数字电路与系统 （第4版） 课件【ch08】半导体存储器及可编程逻辑器件

半导体存储器及可编程逻辑器件第八章集成电路科学与工程系列教材数字电路与系统(第4版)半导体存储器概述01最大项与最小项的关系半导体存储器可以按多种方式进行分类。这里介绍两种主要的分类方法。1.按存取方式分类半导体存储器有两种基本操作————读和写。读操作是指从存储器中读出信息而不破坏存储单元中的原有内容，所以读操作是非破坏性的操作。写操作是指把信息写入(存入)存储器，新写入的数据将覆盖原有内容，所以写操作是破坏性的。从信息的存取方式来看，半导体存储器可分为顺序存储器、随机存储器和只读存储器。半导体存储器的分类01半导体存储器概述最大项与最小项的关系顺序存储器(SequentialAccessMemory，SAM)对信息的写或读操作是按顺序进行的可以采用“先入先出”或“先入后出”的方式。在正常工作状态下，随机存储器(RandomAccessMemory，RAM)随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据。在断电后，RAM中的信息将丢失在正常工作时，只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)中的数据只能读出、不能写入。在断电后，ROM中的信息不会丢失。半导体存储器的分类01半导体存储器概述半导体存储器的分类2.按基本单元器件分类从存储电路基本单元的器件构成情况来看，半导体存储器可分为双极型和MOS型两大类。双极型半导体存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点，以双极型触发器为基本存储单元，主要用于速度要求较高的场合，如数字电子计算机中的高速缓存。MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，以MOS触发器为基本存储单元，主要用于大容量存储系统，如数字电子计算机中的主存储器(内存)。01半导体存储器概述半导体存储器的分类2.按基本单元器件分类MOS型随机存储器可分为静态存储器和动态存储器两种。ROM根据制造工艺的不同也可分为多种。只读存储器电路比较简单，集成度较高，成本较低，而且具有一个重要的优点，就是断电后信息不会丢失，是永久性的存储器。所以，在计算机中，尽可能把管理程序、监控程序等不需要修改的程序放在ROM中。01半导体存储器概述最大项与最小项的关系存储容量、存取时间是存储器的两个主要技术指标。1.存储容量存储容量表示存储器能够存放二进制单元的数量，一般来说，存储容量就是存储单元的总数。一组二进制信息称为一个字，而一个字由若干位(bit，简写成b)组成。若一个存储器由N个字组成，每个字为M位，则存储器的容量为NxM，单位是二进制的位。存储器的技术指标01半导体存储器概述最大项与最小项的关系2.存取时间存储器的性能基本上取决于从存储器读出信息和把信息写入存储器的速率。存储器的存取速度用存取时间或读写时间来表征，把连续两次读(写)操作间隔的最短时间称为存取时间。存取时间越短性能越好，目前高速随机存储器的存取时间达到了纳秒或亚纳秒级。存储器的技术指标01半导体存储器概述随机存储器(RAM)0202随机存储器(RAM)RAM的基本结构如图8.1所示，它由存储矩阵、地址译码器、读/写控制器等几部分组成。

RAM的基本结构02随机存储器(RAM)1.存储矩阵RAM的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。2.地址译码器地址译码器的作用，是将寄存器地址对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号从而选中该存储单元。3.输入/输出RAM通过输入/输出端与计算机的中央处理单元(CPU)交换数据，读出时它是输出端写入时它是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。

RAM的基本结构02随机存储器(RAM)4.片选控制受RAM的集成度限制，一台计算机的存储器系统往往是由许多片RAM组合而成的CPU访问存储器时，一次只能访问RAM中的某一片(或几片)，即存储器中只有一片(或几片)RAM中的一个地址接收外部访问，与其交换信息，而其他片RAM与外部不发生联系片选就是用来实现这种控制的。通常一片RAM有一条或几条片选线，当某一片的片选线按入有效电平时，该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址的寄存器与外部数据线接通;当片选线接入无效电平时，则该片与外部数据线之间处于断开状态。

RAM的基本结构5.RAM的输入/输出控制电路访问RAM时，对被选中的寄存器，究竟是读还是写，通过读/写控制线进行控制。如果是读，则被选中单元存储的数据经数据线、输入/输出线传送给外部信号;如果是写，则将外部待写信号数据经过输入/输出线、数据线存入被选中单元。一般RAM的读/写控制线高电平为读，低电平为写;也有的RAM读/写控制线是分开的条为读，另一条为写。RAM的基本结构02随机存储器(RAM)02随机存储器(RAM)6.RAM的工作时序写操作的定时波形在图8.5中给出。RAM的基本结构02随机存储器(RAM)RAM芯片简介02随机存储器(RAM)6116型RAM芯片的符号图和引脚图如图8.7所示。RAM芯片简介02随机存储器(RAM)表8.1所列是静态RAM6116型工作方式与控制信号之间的关系，读出线和写入线是分开的，而且写入优先。RAM芯片简介在实际应用中，经常需要使用大容量的RAM。在单片RAM芯片容量不能满足要求时，就要进行扩展，将多片RAM组合起来，构成存储器系统(也称为存储体)。1.位扩展位扩展时需把若于片位数相同的RAM芯片地址线共用，读/写端和片选端分别共用，并将各片的数据输入/输出端并行连接。RAM的容量扩展02随机存储器(RAM)2.字扩展当芯片的位数够用而容量不足时，就需要将多个芯片连接起来，进行字扩展以满足大容量存储器的需要。也就是说，用几片存储器芯片组合起来对存储空间进行扩展，称为字扩展RAM芯片字数需要扩展时说明地址线不够，需增加地址线。而各片的读/写控制端、数据输入/输出端共用。RAM的容量扩展02随机存储器(RAM)02随机存储器(RAM)RAM的容量扩展02随机存储器(RAM)3.字位同时扩展

RAM的容量扩展只读存储器(ROM)03ROM的分类按存储内容存入方式，只读存储器可分为固定ROM和可编程ROM两种。可编程ROM又可分为一次可编程存储器(PROM)、光可擦除可编程存储器(EPROM)和电可擦除可编程存储器(EEPROM)等。(1)固定ROM。也称为掩膜ROM，在制造这种ROM时，厂家利用掩膜技术直接把数据写入存储器中。ROM制成后，其存储的数据也就固定不变了，用户对这类芯片无法进行任何修改。03只读存储器(ROM)ROM的分类(2)一次可编程ROM(PROM)。在出厂时，PROM存储内容全为1(或全为0)，用户可根据自己的需要，利用编程器将某些单元改写为0(或1)。PROM一旦进行了一次编程就不能再修改了。(3)光可擦除可编程ROM(EPROM)。EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管，信息的存储是通过MOS管浮栅上的电荷分布来实现的，编程过程就是电荷注入过程。03只读存储器(ROM)ROM的分类(4)电可擦除可编程ROM(EEPROM)。EEPROM也是采用栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存储单元的是隧道MOS管。隧道MOS管也是利用浮是否存有电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是用电擦除的，并且擦除的速度快得多(一般为毫秒量级)。(5)快闪存储器(FlashMemory)。快闪存储器的存储单元也是采用浮栅型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，需要输入一个较高的电压，因此要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为200ms。03只读存储器(ROM)最大项与最小项的关系在生产内容固定的ROM时，要根据ROM的存储内容设计相应的掩膜，所以也称为掩膜ROM。这种按特制掩膜制作成的ROM，其存储内容不能改变。内容固定的ROM适合于大批量的产品，如汉字库、函数表等。典型的ROM电路结构包括三部分:地址译码器、存储矩阵及输出电路，与RAM结构类似。显然，ROM实现的是标准与或式。除了二极管，还有MOS。管、双极型晶体管等构成的ROM电路。ROM的结构与基本原理03只读存储器(ROM)最大项与最小项的关系03只读存储器(ROM)ROM的结构与基本原理最大项与最小项的关系PROM可由双极型晶体管加熔丝构成。出厂时在存储矩阵的所有交叉点上都只做了存储单元，即所有存储单元都存入1。用户根据需要将要存入0的单元上的熔丝熔断即可。EPROM是一种可擦除可编程的只读存储器。由于采用电擦除技术，EEPROM允许在线编程写入和擦除，而不必像EPROM芯片那样从系统中取下来，再用专门的编程写入器和专门的擦除器编程和擦除。ROM的结构与基本原理03只读存储器(ROM)ROM应用1.ROM实现组合逻辑函数从ROM的结构看出，地址译码器是全译码的与阵列，而存储矩阵是一个或阵列，可用或阵列编程。2.用于函数运算表电路数学运算是数控装置和数字系统中要经常进行的操作，如果事先把要用到的基本函数变量在一定范围内的取值和相应的函数取值列成表格，写入只读存储器中，那么在需要时，只要给出规定“地址”就可以快速得到相应的函数值。03只读存储器(ROM)可编程逻辑器件PLD0404可编程逻辑器件PLD从逻辑功能的特点上的角度，可以将数字集成电路分为通用型和专用型两大类。从理论上讲，用这些通用型的中、小规模集成电路可以组成任何复杂的数字系统，但如果能把设计的数字系统做成一片大规模集成电路，则不仅能减小电路的体积、重量、功耗，而且会使电路的可靠性大为提高。PLD虽然是作为一种通用器件生产的，但它的逻辑功能是由用户通过对器件编程来设定的，而且，有些PLD的集成度很高，足以满足设计一般数字系统的需要。可编程逻辑器件概述04可编程逻辑器件PLD1.可编程逻辑器件的基本结构多数PLD由与阵列、或阵列以及起缓冲驱动作用的输入、输出结构组成，由于其核心特征是结构排列成阵列(一般是与阵列和或阵列)，所以又称为阵列逻辑。2.PLD的电路表示法PLD表示法在芯片内部配置和逻辑图之间建立了一一对应关系，并将逻辑图和真值表结合起来，形成一种紧凑而易于识读的表达形式。可编程逻辑器件的基本结构和电路表示方法04可编程逻辑器件PLD早期的PLD(主要是PAL、GAL)在20世纪80年代曾经广应用。随着技术的发展这些PLD由于逻辑资源过少、结构过于简单而不能满足实际需要。CPLD是从PAL和GAL发展出来的，相对而言规模大、结构复杂，属于大规模集成电路范围。CPLD主要由三部分组成，即逻辑块(LogicBlocks，LB；输入/输出块(IOBlocks，IOB)；可编程瓦连资源(ProgrammableInterconnectionResource，PIR。复杂可编程逻辑器件(CPLD)现场可编程门阵列(FPGA)与CPLD不同，现场可编程门阵列基于查找表(Look-UpTableLUT)结构;由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的。因此，需要外加一片专用配置芯片,在上电时由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中。也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺，不需要专用配置芯片。FPGA的基本组成部分是可配置逻辑块、可编程的输入/输出块和可编程互连。整个芯片的逻辑功能是