C1充电,写入Q=0。X=Y=“1”01101001读出数据:Q=0时,读出D=0;Q=1时,读出D=1;X=Y=“1”1
11、0CO1、CO2预充电0110/10/2022156.1 半导体存储器V4V3V1V2V7V8YDD位线D位线6.1 半导体存储器写入信息时,字线为高电平,VT导通,位线上的数据经过VT存入CS。读出信息时,字线为高电平,VT管导通,这时CS经VT向CO充电,使位线获得读出的信息。这是一种破坏性读出。因此每次读出后,要对该单元补充电荷进行刷新,同时还需要高灵敏度读出放大器对读出信号加以放大。单管动态MOS存储单元字选线位线D(数据线)CO输出电容VTCS存储电容10/10/2022166.1 半导体存储器写入信息时,字线为高电平,VT导通,位6.1 半导体存储器四、存储器容量的扩展位扩展可以用
12、多片芯片并联的方式来实现。 各地址线、读/写线、片选信号对应并联, 各芯片的I/O口作为整个RAM输入/出数据端的一位。1. 位扩展方式增加I/O端个数用10241 位的RAM扩展为10248 位RAM八片10/10/2022176.1 半导体存储器四、存储器容量的扩展位扩展可以用多片芯片6.1 半导体存储器2. 字扩展方式增加地址端个数例:用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM。分析:N=425628,每片有8条地址线;1024210,需要10条地址线; 所以,需要增加2条高位地址线来控制4片分别工作,即需要一个2-4线译码器。字扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选(CS)输入端来
13、实现。 各片RAM对应的数据线、读/写线对应并联; 低位地址线也并联接起来; 要增加的高位地址线,通过译码器译码,将其输出分别接至各片的片选控制端。10/10/2022186.1 半导体存储器2. 字扩展方式增加地址端个数例:用6.1 半导体存储器用2568 位的RAM扩展为10248 位RAM的系统框图10/10/2022196.1 半导体存储器用2568 位的RAM扩展为1024 自20世纪60年代以来,数字集成电路已经历了从SSI、 MSI、LSI到VLSI的发展过程。数字集成电路按照芯片设计方法的不同大致可以分为三类: 通用型中、 小规模集成电路; 用软件组态的大规模、 超大规模集成电
14、路, 如微处理器、 单片机等; 专用集成电路(ASIC-Application Specific Integrated Circuit)。 ASIC是一种专门为某一应用领域或为专门用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路,它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上, 构成单片集成系统。 6.2 可编程逻辑器件基础一、PLD发展概况10/10/202220 自20世纪60年代以来,数字集成电路已经历了从SSI1. PLD连接的表示6.2 可编程逻辑器件基础二、PLD电路的表示方法 PLD的输入、反馈缓冲器都采用了互补输出结构。输出缓冲器一般为三态输出缓冲器。 2. 缓冲器的表示断开编程连接
15、固定连接(硬连接)10/10/2022211. PLD连接的表示6.2 可编程逻辑器件基础二、PLD电3. 与门及或门的表示6.2 可编程逻辑器件基础1ABCYYA B CYA B C&ABCYYA B CABP1=0P2=0P3=1与门的缺省状态“悬浮1”状态10/10/2022223. 与门及或门的表示6.2 可编程逻辑器件基础1AYY与阵列Y1Y2或阵列AB与阵列Y1Y2或阵列4. 与或阵列图6.2 可编程逻辑器件基础 任一组合逻辑函数都可用“与或”式表示,即任何组合逻辑函数都可以用一个与门阵列与一个或门阵列来实现。如:标准画法简化画法10/10/202223与阵列Y1Y2或阵列AB与阵
16、列Y1Y2或阵列4. 与或阵列图 低密度可编程逻辑器件的集成密度小于每片700 个等效门,它主要包括PROM、PLA、PAL和GAL四种器件。 6.3 低密度可编程逻辑器件PLD基本结构类型 阵 列 输 出 方 式 与 或 PROM PLA PAL GAL 固定 可编程 可编程 可编程 可编程 可编程 固定 固定 固定固定固定可编程四种PLD的结构特点 10/10/202224 低密度可编程逻辑器件的集成密度小于每片700 个等效一、可编程只读存储器PROM 6.3 低密度可编程逻辑器件与阵列(固定)D2D1D0或阵列(可编程)A2A1A0完全译码阵列实现组合逻辑函数:将函数写为最小项之和形式
17、,将对应的与项或起来即可。容量与门数或门数 2nm利用效率低。10/10/202225一、可编程只读存储器PROM 6.3 低密度可编程逻辑器件与6.3 低密度可编程逻辑器件例:试用PROM实现4位二进制码到Gray码的转换。转换真值表与阵列或阵列A2A1A0A3D2D1D0D310/10/2022266.3 低密度可编程逻辑器件例:试用PROM实现4位二进制码6.3 低密度可编程逻辑器件二、可编程逻辑阵列PLA 与阵列(可编程)A2A1A0D2D1D0或阵列(可编程)实现组合逻辑函数:将函数化简为最简与或式,将对应的与项或起来即可。容量与门数或门数 制造工艺复杂。10/10/2022276.
18、3 低密度可编程逻辑器件二、可编程逻辑阵列PLA 与阵列与阵列或阵列A3A2A1A0D3D2D1D06.3 低密度可编程逻辑器件例:试用PLA实现4位二进制码到Gray码的转换。解:利用卡诺图化简得最简与或式:10/10/202228与阵列或阵列A3A2A1A0D3D2D1D06.3 低密度可时序型PLA基本结构图 6.3 低密度可编程逻辑器件 PLA的与或阵列只能构成组合逻辑电路,若在PLA中加入触发器则可构成时序型PLA,实现时序逻辑电路。与阵列或阵列X1Xn触发器Z1ZmW1WlQkQ110/10/202229时序型PLA基本结构图 6.3 低密度可编程逻辑器件 1 1 1 0 0 0
19、0 1 01 0 0例:试用PLA和JK触发器实现2位二进制可逆计数器。当X=0时,进行加法计数;X=1时,进行减法计数。 6.3 低密度可编程逻辑器件解:X为控制信号,Y为进位(借位)输出信号。X/YQ2Q10011100/01/01/11/01/00/00/10/0010 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 0 1 0 11 1 01 1 10 1 0 1 0 0 1 1 00 0 1画状态图列状态转移表10/10/2022301 1 1 0 求状态、驱动和输出方程6.3 低密度可编程逻辑器件比较得驱动方程:10/10/202231求状态、驱动和输出方程6.3 低密度可编程逻辑
20、器件比较得驱6.3 低密度可编程逻辑器件画阵列图1JC11K1JC11KX1CPQ1Q2Y10/10/2022326.3 低密度可编程逻辑器件画阵列图1J1JXQ110/96.3 低密度可编程逻辑器件三、可编程阵列逻辑PAL A2A1A0D0D1D2或阵列(固定)与阵列(可编程)实现组合逻辑函数:将函数化简为最简与或式,将对应的与项相或输出即可。只能一次性编程。1.PAL的应用10/10/2022336.3 低密度可编程逻辑器件三、可编程阵列逻辑PAL A2A6.3 低密度可编程逻辑器件例:试用PAL实现下列逻辑函数。解:化简得最简与或式:与阵列或阵列ABCY1Y210/10/2022346.
21、3 低密度可编程逻辑器件例:试用PAL实现下列逻辑函数。6.3 低密度可编程逻辑器件2.PAL的四种输出结构输入行OI专用输出结构 这种结构的输出端只能作输出用,不能作输入用。因电路中不含触发器,所以只能实现组合逻辑电路。输出端可以是或门、或非门,或者互补输出结构。 目前常用的产品有 PAL10H8(10输入,8输出,高电平输出有效)、PAL10L8、 PAL16C1(16输入,1输出,互补型输出)等。10/10/2022356.3 低密度可编程逻辑器件2.PAL的四种输出结构输入行O6.3 低密度可编程逻辑器件可编程I/O输出结构 这种结构的或门输出经过三态输出缓冲器,可直接送往输出,也可再
22、经互补输出的缓冲器反馈到与阵列输入。即它既可作为输出用,也可作为输入用。用于实现复杂的组合逻辑电路。 目前常用的产品有 PAL16L8、PAL20L10等。II/OOE当OE=0时,三态输出呈高阻态,I/O引脚作输入使用;当OE=1时,三态门选通,I/O引脚作输出使用。10/10/2022366.3 低密度可编程逻辑器件可编程I/O输出结构 这6.3 低密度可编程逻辑器件寄存器输出结构 这种结构的输出端有一D触发器。在时钟的上升沿先将或门输出寄存在D触发器的Q端,当使能信号OE有效时,Q端的信号经三态缓冲器反相后输出,输出为低电平有效。触发器的Q输出还可以通过缓冲器反馈送至与阵列的输入端。 因
23、而这种结构的PAL能记忆原来的状态,实现时序逻辑电路。目前常用的产品有 PAL16R4、PAL16R8(R表示寄存器输出型)等。IQQ1DQ时钟OEC110/10/2022376.3 低密度可编程逻辑器件寄存器输出结构 IQQ1D时钟OEQC1YQ6.3 低密度可编程逻辑器件异或输出结构 这种结构的输出部分有两个或门,它们的输出经异或门进行异或运算后再经D触发器和三态缓冲器输出。这种结构不仅便于对与或逻辑阵列输出的函数求反,还可以实现对寄存器状态进行保持操作。目前常用的产品有 PAL20X4、PAL20X8(X表示异或输出型)等。10/10/202238IQQ1D时钟OEQC1YQ6.3 低密
24、度可编程逻辑器件异 GAL是在PAL的基础上发展起来的,具有和PAL相同的与或阵列,即可编程的与阵列和固定的或阵列。不同的是它采用了电擦除、电可编程的E2PROM工艺制作,可以用电信号擦除并反复编程上百次。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC(Output Logic Macro Cell),通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式。这样同一型号的GAL器件可以实现PAL器件所有的各种输出电路工作模式,即取代了大部分PAL器件, 因此称为通用可编程逻辑器件。 GAL器件分两大类:一类为普通型GAL,其与或阵列结构与PAL相似,如GAL16V8(V表示输出方式可变)、GAL2
25、0V8 、ispGAL16Z8都属于这一类;另一类为新型GAL,其与或阵列均可编程, 与PLA结构相似,主要有GAL39V8。 6.3 低密度可编程逻辑器件四、通用阵列逻辑GAL 10/10/202239 GAL是在PAL的基础上发展起来的,具有和PA优点: 采用电擦除工艺和高速编程方法,使编程改写变得方便、 快速,整个芯片改写只需数秒钟,一片可改写 100 次以上。 采用E2CMOS工艺,保证了GAL的高速度和低功耗。存取速度为 1240 ns,功耗仅为双极性PAL器件的1/2或1/4,编程数据可保存 20年以上。 采用可编程的输出逻辑宏单元(OLMC),使其具有极大的灵活性和通用性。 可预
26、置和加电复位所有寄存器,具有100%的功能可测试性。 备有加密单元,可防止他人非法抄袭设计电路。6.3 低密度可编程逻辑器件GAL器件的特点10/10/202240优点:6.3 低密度可编程逻辑器件GAL器件的特点10/9缺点: GAL和PAL一样都属于低密度PLD,其共同缺点是规模小,每片相当于几十个等效门电路,只能代替 24片MSI器件,远达不到LSI和VLSI专用集成电路的要求。 另外,GAL在使用中还有许多局限性,如一般GAL只能用于同步时序电路,各OLMC中的触发器只能同时置位或清0,每个OLMC中的触发器和或门还不能充分发挥其作用,且应用灵活性差等。这些不足之处,都在高密度PLD中得到了较好的解决。 6.3 低密度可编程逻辑器件10/10/202241缺点:6.3 低密度可编程逻辑器件10/9/2022411. 阵列扩展型高密度可编程逻辑器件 6.4 高密度可编程逻辑器件 高密度可编程逻辑器件的集成密度大于每片1000个等效门,它主要包括EPLD、CPLD和FPGA三种。 阵列扩展型HDPLD包括EPLD和CPLD,它们是在PAL、GAL结构的基础上扩展或改进而成的。基本结构与PAL和GAL类似,均由可编程的与阵列、固
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