第七章--存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列PPT课件

第七章存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列,第七章存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列,7.1只读存储器7.2随机存取存储器7.3复杂可编程逻辑器件7.4现场可编程门阵列,存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码（地址码），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一个“字”）。,(2)读写存储器(RAM),(1)只读存储器(ROM),半导体存储器可分为两大类：,概述,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）,（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。,7.1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。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ROM的结构及工作原理1.ROM的内部结构由地址译码器和存储矩阵组成。,给出任意一个地址码，译码器与之对应的字线变为高电平，进而从位线上便可输出四位数字量。,图中存储器的内容如左表,2.ROM的基本工作原理：由地址译码器和或门存储矩阵组成。,例：存储容量为44的ROM,0,A,A,1,1,1,1,W,0,3,W,W,2,1,W,D,3,D,2,1,D,D,0,1,地,址,译,码,器,二极管固定ROM举例（1）电路组成：,由二极管与门和或门构成。与门阵列组成译码器，或门阵列构成存储阵列。,A,1,0,1,1,A,1,1,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,EN,D,EN,EN,D,D,D,EN,.,D,D,D,D,0,0,1,1,2,2,3,3,输出缓冲器,位,线,W,W,W,W,0,1,2,3,字,线,.,.,.,与,门,阵,列,（译码器）,（编码器）,门,阵,列,或,EN,V,CC,（2）输出信号表达式,与门阵列输出表达式：,（3）ROM存储内容的真值表,或门阵列输出表达式：,二极管固定ROM举例（1）电路组成：,由二极管与门和或门构成。与门阵列组成译码器，或门阵列构成存储阵列。,A,1,0,1,1,A,1,1,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,EN,D,EN,EN,D,D,D,EN,.,D,D,D,D,0,0,1,1,2,2,3,3,输出缓冲器,位,线,W,W,W,W,0,1,2,3,字,线,.,.,.,与,门,阵,列,（译码器）,（编码器）,门,阵,列,或,EN,V,CC,（2）输出信号表达式,与门阵列输出表达式：,（3）ROM存储内容的真值表,或门阵列输出表达式：,左图是使用MOS管的ROM矩阵：字线和位线间有MOS管的单元存储“0”，无MOS管的单元存储“1”。,在前面介绍的两种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为固定ROM。,有一种可编程序的ROM，在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为“0”,然而只能改写一次，称其为PROM。,若将熔丝烧断，该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。,1.作函数运算表电路【例7.21】试用ROM构成能实现函数y=x2的运算表电路，x的取值范围为015的正整数。,三ROM的应用,【解】（1）分析要求、设定变量自变量x的取值范围为015的正整数，对应的4位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据y=x2的运算关系，可求出y的最大值是152225，可以用8位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。,（2）列真值表函数运算表,Y7=m12+m13+m14+m15,（3）写标准与或表达式,Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12,Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15,Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15,Y3=m3+m5+m11+m13,Y1=0,Y2=m2+m6+m10+m14,(4)画ROM存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示。,Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15,【解】（1）写出各函数的标准与或表达式：按A、B、C、D顺序排列变量，将Y1、Y2、Y4扩展成为四变量逻辑函数。,2.实现任意组合逻辑函数,【例】试用ROM实现下列函数：,（2）选用164位ROM，画存储矩阵连线图：,PROM中的内容只能写一次，有时仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多次的ROM，简称EPROM。它所存储的信息可以用紫外线或X射线照射擦去，然后又可以重新编制信息。,ROM的主要技术指标是存储容量。它一般用存储字数：2N输出位数：M来表示(其中N为存储器的地址线数)。例如：128字8位、1024字8位等。,四.ROM的应用举例,1.用于存储固定的专用程序,2.利用ROM可实现查表或码制变换等功能,查表功能查某个角度的三角函数,把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。,码制变换把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。,3.ROM在波形发生器中的应用,四EPROM举例2764,V,V,pp,cc,CS,PGM,A,A,D,D,12,0,0,7,地,2764,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,A,A,11,12,O,O,O,O,O,0,O,1,2,O,3,4,5,O,6,7,2,23,21,24,25,3,4,5,6,7,8,9,8kB8,2764,10,1,27,PGM,(PGM),V,IH,20,CS,OE,CS,OE,22,11,12,13,15,16,17,18,19,地,址,输,入,数,据,据,输,出,V,CC,VPP,28,GND,14,五.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8k16位EPROM的连线图。,读写存储器又称随机存储器。,读写存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器，简称RAM。,RAM按功能可分为静态、动态两类；,RAM按所用器件又可分为双极型和MOS型两种。,7.2随机存取存储器(RAM),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。,1.存储矩阵,图中，1024个字排列成3232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X11、列选线Y01，选中第X1行第Y0列的那个存储单元。,3RAM的存储单元,例.六管NMOS静态存储单元,4.片选及输入/输出控制电路,当选片信号CS1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CS0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。,二.RAM的工作时序（以写入过程为例）,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。,RAM组件及其连接,常用RAM组件的类型很多，以下介绍两种：RAM2114和RAM6116。,RAM2114共有10根地址线，4根数据线。故其容量为：1024字4位（又称为1K4）,RAM6116的容量为：2048字8位（又称为2K8）,RAM2114、2116的管脚图,三RAM的容量扩展,1位扩展用8片1024（1K）1位RAM构成的10248位RAM系统。,用两片2114将位数由4位扩展到8位,RAM容量的扩展,1.位数的扩展：把各片对应的地址线连接在一起，数据线并列使用即可。接线如下图：,2.字数的扩展：,各片RAM对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的选片控制端。,用2114接成4096字4位型存储器时，高位地址和存储单元的关系如下表：,41,2字扩展:用8片1K8位RAM构成的8K8位RAM。,RAM的芯片简介6116为2K8位静态CMOSRAM芯片引脚排列图：A0A10是地址码输入端，D0D7是数据输出端，是选片端，是输出使能端，是写入控制端。,用8片2764扩展成64k8位的EPROM：,（2）字数扩展（地址码扩展）,.,Y,1,2764,2764,2764,74LS138,U1,U2,U8,+5V,A,A,A,13,14,15,2A,2B,13,13,13,13,8,8,8,8,地址总线,数据总线,7.3复杂可编程逻辑器件,一、PLD的电路表示,1、基本门电路的PLD表示,交叉点连接三种方式,输入输出器件,与门,L1=ABCD,L2=A+B+C+D,或门,2、连接方式：PLD由与门和或门阵列组成,3、三种连接与运算,.,50,二、CPLD的结构,.,51,7.4现场可编程门阵列(FPGA),现场可编程门阵列是20世纪80年代中期发展起来的另一种类型的可编程器件。它是采用查找表实现逻辑函数，能实现更大规模和更复杂的逻辑电路。,一、FPGA中编程实现逻辑功能的基本原理,例:实现逻辑函数,以ABCD为地址将F的值写入SRAM中,每输入一组ABCD信号进行逻辑运算就相当于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容输出,在F端便得到该组输入信号逻辑运算的结果。,.,52,二、FPGA的结构,FPGA主要由可编程逻辑模块、RAM块、输入/输出模块、延时锁环和可编程布线矩阵等组成。,1、可编程逻辑模块是实现各种逻辑功能的基本单元，包括组合逻辑、时序逻辑、加法器等运算功能。,2、可编程大的输入/输出模块是芯片外部引脚数据与内部数据进行交换的接口电路，通过编程可将I/O引脚设置成输入、输出和双向等不同的功能。,3、延时锁环可以控制和修正内部各部分时钟的传输延迟时间，保证逻辑电路可靠地工作。同时也可产生相位滞后地时钟脉冲，还可产生倍频或分频时钟。,.,53,三、FPGA编程简介,1、配置（编程）数据将配置数据写入FPGA芯片后，该芯片便具有了所设计的功能。配置数据由FPGA开发软件自动生成。开发系统将设计输入转换成网表文件，并自动对逻辑电路进行划分、布局和布线，然后按照PROM格式生成配置数据流文件。,2、配置数据的装入每次上电后，FPGA可以自动将PROM中的配置数据装载到FPGA中，或通过控制FPGA相应的编程引脚，将配置数据装载到FPGA中。装载完成后，FPGA按照配置好的逻辑功能开始工作。,本章小节,2RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAM和DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM则必需定期刷新。,1半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成