第八章 大规模集成电路

1 第八章大规模集成电路 大规模集成电路是指集成度达到每片包含1000个元件 或等效100个门 以上的集成电路 而超超大规模的集成电路 每片元件数可达百万个 大规模集成电路的集成度高 包含了很多组合逻辑电路和时序逻辑电路 形成了具有复杂逻辑功能的数字系统 大规模集成电路的种类很多 按其应用角度可以分为两大类 一类为通用形 如各种形号的存储器 微处理器 另一类属于专用形 只能在少数设备中使用 2 大规模集成电路从制造工艺的角度 也可以分为两大类 一类为双极型 另一类是MOS型大规模集成电路 应用大规模集成电路后 可以有效地提高电子设备的性能 可以大大减少设备的体积和重量 降低功耗 本章节主要介绍组成大规模集成电路蝗基本单元电路 它们是组成各种大规模集成器件的基础 3 第一节动态移位寄存器和顺序存取存储器 SAM 在第六章中介绍的移位寄存器属于静态移存器 由于它的功耗和占用基片面积都相当大 不适合于大规模集成 这一节讨论适合大规模集成的动态移存器 动态移存器利用MOS管的栅极和基片之间的输入电容来暂存信息 在充电后 即使去掉输入信号 电容中的信号不会马上放掉 至少可以维持几毫秒 故必须在移位脉冲不断作用下 才能长久保存信息 所以它只能在动态中运用 故称之为动态移存器 4 一 动态MOS反相器 1 动态有比MOS反相器2 动态无比MOS反相器 二 动态MOS移位寄存器单元 1 两相动态有比移位寄存器单元2 两相动态无比移位寄存器单元3 CMOS动态移存单元 三 K位动态移位寄存器四 顺序存取存储器 1 先入先出顺序存取存储器2 先入后出顺序 FILO 存储器 5 第二节随机存取存储器 RAM 随机存取存储器又叫随机读 写存储器 简称RAM 指的是可以从任意选定的单元读出数据 或将数据写入任意选定的存储单元 优点 读写方便 使用灵活 缺点 掉电丢失信息 分类 SRAM 静态随机存取存储器 DRAM 动态随机存取存储器 6 RAM的结构和读写原理 1 RAM的结构框图 图8 1RAM的结构框图 I O端画双箭是因为数据即可由此端口读出 也可写入 7 存储矩阵 共有28 256 行 24 16 列共212 4096 个信息单元 即字 每个信息单元有k位二进制数 1或0 存储器中存储单元的数量称为存储容量 字数 位数k 8 地址译码器行地址译码器 输入8位行地址码 输出256条行选择线 用x表示 列地址译码器 输入4位列地址码 输出16条列选择线 用Y表示 9 读写控制电路 当R W 0时 进行写入 Write 数据操作 当R W 1时 进行读出 Read 数据操作 10 图8 2RAM存储矩阵的示意图 2564 256个字 每个字4位 RAM存储矩阵的示意图 如果X0 Y0 1 则选中第一个信息单元的4个存储单元 可以对这4个存储单元进行读出或写入 11 2 RAM的读写原理 以图8 1为例 当CS 时 RAM被选中工作 若A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 000000000000表示选中列地址为A11A10A9A8 0000 行地址为A7A6A5A4A3A2A1A0 00000000的存储单元 此时只有X0和Y0为有效 则选中第一个信息单元的k个存储单元 可以对这k个存储单元进行读出或写入 12 若此时R W 1 则执行读操作 将所选存储单元中的数据送到I O端上 若此时R W 0时 进行写入数据操作 当CS 1时 不能对RAM进行读写操作 所有端均为高阻态 13 RAM的存储单元按工作原理分为 静态存储单元 利用基本RS触发器存储信息 保存的信息不易丢失 动态存储单元 利用MOS的栅极电容来存储信息 由于电容的容量很小 以及漏电流的存在 为了保持信息 必须定时给电容充电 通常称为刷新 14 图8 2 3所示为用6只N沟道增强型MOS管组成的静态单元 其中T1 T2管组成RS触发器 T5 T6管为门控管 作为模拟开关使用 以控制触发器的Q端 Q端与位线Bj B之间的联系 现在分析它的工作原理 如果Xi Xj 1 则该存储单元被选中 i j 存储单元 由于Xi Yi 1 则T5 T6 T7 T8等均导通 当的时 进行写数工作 由于R W 1 则进行读数工作 此时门G1 G2禁止 门G3工作 该单元的存储数据经数据线通过门G3由I O输出数据 一 六管静态存储单元 15 二 动态存储单元 16 三 RAM容量的扩展 1 1024 4位RAM 图8 2 7为1024 4位RAM的结构框图 其中4096个存储单元排列成64 64矩阵 10位地址码分成两组译码 A4 A9 6位地址码加到行地址译码器上 其译码器的输出为X0 X63 从64行存储单元中选出指定的一行 另外4位地址码加到列地址译码器 其输出为Y0 15 再从已选中的一行里选出要进行读 写的4个存储单元 17 2 位扩展法 位扩展 即字长扩展 将多片存储器经适当的连接 组成位数增多 字数不变的存储器 方法 用同一地址信号控制n个相同字数的RAM 返回 18 例 将256 1的RAM扩展为256 8的RAM 将8块256 1的RAM的所有地址线和CS 片选线 分别对应并接在一起 而每一片的位输出作为整个RAM输出的一位 19 256 8RAM需256 1RAM的芯片数为 图8 10RAM位扩展 将256 1的RAM扩展为256 8的RAM 20 3 字扩展法 将多片存储器经适当的连接 组成字数更多 而位数不变的存储器 例 由1024 8的RAM扩展为4096 8的RAM 共需四片1024 8的RAM芯片 1024 8的RAM有10根地址输入线A9 A0 4096 8的RAM有12根地址输入线A11 A0 选用2线 4线译码器 将输入接高位地址A11 A10 输出分别控制四片RAM的片选端 21 图8 11RAM字扩展 由1024 8的RAM扩展为4096 8的RAM 22 字位扩展 例 将1024 4的RAM扩展为2048 8RAM 位扩展需2片芯片 字扩展需2片芯片 共需4片芯片 字扩展只增加一条地址输入线A10 可用一反相器便能实现对两片RAM片选端的控制 字扩展是对存储器输入端口的扩展 位扩展是对存储器输出端口的扩展 23 图