存儲(chǔ)器和可編程邏輯器.ppt

第12章 存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件,數(shù)字邏輯器件分類：,1） 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品：包括門、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等等中小規(guī)模數(shù)字電路。,標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的特點(diǎn)是：批量大，成本低，價(jià)格便宜，速度快。是數(shù)字系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的主要邏輯器件。,缺點(diǎn)是：器件密度低，所構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模大，印刷線路板走線復(fù)雜，焊點(diǎn)多，使電路的可靠性差，功耗大。,2）由軟件配置的大規(guī)模集成電路：如微處理機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)等。,12.1 概述,這類電路的特點(diǎn)：器件密度高，邏輯功能可由軟件配置，用它所構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)硬件規(guī)模小，系統(tǒng)靈活性高。,缺點(diǎn)：工作速度不夠高，另外，這類芯片一般要用多片標(biāo)準(zhǔn)集成電路構(gòu)成外圍電路才能工作。,3）專用集成電路（ASIC) Application Specific Integrated Circuit,ASIC是為滿足一種或幾種特定功能而設(shè)計(jì)制造的集成電路芯片，密度高， ASIC芯片能取代由若干個(gè)中小規(guī)模電路組成的電路板，甚至一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng),ASIC分類： ASIC屬用戶定制電路。（Custom Design IC).包括全定制和半定制兩種。,全定制（Full custom design IC):半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的特定要求專門設(shè)計(jì)并制造。,特點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，風(fēng)險(xiǎn)大。在大批量定型產(chǎn)品中使用。,半定制（Semi- custom design IC):半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并制造出的標(biāo)準(zhǔn)的半成品芯片。,半定制電路分類：, 門陣列 （Gate Array),在硅片上預(yù)先做好大量相同的基本單元電路，并把它整齊地排成陣列，這種半成品芯片稱為母片。母片可由廠家大批量生產(chǎn)。,當(dāng)用戶需制作滿足特定要求的ASIC芯片時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇母片，由用戶或廠家設(shè)計(jì)出連線版圖，再由器件生產(chǎn)廠家經(jīng)過金屬連線等簡(jiǎn)單工藝，制成成品電路。,缺點(diǎn)：用戶主動(dòng)性差，使用不方便。,特點(diǎn)：周期較短，成本較低，風(fēng)險(xiǎn)小。, 可編程邏輯器件(PLD) (Programmable Logic Device),芯片上的電路和金屬引線由半導(dǎo)體廠家做好，其邏輯功能由用戶開發(fā)實(shí)現(xiàn)。,特點(diǎn)：集成度高，速度快，靈活性好，可重復(fù)編程。電路設(shè)計(jì)方便，風(fēng)險(xiǎn)低。,1. PLD器件的連接表示方法,2. 門電路表示法,3. 陣列圖,12.2 存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器是一種通用大規(guī)模集成電路,用來存放程序和數(shù)據(jù).,存儲(chǔ)器分類: 1) 只讀存儲(chǔ)器(ROM) 2) 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM),12.2.1 ROM (Read-Only Memory),ROM存放固定信息,只能讀出信息,不能寫入信息.當(dāng)電源切斷時(shí),信息依然保留.,1. ROM的結(jié)構(gòu),地址譯碼器為二進(jìn)制譯碼器,即全譯碼結(jié)構(gòu).(地址線為n根,譯碼器輸出為2n根字線,說明存儲(chǔ)陣列中有2n個(gè)存儲(chǔ)單元),2) 存儲(chǔ)陣列輸出有m根位線,說明每個(gè)存儲(chǔ)單元有m位,即 一個(gè)字有m位二進(jìn)制信息組成.每一位稱為一個(gè)基本存 儲(chǔ)單元.,3) 存儲(chǔ)器的容量定義為: 字?jǐn)?shù)位數(shù)(2nm).,一個(gè)二極管ROM的例子,A1 A0 F0 F1 F2 F3 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0, W0W3為地址譯碼器的輸出 Wi=mi (mi為地址碼組成 的最小項(xiàng)）, 當(dāng)A1A0=00時(shí)，W0=1, F0F1F2F3=0100(一個(gè)字）； 當(dāng)A1A0=01時(shí)，W1=1, F0F1F2F3=1001(一個(gè)字）； 當(dāng)A1A0=10時(shí)，W2=1, F0F1F2F3=0110(一個(gè)字）； 當(dāng)A1A0=11時(shí)，W3=1, F0F1F2F3=0010(一個(gè)字）。, 將地址輸入和Fi之間的關(guān)系填入真值表得：,ROM實(shí)際是一種組合電路結(jié)構(gòu)。, 陣列圖,與陣列： 表示譯 碼器。,或陣列： 表示存 儲(chǔ)陣列。,存儲(chǔ)容量為： 44,2.可編程只讀存儲(chǔ)器,用戶可根據(jù)需要自行進(jìn)行編程的存儲(chǔ)器.,1) PROM(Programmable Read-Only Memory),PROM為能進(jìn)行一次編程的ROM，PROM的結(jié)構(gòu)和ROM基本相同,只是在每個(gè)存儲(chǔ)管上加一根易熔的金屬絲接到相應(yīng)的位線.,當(dāng)在該位上需要存0時(shí),通過 編程,燒斷熔絲;當(dāng)需存1時(shí), 保留熔絲.,編程為一次性的,燒斷的熔絲 不能再接上.,2)EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory),EPROM為可擦除、可重新編程的只讀存儲(chǔ)器.擦除用專用的紫外線燈照射芯片上的受光窗口.,EPROM器件的基本存儲(chǔ)單元采用浮柵雪崩注入MOS管(簡(jiǎn)稱FAMOS管)電路.,原始狀態(tài)的浮柵不帶電荷,FAMOS管 不導(dǎo)通,位線上為高電平.當(dāng)FAMOS管的源極S與襯底接地電位,漏極接高電位(較大)時(shí),漏極的PN結(jié)反向擊穿產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,使FAMOS導(dǎo)通.位線為低 電位. 如用紫外線或者X射線照射FAMOS管,可使柵極放電,FAMOS恢復(fù)到截止 狀態(tài).,一個(gè)EPROM芯片：Intel 2716,VPP是編程寫入電源輸入端。,容量：2K8位,3）E2PROM(電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）,特點(diǎn)：編程和擦除均由電完成； 既可整片擦除，也可使某些存儲(chǔ)單元單獨(dú)擦除； 重復(fù)編程次數(shù)大大高于EPROM.,3.PROM的應(yīng)用,1) 實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù),用PROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù),實(shí)際上是利用PROM中的最小項(xiàng),通過或陣列編程,達(dá)到設(shè)計(jì)目的.,F1(A,B,C)=m(1,5,6,7),F2(A,B,C)=m(0,1,3,6,7),F3(A,B,C)=m(3,4,5,6,7),例:用PROM實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù):,2) 存放數(shù)據(jù)表和函數(shù)表:例如三角函數(shù)、對(duì)數(shù)、乘法等表 格。,3）存放調(diào)試好的程序。,* 2）、3）是PROM的主要用途。,12.2.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM),RAM可以隨時(shí)從任一指定地址讀出數(shù)據(jù),也可以隨時(shí)把數(shù)據(jù)寫入任何指定的存儲(chǔ)單元 .,RAM在計(jì)算機(jī)中主要用來存放程序及程序執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等.,RAM按工藝分類： 1）雙極型；2）場(chǎng)效應(yīng)管型。,場(chǎng)效應(yīng)管型分為： 1）靜態(tài)；2）動(dòng)態(tài)。,1. RAM的結(jié)構(gòu),2. RAM的存儲(chǔ)單元,靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)單元 (以六管NMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元為例),2) 動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路,動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路由動(dòng)態(tài)MOS基本存儲(chǔ)單元組成。動(dòng)態(tài)MOS基本存儲(chǔ)單元通常利用MOS管柵極電容或其它寄生電容的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)來存儲(chǔ)信息。,電路結(jié)構(gòu)（以單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元為例）,寫信息：字選線為1，T導(dǎo)通， 數(shù)據(jù)D經(jīng)T送入CS .,讀信息：字選線為1，T導(dǎo)通， CS上的數(shù)據(jù)經(jīng)T送入位線的等 效電容CD .,特點(diǎn)： 1）當(dāng)不讀信息時(shí)，電荷在電容CS上的保 存時(shí)間約為數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒；,2）當(dāng)讀出信息時(shí)，由于要對(duì)CD充電，使 CS上的電荷減少。為破壞性讀出。,3）通常在CS上呈現(xiàn)的代表1和0信號(hào)的電平 值相差不大，故信號(hào)較弱。,結(jié)論：1）需加刷新電路；,2）輸出端需加高鑒別能力的輸出放大器。,3）容量較大的RAM集成電路一 般采用單管電 路。,4）容量較小的RAM集成電路一 般采用三 管或四 管電路。多管電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但外圍電路簡(jiǎn) 單。,3) RAM容量的擴(kuò)展,位擴(kuò)展,將2114擴(kuò)展為1K8位 的RAM,字?jǐn)U展,將2114擴(kuò)展為2K4位的RAM,12.3 可編程邏輯器件（PLD),PLD是ASIC的一個(gè)重要分支。PLD包括PLA、PAL、GAL和EPLD、FPGA等。,PLD具有集成度高，速度快，保密性好，可重復(fù)編程等特點(diǎn)。,根據(jù)與、或陣列的可編程性，PLD分為三種基本結(jié)構(gòu)。,1）與陣列固定，或陣列可編程型結(jié)構(gòu),PROM屬于這種結(jié)構(gòu)。,2）與、或陣列均可編程型結(jié)構(gòu),PLA(Programmable Logic Array)屬于這種結(jié)構(gòu)。,特點(diǎn)：與陣列規(guī)模大，速度較低。,特點(diǎn)：速度快，設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)可采用最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部資源利用率高。但編程難度大，缺乏質(zhì)高價(jià)廉的開發(fā)工具。,3）或陣列固定，與陣列可編程型結(jié)構(gòu),PAL(Programmable Array Logic)屬于這種結(jié)構(gòu)。,該結(jié)構(gòu)稱為PAL結(jié)構(gòu)。,特點(diǎn)：速度快，費(fèi)用低，易于編程。當(dāng)前許多PLD器件都 采用這種結(jié)構(gòu)。,12.3.1 可編程陣列邏輯(PAL),PAL的基本結(jié)構(gòu),實(shí)際產(chǎn)品中,構(gòu)成輸出的乘積項(xiàng)可達(dá)8個(gè).,1. PLA的輸出結(jié)構(gòu),PAL的與陣列結(jié)構(gòu)類同.但輸出結(jié)構(gòu)有多種:,1) 組合輸出型(這種結(jié)構(gòu)適用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路), 專用輸出結(jié)構(gòu),共有三種形式: 高輸出有效; 低輸出有效; 互補(bǔ)輸出.,本例為低 輸出有效, 可編程I/O結(jié)構(gòu),2) 寄存器輸出型,寄存器輸出型結(jié)構(gòu),內(nèi)含觸發(fā)器,適應(yīng)于實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路., 寄存器輸出結(jié)構(gòu),帶異或門的寄存器輸出結(jié)構(gòu), 算術(shù)運(yùn)算反饋結(jié)構(gòu),PAL的結(jié)構(gòu)代碼,用PAL實(shí)現(xiàn)22乘法器（輸入A1A0和B1B0分別為兩位二進(jìn)制數(shù)，輸出為結(jié)果F3F2F1F0的反碼。,邏輯方程為：,設(shè)計(jì)采用PAL16L8,2.PAL應(yīng)用舉例,3.PAL器件的性能特點(diǎn), 邏輯功能由用戶定義，用可編程方法代替常規(guī) 設(shè)計(jì)方法；, 編程容易，開發(fā)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布線 過程；,器件密度大，可代替多片中小規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路，比用常規(guī)器件節(jié)省空間；,器件傳輸延遲小，工作頻率高，有利于提高系統(tǒng)的工作速度；,具有可編程的三態(tài)輸出，管腳配置靈活，輸入輸出管腳數(shù)量可變；,具有加密功能，有利于系統(tǒng)保密；,采用多種工藝制造，可滿足不同系統(tǒng)不同場(chǎng)合的各種需要。,12.3.2 通用陣列邏輯(GAL),GAL器件繼承了PAL、PROM等器件的優(yōu)點(diǎn)，克服了原有PAL器件的不足,是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想器件.,1. GAL基本結(jié)構(gòu),GAL基本結(jié)構(gòu)和PAL大致類似,只是在輸出結(jié)構(gòu)上作了重要改進(jìn).,OLMC 結(jié)構(gòu),AC0、AC1