第八章半导体存储器和可编程逻辑器件

第八章半导体存储器和可编程逻辑器件 1绪论 2随机存取存储器RAM 3只读存储器ROM 4可编程逻辑器件 PLD 1绪论 半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件 在计算机以其他一些数字系统的工作过程中 都需要对大量的数据进行存储 因此存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分 由于计算机处理的数据量越来越大 运算速度越来越大 这就要求存储器具有更大的存储容量和更大的存取速度 通常都把存储量和存取速度作为衡量存储器性能的重要指标 存储器的分类 1 从存取功能上分随机存取RAM存储器 RandomAccessMemory 只读存储器ROM ReadOnlyMemory 静态SRAM StaticRAM 动态DRAM DynaticRAM 1 RAM在使用过程中可以随即的对任意存储单元进行读出或写入信息 因此又叫读写存储器 根据所采用存储单元工作原理的不同 又分为静态和动态两类 1 静态RAM 它的存储电路以双稳态FF为基础 状态稳定 可以静态工作 只要不掉电 信息就不会消失 但所用器件较多 集成度不高 2 动态RAM 它的存储电路以电容为基础 电路简单 集成度高 但电容中存储的电荷由于漏电会逐渐丢失 所以需要定时刷新 控制较复杂 2 ROM用于存放固定程序和常数 在使用过程中只能读出存储的信息 而不能随即写入 掉电后 存储的信 息不会丢失 根据信息写入的方式不同可分为几种 1 掩膜ROM 简称ROM 其中的信息是在芯片制造时由厂家写入的 一旦写入就不能再更改 而只能读出 2 可编程ROM ProgrammableROM 简称PROM 在出厂时 PROM里面未写入信息 用户可以根据需要 用一定设备将程序和数据写入PROM中 一旦写入就不能再更改 3 可擦除PROM ErasableProgrammbleROM 简称EPOM 出厂时是未编程的 用户可以对其进行编程 若中写入的信息有错或急需修改 则可先用紫外线对准新片中的石英窗口 照射20分钟 左右 既可擦出原有信息 恢复到出厂的状态 然后可以再次变成写入 对于编好的为防止光线照射常用遮光胶纸贴于窗口上 可以多次擦处和再写入 特别适合于研制和开发 4 电可擦除 PROMElectricallyEPROM 简称EEPRROM 它是利用点来改写的可编程只读存储器 能以字节为单位 擦处和改写 具有更大的使用灵活性 当需要改写某存储单元的信息时 只要让电流通入该存储单元 就可以实现信息的擦除并重新写入 而其余未通过电流的存储单元的信息仍然保留 5 快闪存储器 FlashMemory 80年代末期问世的新一代电可擦除可编程以其高集成度大容量低成本和使用方便等优点 引起普遍关注 2 从制造工艺上分 可将存储器分为双极型 和单极型两大类 鉴于电路 尤其是CMOS电路具有功耗低 集成度高的优点 所以 目前大容量的存储器都采用MOS工艺制造 一 RAM的电路结构和工作原理1 RAM存储单元 一个存储单元可以存放1位数据 1 静态RAM存储单元如下图 8 2随机存取存储器RAM 六管静态存储单元 存储单元 行选择线 数据线 列选择线 位线 T5 T6 T7 T8为门控管 当控制端为高电平时导通 否则截至 作模拟开关用 当XiYj均为高电平时 T5 T8管导通 可对存储单元进行读写才操作 T1 T3和T2 T4分别构成两个非门 共同组成一个基本RSFF 只要不断电数据就能永久记忆 2 动态RAM单元 1 读位线 存储单元 VDD R 输出 D0 YJ D1 输入 写位线 读写控制 写入刷新控制 1 读 R W为1 G1门被封锁 Q的数据被送到D0 同时通过写入刷新电路 刷新Q 2 写 R W为哦 G2门被封锁 输入数据D1由写入刷新电路送入存储单元 当Xi 1 Yj 0时 存储单元数据之刷新 不读数 或写入 为了提高集成度 目前大容量的DRAM的存储器单元不便采用单管结构 P278 通过控制T的导通于截至把数据从Cs中取出或存入 0或1存入Cs中AB AddressBus CB controlBus DB DataBus 2RAM的结构图 地址译码器 存储矩阵 输入 输出控制电路 地址输入 控制信号输入 单向 单向 地址总线 控制总线 数据输入输出I O总线 双向 或读写控制电路 数据总线 1 存储矩阵 见书279页 一个存储器由许多存储单元组成 每个存储单元存放1位二值数据 通常存储单元排列成矩阵形式 存储器以字为单位组织内部结构 一个字中所含有的存储单元个数称为字长 存储器的容量 字数 字长 数据线位数 存储器的字数通常采用K M或G为单位其中1K 210 1024 1M 1020 1024K1G 230 1024M例如书中279页256 4RAM存储矩阵256 28有256个地址单元 字 每字四位 8位地址线 4位数据线 2 地址译码字单元又称地址单元 不同的字单元具有不同的地址 地址译码器实现地址的选择 地址单元个数N与二进制地址码的位数的关系为 N 2n每组地址码 只对应唯一的地址单元 3 输入 输出控制电路在系统中 为了便于控制 电路不仅有读 写控制信号R W 还有片选控制信号CS 当片选信号有效时 芯片被选中 可以进行读 写操作 否则芯片不工作 片选信号只解决芯片是否工作 而芯片的读 写操作则由R W决定 三态门 三态非门 单向传输 1 CS 1 G4 G5输出为0 G1 G2 G3均为高组态 芯片不工作 2 CS 0 芯片被选通a R W 0 进行写操作 G4输入高电平 G1被打开 I O段的数据被送入数据线并被存入所选中的单元 b R W 1 进行读操作 G4输入高电平 G5输入1 G3开门 被选中单元的数据D被送入I O端 3 RAM的操作与定时见书P281 二 RAM存储容量的扩展在数字系统或计算机中 单个存储芯片 往往不能满足存储容量的要求 因此必须把若干个芯片连在一起 以扩展其容量 扩展容量的方法可以通过增加字长 位数 或字数来实现 1 字长 位数 的扩展通常RAM芯片二字长有1位 4位 8位 16位 32位等 当时实际的存储系统二字长超过RAM芯片的字长时 需要对RAM实行位扩展 可采用并联的方式 将地址线 读写线 和片选线对应的并联在一起 各芯片的数据输入输出端作为字的各个位线 如图P283 用4K 4位的RAM构成4 16位的存储器系统 2字数的扩展用外加译码器 控制存储器芯片的片选输入端来实现 例如 用2 4线译码器将4各8K 8的RAM扩展为32K 的存储器系统 字数扩展后对应的地址单元要增加 所以要增加地址线 图见书P2838 1 10三RAM举例1 P285图MOTOROLA公司生产的MCM62642 P287图NEC公司生产的UPD41256 8 3只读存储器ROM一掩膜ROM 又称固定ROM或ROM出厂时内部存储数据就已 固化 在里面了 生产厂家利用掩膜技术把数据写入存储器中 一旦ROM制成 其存储的数据也就固定不变了 二PROM 可编程只读存储器出厂时存储内容全为1 或全为0 用户可以根据自己的需要 利用通用或未用的编程器 将某些单元改写为0 或1 例 P291图 镕丝型PROM存储单元原理图 通过编程 给欲改写为零的单元通过足够大的电流 将镕丝烧断 镕丝烧断后不能恢复 因此 PROM只能写一次 三 EPROM可擦除的可编程ROM与PROM总体结构形式上没有多大区别 只是采用了不同的存储单元 如存储单元采用N沟道增强型叠栅管 例P291图 控制栅Gc用于控制读出和写入 浮栅Gf用于长期保存注入电荷 浮置栅上未注入电子以前 在控制栅上加入正常电压VGS MOS管导通 当在浮栅上带有电子 负电荷 后 给控制栅加上同样的控制电压 管MOS仍处于截至状态 VDG 20 25V 浮栅上的负电荷通过在D极和栅极上加高电压形成的 写入 当外力电压撤去 浮栅上的电子没有放电回路 所以能够长期保存 当紫外线或X射线照射时 浮栅上的电子形成光电源而泄放 从而恢复到写a前的状态四 E2PROM隧道MOS管结构图见P293 类同叠栅MOS管 同样利用浮栅上是否充有负电荷来存储数据 只是放电靠加反向电压 充电 D接地 G加正电压 放电 D加正电压 G 0v 故称电可擦除PROM五 Flashmemory原理同上 8 4可编程逻辑器件PLDProgrammableLogicDevicePLD是数据系统设计的基础之一 前面各章介绍的各种数字逻辑器件如各种门电路 计数器 触发器等 它们所实现的逻辑功能是完全确定的 使用者不能改变其基本功能 而的功能在出厂时并未完全确定 使用者可定义器件的内部逻辑 即分配管脚的用途 即所谓的编程 实现多种逻辑功能 同一器件经过不同的编程 可实现不同的功能 一 PLD的基本结构在数字电路中 任何组合逻辑电路都不能用与或式表达 从而可用与们和或门实现 而任何时序电路都可以由组合逻辑电路加存储元件构成 这就 是PLD实现各种逻辑功能的理论依据 多数PLD的内部电路就是依据这一原理设计的 组合逻辑电路与或表达式时序逻辑电路组合逻辑电路 存储单元与或表达式 触发器PLD可以编程的逻辑电路装置 输入电路 与阵列 或阵列 输出电路 外部数据输入 数据输出 反馈 输入项 乘积项 和项 PLD总体结构框图 1 外部信号和内部反馈信号经输入电路变为一组互补信号 又称输入项 输入项 被有选择的 接到 与阵列 的与门输入端 再输入 或阵列 得到 与 或 表达式 即组合逻辑函数 1 输出可以直接由 或阵列 输出 组合方式输出 也可通过寄存器输出 时序输出 2 可以是低电平有效 也可以是高电平有效 3 输入端上往往有三态电路 4 且输出信号中的部分或全部 在必要时还可以反馈到输入端 使用者可以根据需要对其输出方式灵活组态 二PLD的表示方法由于内部电路紧凑规则 用传统的逻辑图表示不方便 因而可以采用简化的表示方法 缓冲电路在PLD中 外部的输入信号输出信号及反馈信号都经过 输入 缓冲电路后在送往下一级 从而使其具有足够的驱动能力 并产生原变量A和反变量A两个互补信号 其表示方法如下 互补输入缓冲器作用 提高带负载能力驱动能力 改善波形 三态输出缓冲器 与门 或门及连接表示 硬线连接 固定连接 不可编程改变 编程连接 用编程方法做成的连接点 可擦除 可编程断开单元 又称被编程擦除单元 未连接 与门表示传统表示 PLD表示 与门的所有输入均不接通 保持 悬浮 的 状态 或门表示传统表示 异或门 同或门 多路选择器多路开关或称数据选择器 根据控制信号C0C1的取值不同 从ABCD四个输入中选取一个作为输出L0 控制信号C0C1的取值由用户编程给出 三 PLD的分类一 按的集成度分类 低密度可编程逻辑器件 LDPLD 1 PROM EPROM E2PROM FlashMemery可编程ROM2 PLD ProgrammableLogicArray 可编程逻辑阵列 与 或阵列都可编程3 PLA ProgrammableArrayLogic 可编程阵列逻辑 与阵列可编程 或阵列固定4 GLA GenericArrayLogic 通用阵列逻辑 大部分采用与阵列可编陈或阵列固定 但也由与或阵列均可编陈德与PAL比较 GAL在输出结构上采用了可编程的 输出逻辑宏单元 OutputLogicMacroCell OLMC 通过编程可将设置成不同的工作状态 为逻辑设计提供了很大的灵活性 从而增强了器件的通用性 高密度可编程逻辑器件 HDPLD 1 CPLD ComplexPLD 复杂的可编程逻辑器件 在结构上和十分相似 但增加了I O管脚和寄存器数量 有的芯片内部还集成有多个块 各GAL块之间通过共享的可编程互连资源交换信息 实现块与块之间的互连 这种器件最大的特点是 在系统可编程ISP ISP InSystemProgrammable 2 FPGAFieldProgrammableGateArray现场可编程门阵列 在结构上有逻辑功能块排列为阵列 并由可编程的内部联系连接这些功能快来实现更多的逻辑功能 密度特别大 结构灵活 可满足各种应用场合的需求 二按PLD的制造工艺分类 一次性编程的PLD 采用双极型熔丝工艺 紫外线可擦除的PLD E