半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件

1、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程邏輯器件第1頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二這類電路的特點(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 CircuitASIC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)第2頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二ASIC分類： ASI

2、C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)第3頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 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

3、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。第4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 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固定連接可編程連接不連接第5頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2. 門電路表示法1AA1AA

4、AA反向緩沖器ABC&FABC&F與門 ABC1FABC1F或門 第6頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二3. 陣列圖1A1B1C&D=BCE=AABBCC=0F=AABBCC=0G=1第7頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二8.2 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)第8頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二8.2.1 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

5、. ROM的結(jié)構(gòu).A0A1An-1地址譯碼器存儲(chǔ)陣列 2nmW0W1W2n-1F0 F1Fm-1字線位線地址線第9頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二地址譯碼器為二進(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).A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 一個(gè)二極管ROM的例子第10頁(yè)，

6、共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二1A11A0&W0W1W2W3F0F1F2F3位線字線第11頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 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）。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 將地址輸

7、入和Fi之間的關(guān)系填入真值表得： 地址 數(shù)據(jù)A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 F0=A1A0F1=A1A0+ A1A0F2=A1A0+ A1A0F3=A1A0ROM實(shí)際是一種組合電路結(jié)構(gòu)。第13頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 陣列圖與陣列：表示譯碼器?；蜿嚵校罕硎敬鎯?chǔ)陣列。存儲(chǔ)容量為： 44 地址 數(shù)據(jù)A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 1A11A0&1111F0F1F2F3m0m1m2m3第14

8、頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2.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.位線字線當(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.第15頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2)EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)EPROM為可擦除、可重新編

9、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.FAMOSVDDD S字線位線原始狀態(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?fàn)顟B(tài).第16頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二一個(gè)EPROM芯片：Intel 2716VCCVPPOECEGND1121324CE是片使能端；OE是數(shù)據(jù)

10、輸出使能端；VPP是編程寫入電源輸入端。容量：2K8位受光窗口第17頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二工作方式讀 出未選中待 機(jī)編 程禁止編程校驗(yàn)讀出CEOEVPP數(shù)據(jù)線D7D0的狀態(tài)0 0 +5V 讀出的數(shù)據(jù) 1 +5V 高 阻 1 +5V 高 阻1 +25V 寫入的數(shù)據(jù)0 1 +25V 高 阻0 0 +25V 讀出校驗(yàn)數(shù)據(jù)2716工作方式第18頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二3）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. 第19頁(yè)，共44頁(yè)，2

11、022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二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):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.第20頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二1A&111F1F2F31B1C&m0m1m2m3m4m5m6m7第21頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2) 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。*

12、 2）、3）是PROM的主要用途。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二8.2.2 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)。第23頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二1. RAM的結(jié)構(gòu).A0A1An-1地址譯碼器存 儲(chǔ)矩 陣 W0W1W2n-1字線地址線讀寫/控制電路讀寫/控制(R/W)片選(CS)數(shù)據(jù)輸入/輸出 (I/O)第2

13、4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二當(dāng)片選信號(hào)CS無(wú)效時(shí)，I/O對(duì)外呈高阻;當(dāng)片選信號(hào)CS有效時(shí)，由R/W信號(hào)決定讀或?qū)?根據(jù)地址信號(hào)，通過I/O輸出或輸入。(I/O為雙向三態(tài)結(jié)構(gòu))ENEN11I/ODR/W第25頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2. 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)XiYjI/OI/OVCCQQT6T4T3T1T2T5T7T8位線Bj位線Bj存儲(chǔ)單元11I/OI/OQQ第26頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二2) 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)

14、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。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二電路結(jié)構(gòu)（以單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元為例）位線數(shù)據(jù)線 (D)字選線TCSCD輸出電容寫信息：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 .第28頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二特點(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

15、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。第29頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二結(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。第30頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二3) RAM容量的擴(kuò)展VCCA8R/WCSGND191018Intel 2114A9A7A5A4A6A0A1A3A2I/O1I/O2I/O3I/O4位擴(kuò)展I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1CSR/WI/O1I

16、/O2I/O3I/O4A9A0A1CSR/WA0A1A9R/WCSI/O1I/O2I/O3I/O4I/O4I/O5I/O6I/O7將2114擴(kuò)展為1K8位的RAM第31頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二8.3 存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展 當(dāng)使用一片ROM或RAM器件不能滿足對(duì)存儲(chǔ)容量的需求時(shí)，則需要將若干片ROM或RAM組合起來，構(gòu)成更大容量的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展方式有兩種：位擴(kuò)展方式和字?jǐn)U展方式。8.3.1 位擴(kuò)展方式 若每一片ROM或RAM的字?jǐn)?shù)夠用而位數(shù)不足時(shí)，應(yīng)采用位擴(kuò)展方式。接法：將各片的地址線、讀寫線、片選線并聯(lián)即可第32頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分

17、，星期二圖是用8片10241的RAM構(gòu)成10248的RAM接線圖第33頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二圖是由兩片2114擴(kuò)展成10248位的RAM電路連線圖。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二8.3.2 字?jǐn)U展方式 若每一片存儲(chǔ)器(ROM或RAM）的數(shù)據(jù)位數(shù)夠而字?jǐn)?shù)不夠時(shí)，則需要采用字?jǐn)U展方式，以擴(kuò)大整個(gè)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)，得到字?jǐn)?shù)更多的存儲(chǔ)器。例 用4片2568位的RAM接成一個(gè)10248位的RAM接線圖10248 RAM解：第35頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二每一片2568的A0 A7可提供28256個(gè)地址，為00到1

18、1，用擴(kuò)展的字A8、 A9構(gòu)成的兩位代碼區(qū)別四片2568的RAM，即將A8、 A9譯成四個(gè)低電平信號(hào)，分別接到四片2568RAM的CS ，如下表A9A8CS1CS2CS3CS4000111011011101101111110第36頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二四片2568RAM地址分配為第37頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二實(shí)現(xiàn)的電路如圖7.4.3所示圖7.4.3第38頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二 如果一片RAM或ROM的位數(shù)和字?jǐn)?shù)都不夠，就需要同時(shí)采用位擴(kuò)展和字?jǐn)U展方法，用多片組成一個(gè)大的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，以滿足對(duì)存儲(chǔ)容

19、量的要求。例7.4.2 試用2564位的RAM，用復(fù)合擴(kuò)展的方法組成10248位的RAM。要求：畫出連線圖；指出當(dāng)R/W=1，地址為0011001100時(shí)，哪個(gè)芯片組被選通？指出芯片組(0)、(1)、(2)、(3)的地址范圍。解 ：（1)先用位擴(kuò)展方式構(gòu)成2568位的RAM，其連線圖如圖所示；第39頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二再由字?jǐn)U展方式構(gòu)成10248位RAM，如圖7.4.6所示，所以一共用了8片2564位的RAM。第40頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)45分，星期二(2) 當(dāng)?shù)刂反a為0011001100,且R/W=1 時(shí)，A9A8=00，2568(1)組被選中，其他組被封鎖。(3)2568(1)的地址為（0000000000)B(0011111111)B ;