半导体存储器和可编程逻辑器.pptVIP

第7章半导体存储器和可编程逻辑器件 存储器 用以存储二进制信息的器件 半导体存储器的分类 根据使用功能的不同 半导体存储器可分为两大类 1 随机存取存储器 RAM 也叫做读 写存储器 既能方便地读出所存数据 又能随时写入新的数据 RAM的缺点是数据易失 即一旦掉电 所存的数据全部丢失 2 只读存储器 ROM 其内容只能读出不能写入 存储的数据不会因断电而消失 即具有非易失性 存储器的容量 存储器的容量 字长 n 字数 m 一 RAM的基本结构由存储矩阵 地址译码器 读写控制器 输入 输出控制 片选控制等几部分组成 7 1随机存取存储器 RAM 1 存储矩阵 图中 1024个字排列成32 32的矩阵 为了存取方便 给它们编上号 32行编号为X0 X1 X31 32列编号为Y0 Y1 Y31 这样每一个存储单元都有了一个固定的编号 称为地址 2 地址译码器 将寄存器地址所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 采用双译码结构 行地址译码器 5输入32输出 输入为A0 A1 A4 输出为X0 X1 X31 列地址译码器 5输入32输出 输入为A5 A6 A9 输出为Y0 Y1 Y31 这样共有10条地址线 例如 输入地址码A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 0000000001 则行选线X1 1 列选线Y0 1 选中第X1行第Y0列的那个存储单元 3 RAM的存储单元 六管NMOS静态存储单元 只有当行 列选择线均为高电平时 该存储单元才会被选中 三管动态存储单元 数据存储在电容C里 当电容充有足够的电荷时 为逻辑状态0 当有读数据时 可对该存储单元进行刷新 只要该行有读信号 该行数据均可刷新 静态RAM存储单元所用的管子多 功耗大 集成度受到影响 目前常用的是动态RAM 单管动态存储单元 数据存储在Cs中 T为门控管 通过控制T的导通与截止 可以把数据从存储单元送至位线上或将位线上的数据写入到存储单元 4 片选及输入 输出控制电路 当选片信号CS 1时 G5 G4输出为0 三态门G1 G2 G3均处于高阻状态 输入 输出 I O 端与存储器内部完全隔离 存储器禁止读 写操作 即不工作 当CS 0时 芯片被选通 当 1时 G5输出高电平 G3被打开 于是被选中的单元所存储的数据出现在I O端 存储器执行读操作 当 0时 G4输出高电平 G1 G2被打开 此时加在I O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上 存储器执行写操作 读出操作过程如下 1 欲写入单元的地址加到存储器的地址输入端 2 加入有效的选片信号CS 3 将待写入的数据加到数据输入端 3 在线上加低电平 进入写工作状态 4 让选片信号CS无效 I O端呈高阻态 二 RAM的工作时序 以写入过程为例 三 RAM的容量扩展 1 位扩展用8片1024 1K 1位RAM构成的1024 8位RAM系统 2 字扩展用8片1K 8位RAM构成的8K 8位RAM 扩展后的存储器系统 它的地址空间有多大 地址又是如何分配的 某RAM芯片存有2048个字 每个字长为8位 该芯片应有个地址引脚 I O引脚应有个 11 8 RAM的芯片简介 6116 6116为2K 8位静态CMOSRAM芯片引脚排列图 A0 A10是地址码输入端 D0 D7是数据输出端 是选片端 是输出使能端 是写入控制端 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编程 但只能编程一次 7 2只读存储器 ROM 一 ROM的分类按照数据写入方式特点不同 ROM可分为以下几种 1 固定ROM 又叫掩膜ROM 厂家把数据写入存储器中 用户无法进行任何修改 3 光可擦除可编程ROM EPROM 采用浮栅技术生产的可编程存储器 其内容可通过紫外线照射而被擦除 可多次编程 5 快闪存储器 FlashMemory 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次以上 4 电可擦除可编程ROM E2PROM 也是采用浮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 是用电擦除 并且擦除的速度要快的多 一般为毫秒数量级 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的功能 可以随时改写 可重复擦写1万次以上 二 二极管阵列的掩膜ROM PROM 熔丝式 电路原理 1 PLD的逻辑表示方法 2 PLD的图形符号 缓冲门 相当于 与门 或门 可编程连接或不连接 PLD图形符号 续 门电路符号中美对照表 与或非与非或非异或 清华大学电机系唐庆玉2003年11月15日编 三 PROM的内部结构及编程 AND阵列固定 OR阵列可编程 输出 输入 例1用PROM实现半加器 如何用PROM实现全加器 例2用PROM实现三变量奇数校验电路 四 光可擦除可编程ROM EPROM EPROM是一种可以多次重复使用的ROM 其存储位结构如图6 8所示 它的每个存储位都制作一个管子 但与掩膜式ROM不同 其栅极G悬浮于高阻抗的SiO2层中 浮栅上有无电荷将决定管子是否导通 即该位状态是0还是1 编程时 在较高的编程电压Vpp的作用下 电荷可以感生进入浮栅 因SiO2的高阻抗 电荷一旦进入浮栅后可以保持十年以上 若要擦除已写入的数据 可用紫外光照射浮栅 使浮栅上的电荷获得足够的能量越过SiO2层逐渐泄放 回到初始状态 为便于紫外光线透入 EPROM一般都带有石英玻璃窗口 为避免阳光或其他光源中的紫外线对EPROM起作用 正常使用时 窗口上应该贴上一层不透明的保护膜 图6 8EPROM存储位模型图 EPROM是目前使用最广泛的一类ROM 甚至有些廉价的塑封EPROM根本就不制作石英玻璃窗口 目的是降低制作成本 不过这种EPROM只能编程一次 EPROM举例 2764 五 电可改写只读存储器E2PROM由于EPROM在擦除时必须用紫外线照射 因而给使用者带来不便 而E2PROM正是为克服这一缺点而出现的新型存储器 E2PROM的存储位结构与EPROM相似 但在浮栅与漏极 间增加了一个隧道管 使电荷可以在浮栅与漏极之间双向流动 不再需要紫外线来激发 即编程和擦除均可用电来完成 E2PROM既能像EPROM那样长期保存信息 又能在在线情况下随时改写 既可单字节改写 又可全片擦除改写 六 ROM容量的扩展 1 字长的扩展 位扩展 现有型号的EPROM 输出多为8位 下图是将两片2764扩展成8k 16位EPROM的连线图 用8片2764扩展成64k 8位的EPROM 2 字数扩展 地址码扩展 7 3可编程逻辑器件 PLD PLD ProgrammableLogicDevices 大规模集成电路 集成了大量的门电路和触发器 用户可编程构成所需电路 清华大学电机系唐庆玉2003年11月15日编 PLD类型 1 PROM型 ProgrammableROM 2 PLA型 ProgrammableLogicArray可编程逻辑阵列 3 PAL型 ProgrammableArrayLogic可编程阵列逻辑 4 GAL型 GenericArrayLogic通用阵列逻辑 5 CPLD型 ComplexPLD 最复杂 简单 较复杂 清华大学电机系唐庆玉2003年11月15日编 结构 AND逻辑阵列 OR逻辑阵列 类型AND阵列OR阵列D触发器PROM连接固定可编程 一次性 PLA可编程 一次性 可编程 一次性 PAL可编程 可多次电擦除 连接固定8个GAL可编程 可多次电擦除 连接固定8个 PLD的诞生不仅简化了数字逻辑系统的设计过程 而且降低了数字系统的体积和成本 提高了系统的可靠性 PLD作为规格化逻辑设计方法已应用多年 最先主要是掩膜可编程 主要是作为ROM用于计算机内部 后来出现了熔丝可编程逻辑器件 人们可通过简单的编程设备对逻辑器件进行编程 产生了半定制逻辑器件 由于EPROM 可擦可编程只读存储器 及E2ROM 电可擦除存储器 工艺的问世 PLD得到了快速发展及广泛应用 它从根本上改变了系统设计方法 大大简化了系统设计 一 PLD电路的表示方法 用逻辑电路的一般表示法很难描述PLD器件内部电路 为了在芯片的内部配置和逻辑图之间建立一一对应关系 对描述PLD基本结构的有关逻辑符号和规则作出某些约定 使其逻辑图和真值表结合在一起构成一种紧凑而易于识读的形式 现对这些约定作简单介绍 PLD的基本结构是与门和或门 左图给出了三输入与门的两种表示法 传统表示法中与门的3个输入A B C在PLD表示法中称为3个输入项 而输出F称为 与 项 同样 或门也采用类似方法表示 a 传统表示法 PLD的与门表示法 b PLD表示法 图6 3表示PLD的典型输入缓冲器 它的两个输出B C是其输入A的原和反 其逻辑关系为 图6 3PLD输入缓冲器 图8 4 a 给出了PLD阵列交叉点上的三种连接方式 实点 表示固定连接 表示可编程连接 没有 也没有 的表示两线不连接 如图8 4 b 中的输出F A C a b 图8 4PLD连接表示方式 二 可编程逻辑阵列PLA 从前面的介绍可知 ROM的地址译码器采用全译码方式 n个地址码可选中2n个不同的存储单元 而且 地址码与存储单元有一一对应的关系 因此 即使有多个存锗单元所存放的内容完全相同也必须重复存放 无法节省这些单元 从实现逻辑函数的角度看 ROM的 与 阵列固定地产生n个输入变量的全部最小项 而对于大多数逻辑函数而言 并不需要使用全部最小项 有许多最小项是无用的 尤其对于包含约束条件的逻辑函数 许多最小项是不可能出现的 因此 ROM的 与 阵列不能获得充分利用而造成硬件浪费 使得芯片面积的利用率不高 为了解决此问题 在ROM的基础上出现了一种 与 阵列和 或 阵列均可编程的逻辑器件 即可编程逻辑阵列PLA ProgrammableLogicArray 一 PLA的逻辑结构PLA的逻辑结构与ROM类似 也是由一个 与 阵列和一个 或 阵列构成 所不同的是它的 与 阵列和 或 阵列一样是可编程的 而且 n个输入变量的 与 阵列不再是产生2n个 与 项 而是有n个与门就提供n个 与 项 每个 与 项与哪些变量相关可由编程决定 或 阵列通过编程可选择需要的 与 项相 或 形成 与或 函数式 由PLA实现的 与或 函数式是最简 与或 表达式 AND阵列可编程 OR阵列可编程 PLA的存储容量不仅与输入变量个数和输出端个数有关 而且还和它的 与 项数 即与门数 有关 其存储容量用输入变量数 n 与项数 p 输出端数 m 来表示 如图6 11所示PLA的容量为3 8 3 目前常见的有容量为16 48 8和14一96 8等PLA器件 二 采用PLA进行逻辑设计采用PLA进行逻辑设计 可以十分有效地实现各种逻辑功能 相对ROM而言 PLA更灵活 更经济 结构更简单 用PLA设计组合逻辑电路时 一般首先将给定问题的逻辑函数按多输出逻辑函数的化简方法简化成最简 与或 表达式 然后 根据最简表达式中的不同 与 项以及各函数式的 与 项之和分别构成 与 阵列和 或 阵列 并画出阵列逻辑图即可 例3用PLA实现三八译码器 A2 A1 A0 000只 0 Y0 001只 0 Y1 111只 0 Y7 输出 三八译码器真值表 例6 2用PLA设计一个代码转换电路 将一位十进制数的8421BCD码转换成余3码 解设A B C D表示8421BCD码的各位 W X Y Z表示余3码的各位 可得转换电路的真值表如表6 2所列 表6 2一位十进制数的8421BCD码与余3码的转换真值表 根据表6 2写出函数表达式 并按照多输出函数化简法则用卡诺图进行化简后 可得如下最简 与或 表达式 由此可见 全部输出函数只包含9个不同 与 项 所以 该代码转换电路可用一个容量为4 9 4的PLA实现 其阵列图如图6 12所示 图6 12一位十进制数的8421BCD码转换成余3码的PLA阵列逻辑图 三 可编程阵列逻辑器件PALPAL器件的与阵列是可编程的 或阵列是固定的 PAL ProgrammableArrayLogic 是在ROM和PLA的基础上发展起来的一种可编程逻辑器件 为了能提供最高性能和最有效的结构 PAL力求既有规则的阵列结构 又能实现灵活多变的逻辑功能 同时编程简单 易于实现 它相对于ROM而言更灵活 且易于完成多种逻辑功能 同时又比PLA工艺简单 易于编程和实现 图6 13三输入三输出PAL的逻辑结构图 四 可编程通用阵列逻辑器件GAL GAL GenericArrayLogic 器件是1985年由美国LATTICE公司开发并商品化的一种新型PLD器件 它是在PAL器件的基础上综合了E2ROM和CMOS技术发展起来的一种新型技术 GAL器件比PAL功能更强 性能更优越 具有PAL器件所没有的可电擦除 可多次重新编程及可组态其结构的特点 这些特点形成了器件的可测试性和高可靠性 且具有更大的灵活性 GAL器件按门阵列的可编程结构可分为两大类 一类是与PAL基本结构相似的普通型GAL器件 其与门阵列是可编程的 或门阵列是固定连接的 如20引脚的GAL16V8 另一类是与PLA器件相类似的新一代GAL器件 其与门阵列和或门阵列都是可编程的 如24引脚的GAL39V8便属于这一类器件 由于GAL的内部逻辑结构较为复杂 7 4复杂的可编程逻辑器件CPLD 一 CPLD的结构其特点是在系统可编程 ISP 在系统可编程是指未