第8章存储器和可编程逻辑器件 北理考研复习资料 数电课件

1 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 8 38 98 13 作业 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 2 目录 8 1概述8 2半导体存储器8 3可编程逻辑器件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 3 8 1概述 随着集成电路设计和制造工艺的不断改进和完善 集成电路产品不仅在提高开关速度 降低功耗等方面有了很大的发展 电路的集成度也得到了迅速的提高 大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI已得到了广泛的应用 在分析和设计逻辑系统时 应把LSI和VLSI作为一个功能模块来进行使用 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 4 LSI分为通用型和专用型两大类 通用型LSI是指已被定型的标准化 系列化产品 各种型号的存储器 微处理器等均属此类 专用型LSI是指为某种特殊用途而专门设计制作的功能块 只能使用在一些专用场所或设备中 本章仅简要介绍存储器和可编程逻辑器件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 5 8 2半导体存储器 半导体存储器 简称存储器 是一种能存储大量二值信息或数据的半导体器件 它可以存储用户程序以及实时数据等多种信息 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 6 存储器分类 按读写功能分为 只读存储器 Read OnlyMemory ROM 和随机存储器 RandomAccessMemory RAM 按在计算机系统中的作用分为 主存储器 内存 辅助存储器 外存 和高速缓冲存储器 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 7 按信息的可保存性分为 易失性存储器和非易失性存储器 易失性存储器在系统关闭时会失去存储的信息 它需要持续的电源供应以维持数据 大部分的RAM都属于此类 非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息 如ROM半导体存储器 磁介质或光介质存储器 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 8 半导体存储器按读写功能分类时的详细情况如下图所示 半导体存储器 ROM 固定ROM 又称掩膜ROM 可编程ROM 可编程ROM PROM 可擦除PROM EPROM 电子可擦除EPROM E2PROM 快闪存储器 RAM 静态RAM SRAM 动态RAM DRAM 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 9 对存储器的操作 也称为访问 通常分为两类 读操作和写操作 读操作是从存储器中取出其存储信息的过程 写操作是把信息存入到存储器的过程 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 10 8 2 1存储器的主要技术指标 存储器的技术指标包括存储容量 存取速度 可靠性 功耗 工作温度范围和体积等 其中存储容量和存取速度为其主要指标 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 11 1 存储容量 1 存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量 单位为位或比特 bit 存储器中的一个基本存储单元能存储1bit的信息 也就是可以存入一个0或一个1 所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 12 一个内有8192个基本存储单元的存储器 其存储容量为8Kbit 1K 210 1024 这个存储器如果每次可以读 写 8位二值码 说明它可以存储1K个字 每字为8位 这时的存储容量也可以用1K 8位来表示 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 13 2 存取速度 存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始 到取出或存入数据为止所需的时间 其上限值称为最大存取时间 存取时间的大小反映了存储速度的快慢 存取时间越短 则存取速度越快 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 14 8 2 2随机存取存储器 随机存取存储器RAM 又称为读写存储器 在工作过程中 既可从RAM的任意单元读出信息 又可以把外部信息写入任意单元 因此 它具有读 写方便的优点 但由于具有易失性 所以不利于数据的长期保存 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 15 根据存储单元工作原理的不同 RAM可分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类 SRAM的数据由触发器记忆 只要不断电 数据就能保存 但其集成度受到限制 DRAM一般采用MOS管的栅极电容来存储信息 必须由刷新电路定期刷新 但集成度高 SRAM速度非常快 但其价格较贵 DRAM的速度比SRAM慢 不过它比ROM快 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 16 RAM的结构 RAM电路通常由存储矩阵 地址译码器和读 写控制电路3部分组成 其结构框图如图所示 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 17 存储矩阵由若干个存储单元组成 在译码器和读 写控制电路的控制下 既可以对存储单元写入信息 又可以将存储单元的信息读出 完成读 写操作 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 18 地址译码器包括行地址译码器和列地址译码器 行地址译码器从存储矩阵中选中一行存储单元 列地址译码器从存储矩阵中选中列存储单元 从而使得行与列均被选中线的交叉处的存储单元与输入 输出线接通 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 19 读 写控制电路用于对电路的工作状态进行控制 当读 写控制信号为高电平时 执行读操作 当读 写控制信号为低电平时 执行写操作 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 20 下图所示为2114RAM的结构框图 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 21 2114RAM的工作模式 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 22 8 2 3只读存储器 只读存储器ROM是存储固定信息的存储器件 在正常工作时ROM存储的数据固定不变 只能读出 不能随时写入 故称为只读存储器 ROM为非易失性器件 当器件断电时 所存储的数据不会丢失 只读存储器按数据的写入方式分为固定ROM 可编程ROM PROM 和可擦除可编程ROM EPROM 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 23 固定ROM所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩模板确定 用户无法进行更改 所以也称掩模编程ROM 可编程ROM在出厂时 存储内容全为1或全为0 用户根据自己的需要进行编程 但只能写入一次 一旦写入则不能再修改 EPROM具有较强的灵活性 它存储的内容既可按用户需要写入 也可以擦除后重新写入 包括用紫外线擦除的PROM 电信号擦除PROM和快闪存储器 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 24 1 ROM的结构 ROM具有与RAM相似的电路结构 一般而言 它由存储矩阵 地址译码器和输出缓冲器3部分组成 ROM存储单元可以由二极管 双极型晶体管或者MOS管构成 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 25 1 二极管ROM的电路组成 具有2位地址输入和4位字长数据输出的二极管ROM电路如图所示 D0 D3 位线 数据线 A1 A0 地址线W0 W3 字线输出端采用三态缓冲器 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 26 2 二极管ROM读操作 存储数据表 0 0 W0 1 D 0 1 D 3 0 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 27 在存储矩阵中字线与位线的每一个交叉点都是一个存储单元 在交叉点上接有二极管相当于存储1 没有接二极管则相当于存储0 经输出缓冲器后状态被反相 在存储矩阵中 交叉点的数目也就是存储单元数 即为存储容量 图8 6中存储器的存储容量为22 4 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 28 2 可编程ROM PROM出厂时 制作的是一个完整的二极管或晶体管存储矩阵 图中所有的存储单元相当于全部存入1 PROM的原理框图 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 29 在编程时 如果需要某存储单元存入0 可通过编程器熔化该存储单元的熔丝 PROM为一次性编程器件 一旦编程后不可再进行修改 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 30 3 EPROM 当需要对ROM进行多次编程时 可采用的器件为可擦除可编程ROM 即EPROM EPROM一般指用紫外线擦除的可编程ROM UVEPROM EPROM芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板 不装透明石英盖板EPROM 只能写入一次 也称一次性编程存储器OTPROM 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 31 4 E2PROM UVEPROM其擦除操作复杂 需离线进行 并且擦除速度慢 E2PROM可以用电信号擦除 而可在线重新写入 并且也具有非易失性 E2PROM其擦除和写入的时间仍很长 芯片正常工作时仍只能用作ROM 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 32 5 快闪存储器 闪存是目前最常见的EPROM 它已广泛用于计算机主板 显卡及网卡等扩展卡的BIOS存储器上 而现在各种邮票尺寸的存储卡 包括CF SM MMC MS 还有各种钥匙链大小的USB移动硬盘 USBDrive 优盘 内部用的都是闪存 闪存采用快闪叠栅MOS管作为存储单元 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 33 6 ROM的应用举例 由于ROM是一种组合逻辑电路 因此可以用它来实现各种组合逻辑函数 特别是多输入 多输出的逻辑函数 设计方法列出其真值表或将表达式转换成最小项的和的形式将ROM地址线作为输入 数据线作为输出 根据表达式接入存储器件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 34 例8 1用ROM实现以下多输出函数 并画出其存储矩阵连接图 解 1 选用合适的ROM 多输出函数 4个输入变量和4个输出变量选用24 4位的ROM来实现该电路 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 35 2 将函数表示成最小项的和的形式 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 36 3 画出ROM存储矩阵连接图 以圆点代替存储器件 当接入存储器件时代表存入1 未接入器件代表存入0 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 37 8 2 4存储器扩展 当存储器的存储容量不能满足设计要求时 则需要对存储器进行扩展 存储器扩展包括位扩展和字扩展两种方式 位扩展是对数据线数目进行扩展 字扩展是对地址线数目进行扩展 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 38 1 存储器位扩展 当存储器数据位数不满足要求时 需对其进行位扩展 即增加I O线数量 位扩展方法1 将其读 写信号控制线 片选线和地址线连接在一起 2 将数据线并行输出 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 39 例8 22764为8K 8位EPROM 试用2764存储器设计一片8K 16位的EPROM 两者具有相同数量的地址线后者的数据线比前者多1倍 因此采用2片2764进行位扩展 便可获得所需要的EPROM 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 40 2片2764EPROM实现位扩展接线图 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 41 2 存储器字扩展 当存储器的地址线数量不能满足设计要求时 可采用字扩展方式 即增加地址线数量 字扩展方法1 将各芯片数据线 读 写控制线 低位地址线连接在一起2 要增加的高位地址线 通过译码电路进行译码后分别接至各片的片选控制端3 位线连接在一起 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 42 例8 3试用图2764设计一片16K 8位EPROM 扩展电路接线图 8K 8 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 43 3 存储器字和位同时扩展 当存储器的地址线和数据线数量均不能满足设计要求时 可同时对其进行字和位的扩展 例8 42114是1K 4位SRAM 试用该器件设计一片2K 8的SRAM 所设计的SRAM地址线和数据线比2114都分别多一根 因此 需进行字和位的同时扩展 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 44 4片2114实现字和位扩展的接线图 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 45 8 3可编程逻辑器件 可编程逻辑器件 PLD 是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的逻辑器件 PLD先后出现了PROM PLA PAL GAL EPLD CPLD FPGA等多种品种 用PLD设计的数字系统具有集成度高 速度快 功耗小 可靠性高等优点 目前很多数字系统都采用了PLD器件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 46 分类 根据集成度 PLD分为低密度PLD和高密度PLD两大类 低密度PLD的集成密度一般小于每片700个等效门 它主要包括PROM PLA PAL和GAL等器件 高密度PLD一般指集成度大于1000门 片的PLD 如EPLD CPLD和FPGA 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 47 8 3 1低密度PLD 低密度PLD的基本电路结构框图输入电路为输入缓冲器与阵列产生乘积项 或阵列产生乘积项之和形式的函数 输出电路用于驱动负载 同时构成反馈 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 48 输出结构 输出结构可以是组合结构 时序结构和可编程结构 以实现各种组合逻辑和时序逻辑功能 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 49 1 可编程逻辑阵列PLA PLA具有体积小 速度快的优点 但编程周期较长 而且是一次性的 由于这种器件的资源利用率低 现在已经不常使用了 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 50 2 可编程阵列逻辑PAL PAL由可编程与阵列和固定的或阵列以及输出逻辑3部分组成 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 51 3 通用阵列逻辑GAL 采用了电擦除 电可编程的E2PROM工艺制作 GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC 通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 52 8 3 2高密度PLD 高密度PLD一般是指复杂可编程器件 ComplexProgrammableLogicDevice CPLD 和现场可编程门阵列 FieldProgrammableGateArray FPGA 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 53 1 CPLD CPLD包括高密度CPLD和低密度CPLD两种 在系统可编程逻辑器件 ispPLD 将编程器的写入和擦除控制电路以及高压脉冲发生电路集成到了PLD芯片内部 这样编程时就不需要编程器 只需要一根连接芯片和计算机的电缆 通过计算机软件 就可以把熔丝图文件写入芯片 实现在系统编程 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 54 ISP器件分为低密度ISP和高密度ISP两大类 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 55 ispLSI的电路结构 ispLSI1016是以下部分组成 16个通用逻辑块32个输入输出单元集总布线区2个可编程输出布线区编程控制电路 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 56 ispLSI的引脚图 典型的CPLD器件除了有Lattice的ISP器件外 还有Altera公司的MAX9000系列等器件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 57 2 FPGA 现场可编程门阵列FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件 其集成密度达1000万门 片以上 系统速度可达300MHz 由于FPGA器件具有集成度高 编程速度快 设计灵活及可再配置等特点 因此 在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 58 FPGA基本结构图 FPGA由以下3部分组成 可配置逻辑块 CLB 输入 输出模块 IOB 互连资源 IR 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 59 3 FPGA和CPLD的开发应用选择 根据对芯片速度的要求进行选择 根据对器件功耗的要求进行选择 根据产品规模的不同进行选择 从使用方便角度进行选择 根据加密要求进行选择 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 60 CPLD和FPGA的比较 同属于高密度用户可编程逻辑器件 在很大程度上他们具有相同之处 电路设计操作方法及其仿真方法基本相同 只是在芯片编译适配时生成的下载文件不同 CPLD更适合做各种运算和组合逻辑电路设计 ROM结构 不需要外部存储器 FPGA更适合完成时序较多的多级时序逻辑电路设计 RAM结构 在形成产品时需配合专用程序存储器适用 同一价钱的器件 FPGA芯片的容量 门数 要比CPLD芯片的容量 门数 高出许多 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 61 8 3 3PLD设计流程 基于PLD器件的系统设计主要包括设计分析 设计输入 设计处理 设计仿真 器件编程等几个主要步骤 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 62 设计分析 根据PLD开发环境及设计要求进行分析 选择合适的设计方案和器件型号 设计输入是指将设计的方案输入到计算机的开发软件中的过程 设计处理是对设计输入文件进行编译 优化和综合 分配等的处理 最后以生成供PLD器件下载编程或配置使用的数据下载文件 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 63 设计仿真 对上述逻辑设计进行功能仿真和时序仿真 以验证设计逻辑是否满足设计要求 器件编程是将设计处理生成的文件下载到器件 以完成设计要求 第8章半导体存储器和可编程逻辑器件 64 HDL HardwareDescriptionLanguage 是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言 自1962年诞生以来 经历了由机器码到汇编语言再到高级语言的过程 已经发展成可以用于描述复杂设计的语言