数字电子技术（第五版） 课件 第7章 半导体存储器及可编程逻辑器件

第7章半导体存储器及可编程逻辑器件RAM（Random-AccessMemory）“随机”指可以直接存取任意位置的存储单元的数据，且访问时间与存储单元的位置无关。读、写机理相同，读、写时间相同，可无限次写入。用在需要频繁读写数据的场合。一、半导体存储器的分类存储器易失性存储器0102非易失性存储器断电后存储的数据将丢失RAM断电后存储的数据仍可长期保存ROM一、半导体存储器的分类存储器易失性存储器0102非易失性存储器断电后存储的数据将丢失RAM断电后存储的数据仍可长期保存ROMROM（Read-OnlyMemory）数据只能读出不能写入。数据的写入是由制造商完成的。ROM也可以随机访问。实际上，现在有些ROM也可以由用户写入数据，但写入时间远大于读出时间，且写入次数也是有限的。一、半导体存储器的分类存储器易失性存储器0102非易失性存储器断电后存储的数据将丢失RAM断电后存储的数据仍可长期保存ROMROM（Read-OnlyMemory）常用于：1、存放系统程序、数据表、字符代码等不易变化的数据；2、读操作频率远高于写操作频率的场合；3、读写都不频繁的场合。ROM的数据写入过程常称为“编程”1.

ROM的基本结构其中：输出缓冲器的作用——1、提高存储器的带负载能力；2、实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。二、只读存储器ROM字线（选择线）位线（数据线）存储单元：存储器中每存储1位二进制数的点存储容量：存储器中总的存储单元的数量存储容量=字线数N×位线数MROM的结构框图表示存储容量存“1”存“0”2.

ROM的工作原理二极管ROM电路

与阵列

或阵列3.可编程ROMROM固定ROM可编程ROM一次可编程ROM（ProgrammableROM，PROM）光可擦除可编程ROM（ErasableProgrammableROM，EPROM）电可擦除可编程ROM（ElectricalErasableProgrammableROM，EEPROM）快闪存储器（FlashMemory，Flash或闪存）（1）固定ROM

固定ROM也称为掩膜ROM，存放的信息是由生产厂家采用掩膜工艺专门为用户制作的，这种ROM出厂时其内部存储的信息就已经“固化”在里边了，所以也称固定ROM。它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存放固定数据、固定程序和函数表等。（2）可编程ROM（PROM）

厂家制造PROM时，使存储矩阵（“或”阵列）的所有存储单元的内容全为“1”（或“0”），用户可根据自己的需要自行确定存储单元的内容，但只可写入一次。图7.1.1PN结击穿法PROM的存储单元图7.1.2熔丝型PROM的存储单元表7.1.1各类存储器特性比较ROM中的信息可以随时读出，但不可以随时写入；数据不易丢失，断电亦保存；

ROM工作时无需刷新；

ROM电路结构简单，集成度可以很高，宜批量生产，价格便宜。4.

ROM的总体特点5.

ROM的应用示例1——移动U盘：示例2——闪存卡：示例3——BIOS：【例1】一个ROM中的数据表如下所示：

地址字线数据0001101100010010010010000101101101001110

与阵列或阵列◆SRAM：静态存储器（StaticRAM）主要利用静态触发器的自保功能存储特性*双极型RAM存储单元：TTL、ECL、IIL*六管静态MOSRAM单元◆DRAM：动态存储器（DynamicRAM）主要利用MOS管栅极电容的存储电荷的原理*四管动态、三管动态（早期）*单管动态存储单元1.

RAM的分类三、随机存储器RAM2.

SRAM的电路结构及工作原理◆SRAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（输入/输出）电路构成，其结构框图如下：图7.1.3SRAM的结构框图◆在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去；◆最大优点：读、写方便，使用灵活；◆缺点：数据易失性，断电即丢失，需不断刷新。3.

RAM的总特点1.

RAM存储器容量的扩展

当用一片RAM器件不能满足对存储容量的要求时，就需要将若干片RAM组合起来，形成一个容量更大的存储器。ROM亦同。扩展方式扩展目的◆字扩展方式◆位扩展方式◆字位同时扩展方式四、存储器的应用位扩展方式【例1】试用1024×2RAM扩展成1024×6存储器。I/01I/02I/03I/04I/05I/06…

字扩展方式【例2】试将256×8位RAM扩展成1024×8位存储器。表7.1.2各片RAM电路的地址分配先位扩展

再字扩展字位同时扩展方式已知SRAM2112（256×4）组成的扩展电路如下图所示，该电路的内存范围为：(

)400H~4FFH200H~2FFH800H~8FFH6FFH~8FFHABCD提交单选题2分为构成4096×4位的RAM，需要（）片1024×1的RAM。481632ABCD提交单选题2分【例2】试用ROM设计一个七段字符显示的译码器，其真值表由下表给出。

2.实现组合逻辑电路

【例3】试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数：

【例4】分析下图所示电路的逻辑功能。其中:WXYZ对应8421-BCD码的4位输出。解：从该ROM中可在16个CP内读出如下数据：CP序号计数器状态选出字线读出数据（WXYZ）对应8421-BCD10000W00011320001W10001130010W20100440011W30001150100W40101560101W51001970110W60010280111W701106…151110W1410019161111W1500113存储数学常数π值！可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice,简称PLD）——用户可以根据自己的需要，定义其逻辑功能的器件。一、可编程逻辑器件PLD简介PLD的优点：集成度高、电路尺寸小、功耗低、可靠性高、用户的专用电路、不改电路变更系统功能。可编程逻辑器件PLD简单可编程逻辑器件SPLD(SimplePLD)高密度可编程逻辑器件复杂可编程器件CPLD(ComplexPLD)现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL通用阵列逻辑GAL1.PLD的分类2.PLD的基本结构图7.2.1可编程逻辑器件的基本结构输入缓冲电路：对输入信号进行预处理。与或阵列：可编程逻辑器件的主体，实现“积之和”形式的逻辑函数。输出缓冲电路：对输出信号进行处理。3.

PLD电路中门电路的画法与门输出恒等于0的与门或门互补输出的缓冲器三态输出的缓冲器二、低密度可编程逻辑器件

与阵列(可编程)或阵列(可编程)输出电路可编程可编程1.可编程逻辑阵列PLA【例1】用组合型FPLA设计组合逻辑函数。典型PLA集成电路

解：变换成最简与或形式★PAL器件的基本电路结构如下：★PAL器件设计电路时只需按照编程软件规定的格式输入逻辑真值表，后续的工作将由开发系统自动完成。2.可编程阵列逻辑PAL可编程不可编程★通用阵列逻辑（GenericArrayLogic,GAL）的推出主要是为了克服PAL器件输出电路不可改写的缺陷。★GAL采用电可擦除的CMOS制作，可用电压信号擦除并可重新编程。★GAL输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC:OutputLogicMacroCell），通过编程将OLMC设置成不同工作状态，这样可用同一种GAL器件实现PAL器件所有的各种输出电路工作模式，从而增强器件的通用性，并因此取代了PAL器件。3.通用阵列逻辑GAL可编程不可编程可编程一、CPLD基本结构编程技术：E2PROM快闪存储器GALGALGALGALGALGAL图7.3.1CPLD的基本结构1.逻辑块Altera——LAB（LogicArrayBlock）Xilinx——FB（FunctionBlock）Lattice——GLB（GenericLogicBlock）二、CPLD工作原理nm图7.3.2逻辑块结构XC9500系列：n=36，m=18MAX7000S系列：n=36，m=16nmnm

可编程乘积项阵列决定了每个逻辑块乘积项的总数；

输入变量个数决定了每个乘积项的变量个数；XC9500系列的逻辑块：90个36变量乘积项；

MAX7000S系列的逻辑块：80个36变量乘积。nm乘积项分配模块将乘积项阵列中任何一个乘积项分配给某一个宏单元或多个宏单元，增强了灵活性。XC9500系列的逻辑块：90个乘积项可以组合到一个宏单元中，产生90个乘积项的与或式。

MAX7000S系列的逻辑块：还可以使同一个乘积项被多个宏单元共享。nm包含一个或门、一个触发器和一些可编程的数据选择器及控制门。宏单元的输出不仅送到I/O块，也送回内部连线区。组合逻辑输出寄存器输出清零或置位2.

I/O块图7.3.3I/O单元结构芯核工作电压I/O工作电压图7.3.3I/O单元结构3.可编程内部连线Altera公司：可编程连线Xilinx公司：开关矩阵Lattice公司：全局布线区实现可编程互连的方法有两种：厂商系列型号逻辑块宏单元个数（单个逻辑块）宏单元总数逻辑块输入宽度/bit最高工作频率/MHz工作电压/V最大可用引脚数AlteraMAX7000SEPM7032S4166436175.4568MAX7000AEPM7128AE81612836192.33.3100MAXIIEPM2210G221101700263041.8272XilinxXC9500XC95144818144361005133XC9500XLXC95144XL818144542003.3117LatticeispMACH4000V4128V816128363333.3100ispLSI5000VE5128VE432128641803.396表7.3.1典型CPLD产品的相关参数MAXII的逻辑块中不是与或阵列而是查找表（LUT）反熔丝：熔丝编程前呈现高阻状态，相当于断开，加高电压编程后，熔丝电阻变小，相当于导通。占用面积小。编程技术：SRAM：

无限次编程反熔丝：只能编程一次，主要用于大批量定型产品一、查找表逻辑结构异或逻辑真值表存储器地址存储内容F000011101110异或逻辑真值表存储器地址存储内容F000011101110000异或逻辑真值表存储器地址存储内容F000011101110011查找表LUT（LookUpTable）3输入LUT结构4输入LUT结构6输入LUT结构字扩展关系高位地址输出FEZ00选通LUT（I）01选通LUT（II）10选通LUT（III）11选通LUT（IV）006输入LUT结构字扩展关系高位地址输出FEZ00选通LUT（I）01选通LUT（II）10选通LUT（III）11选通LUT（IV）016输入LUT结构二、FPGA基本结构图7.4.1FPGA的结构组成1.可配置逻辑块（CLB