第七章 存儲器和復(fù)雜可編程器件lhc

第7章存儲器和復(fù)雜可編程邏輯器件7.1只讀存儲器7.2隨機(jī)存取存儲器7.3復(fù)雜可編程邏輯器件*7.4現(xiàn)場可編程門陣列*7.5用EDA技術(shù)和可編程器件的設(shè)計(jì)例題教學(xué)基本要求：1、掌握半導(dǎo)體存儲器字、位、存儲容量、地址等基本概念；2、掌握RAM、ROM的工作原理及典型應(yīng)用；3、了解存儲器的存儲單元的組成及工作原理；4、了解CPLD、FPGA的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)邏輯功能的編程原理。概述半導(dǎo)體存儲器能存放大量二值信息的半導(dǎo)體器件。存儲器的主要性能指標(biāo):存取時(shí)間多長——存儲速度存儲數(shù)據(jù)量多大——存儲容量

可編程邏輯器件是一種通用器件，其邏輯功能是由用戶通過對器件的編程來設(shè)定的。它具有集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、處理速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。7.1只讀存儲器7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構(gòu)7.1.2二維譯碼7.1.3可編程ROM7.1.4集成電路ROM7.1.5ROM的讀操作與定時(shí)圖7.1.6ROM應(yīng)用舉例存儲器

RAM(Random-AccessMemory)

ROM(Read-OnlyMemory)RAM(隨機(jī)存取存儲器):

在運(yùn)行狀態(tài)可以隨時(shí)進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。存儲的?shù)據(jù)必須有電源供應(yīng)才能保存,一旦掉電,數(shù)據(jù)全部丟失。ROM(只讀存儲器)：在正常工作狀態(tài)只能讀出信息。斷電后信息不會丟失，常用于存放固定信息（如程序、常數(shù)等）。固定ROM

可編程ROM

PROM

EPROM

E2PROM

SRAM

(StaticRAM)：靜態(tài)RAMDRAM

(DynamicRAM)：動態(tài)RAM1.存儲器的分類2.幾個(gè)基本概念存儲容量：存儲二值信息的總量。字?jǐn)?shù)：字的總量。字長（位數(shù)）：表示一個(gè)信息二進(jìn)制碼的位數(shù)稱為一個(gè)字，字的位數(shù)稱為字長。存儲容量M＝字?jǐn)?shù)×位數(shù)地址：每個(gè)字的編號。字?jǐn)?shù)=2n（n為存儲器外部地址線的線數(shù)）

只讀存儲器，工作時(shí)內(nèi)容只能讀出，不能隨時(shí)寫入，所以稱為只讀存儲器(Read-OnlyMemory)。ROM的分類:按寫入情況劃分

固定ROM可編程ROMPROM

EPROM

E2PROM

按存貯單元中器件劃分

二極管ROM三極管ROMMOS管ROM7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構(gòu)存儲矩陣7.1.1ROM的定義與基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸出

控制信號輸入

輸出控制電路

地址譯碼器地址輸入地址譯碼器存儲矩陣

輸出控制電路1）ROM（二極管PROM）結(jié)構(gòu)示意圖存儲矩陣位線字線輸出控制電路M=44地址譯碼器字線與位線的每個(gè)交點(diǎn)都是一個(gè)存儲單元。交點(diǎn)處有二極管相當(dāng)存1，無二極管相當(dāng)存0。當(dāng)OE=1時(shí):輸出為高阻狀態(tài)。000101111101111010001101地址A1

A0

D3

D2

D1

D0

內(nèi)容當(dāng)OE=0時(shí):字線存儲矩陣位線字線與位線的每個(gè)交點(diǎn)都是一個(gè)存儲單元。交點(diǎn)處有MOS管相當(dāng)存0，無MOS管相當(dāng)存1。7.1.2二維譯碼思考題：該存儲器的容量是多少?7.1.3可編程ROM256個(gè)存儲單元排成1616的矩陣：行譯碼器從16行中選出要讀的一行；列譯碼器再從選中的一行存儲單元中選出要讀的一列的一個(gè)存儲單元。如選中的存儲單元的MOS管的浮柵注入了電荷，該管截止，讀得1；相反讀得0。（256

1位EPROM）7.1.4集成電路ROMAT27C010128K×8位ROM

編程選通信號輸出使能控制片選信號

工作模式A16~A0

VPP

D7~D0

讀00XAi

X數(shù)據(jù)輸出輸出無效X1XXX高阻等待1XXAi

X高阻快速編程010Ai

VPP

數(shù)據(jù)輸入編程校驗(yàn)001Ai

VPP

數(shù)據(jù)輸出7.1.5ROM的讀操作和定時(shí)圖（2）加入有效的片選信號（3）使輸出使能信號有效，經(jīng)過一定延時(shí)后，有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上；

（4）讓片選信號或輸出使能信號無效，經(jīng)過一定延時(shí)后數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)，本次讀出結(jié)束。

（1）欲讀取單元的地址加到存儲器的地址輸入端；（1）用于存儲固定的專用程序（2）利用ROM可實(shí)現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能——查某個(gè)角度的三角函數(shù)。

把變量值（角度）作為地址碼，其對應(yīng)的函數(shù)值作為存放在該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，這稱為“造表”。使用時(shí)，根據(jù)輸入的地址(角度)，就可在輸出端得到所需的函數(shù)值，這就稱為“查表”。

碼制變換——把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應(yīng)存儲單元中的內(nèi)容即可。7.1.6ROM應(yīng)用舉例C

I3I2I1I0

二進(jìn)制碼

O3O2O1O0

格雷碼

C

I3I2I1I0

格雷碼

O3O2O1O0

二進(jìn)制碼

0

0000

0000

1

0000

0000

0

0001

0001

1

0001

0001

0

0010

0011

1

0010

0011

0

0011

0010

1

0011

0010

0

0100

0110

1

0100

0111

0

0101

0111

1

0101

0110

0

0110

0101

1

0110

0100

0

0111

0100

1

0111

0101

0

1000

1100

1

1000

1111

0

1001

1101

1

1001

1110

0

1010

1111

1

1010

1100

0

1011

1110

1

1011

1101

0

1100

1010

1

1100

1000

0

1101

1011

1

1101

1001

0

1110

1001

1

1110

1011

0

1111

1000

1

1111

1010

用ROM實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的電路C

(A4)

I3I2I1I0

(A3A2A1A0)

二進(jìn)制碼

O3O2O1O0

(D3D2D1D0)

格雷碼

C

(A4)

I3I2I1I0

(A3A2A1A0)格雷碼

O3O2O1O0

(D3D2D1D0)

二進(jìn)制碼

0

0000

0000

1

0000

0000

0

0001

0001

1

0001

0001

0

0010

0011

1

0010

0011

0

0011

0010

1

0011

0010

0

0100

0110

1

0100

0111

0

0101

0111

1

0101

0110

0

0110

0101

1

0110

0100

0

0111

0100

1

0111

0101

0

1000

1100

1

1000

1111

0

1001

1101

1

1001

1110

0

1010

1111

1

1010

1100

0

1011

1110

1

1011

1101

0

1100

1010

1

1100

1000

0

1101

1011

1

1101

1001

0

1110

1001

1

1110

1011

0

1111

1000

1

1111

1010

C=A4

I3I2I1I0=A3A2A1A0

O3O2O1O0=D3D2D1D0

用ROM實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的電路

存儲器的字長與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程所講的字長完全一樣嗎？

討論：7.1.1(2)7.1.2(1)作業(yè)：7.2隨機(jī)存取存儲器7.2.1靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器7.2.2同步靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器7.2.4存儲器容量的擴(kuò)展

7.2.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器

7.2.1靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)1.SRAM的基本結(jié)構(gòu)CE

OE

WE

=1XX高阻CE

OE

WE

=00X輸入CE

OE

WE

=010輸出CE

OE

WE

=011高阻SRAM的工作模式

工作模式

CE

WE

OE

I/O

0~I/O

m-1

保持(微功耗)

1

X

X

高阻

讀

0

1

0

數(shù)據(jù)輸出

寫

0

0

X

數(shù)據(jù)輸入

輸出無效

0

1

1

高阻

2.SRAM存儲單元靜態(tài)SRAM(StaticRAM)雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路列存儲單元公用的門控制管，與讀寫控制電路相接Yj＝1時(shí)導(dǎo)通本單元門控制管:控制觸發(fā)器與位線的接通。Xi=1時(shí)導(dǎo)通來自列地址譯碼器的輸出來自行地址譯碼器的輸出T5、T6導(dǎo)通

T7

、T8均導(dǎo)通Xi=1Yj=1觸發(fā)器的輸出與數(shù)據(jù)線接通，該單元通過數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)。觸發(fā)器與位線接通（a）（b）

3.SRAM的讀寫操作及時(shí)序圖讀操作時(shí)序圖3.SRAM的讀寫操作及時(shí)序圖寫操作時(shí)序圖7.2.2同步靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SSRAM）SSRAM是一種高速RAM。與SRAM不同,SSRAM的讀寫操作是在時(shí)鐘脈沖節(jié)拍控制下完成的。寄存地址線上的地址寄存要寫入的數(shù)據(jù)ADV=0:普通模式讀寫ADV=1:叢發(fā)模式讀寫

=0:寫操作

=1:讀操作

寄存各種使能控制信號，生成最終的內(nèi)部讀寫控制信號；2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,處理A1A0ADV=0:普通模式讀寫片選無效=0:寫操作WE

=1:讀操作WE

普通模式讀寫模式:在每個(gè)時(shí)鐘有效沿鎖存輸入信號,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),由內(nèi)部電路完成數(shù)據(jù)的讀(寫)操作。讀A1地址單元數(shù)據(jù)I/O輸出A1數(shù)據(jù);開始讀A2數(shù)據(jù)I/O輸出A2數(shù)據(jù);開始讀A3數(shù)據(jù)I/O輸出A6數(shù)據(jù);開始讀A7數(shù)據(jù)開始讀A4地址單元數(shù)據(jù)I/O輸入A5數(shù)據(jù);開始寫A6數(shù)據(jù)I/O輸出A4數(shù)據(jù);開始寫A5數(shù)據(jù),讀A2地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+2中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A2+3中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式重新讀A2中的數(shù)據(jù)

ADV=1:叢發(fā)模式讀寫叢發(fā)模式讀寫模式：在有新地址輸入后,自動產(chǎn)生后續(xù)地址進(jìn)行讀寫操作,地址總線讓出。讀A1地址單元數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+1中的數(shù)據(jù)叢發(fā)模式讀A1+2中的數(shù)據(jù)在由SSRAM構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于在時(shí)鐘有效沿到來時(shí)，地址、數(shù)據(jù)、控制等信號被鎖存到SSRAM內(nèi)部的寄存器中，因此讀寫過程的延時(shí)等待均在時(shí)鐘作用下，由SSRAM內(nèi)部控制完成。此時(shí)，系統(tǒng)中的微處理器在讀寫SSRAM的同時(shí)，可以處理其他任務(wù)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作速度。

SSRAM的使用特點(diǎn)：

1、動態(tài)存儲單元及基本操作原理

T

存儲單元寫操作:X=1=0T導(dǎo)通，電容器C與位線B連通輸入緩沖器被選通，數(shù)據(jù)DI經(jīng)緩沖器和位線寫入存儲單元如果DI為1，則向電容器充電，C存1;反之電容器放電,C存0。

刷新R行選線X讀/寫輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B7.2.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器C讀操作:X=1=1T導(dǎo)通，電容器C與位線B連通輸出緩沖器/靈敏放大器被選通，C中存儲的數(shù)據(jù)通過位線和緩沖器輸出。

T

刷新R行選線X輸出緩沖器/靈敏放大器刷新緩沖器輸入緩沖器位線B每次讀出后，必須及時(shí)對讀出單元刷新，即此時(shí)刷新控制R也為高電平，則讀出的數(shù)據(jù)又經(jīng)刷新緩沖器和位線對電容器C進(jìn)行刷新。思考題：RAM屬于PLD嗎？

7.2.4存儲容量的擴(kuò)展

位擴(kuò)展可以利用芯片的并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)?！ぁぁE┇A11

A0

···WE

D0D1

D2

D3

WE

CEA0

A11

4K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3

D12D13D14D15

CEA0

A11

4K×4位I/O0I/O1I/O2I/O3

WE

1.字長（位數(shù)）的擴(kuò)展——用4KX4位的芯片組成4K×16位的存儲系統(tǒng)。2.字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展—用8KX8位的芯片組成32KX8位的存儲系統(tǒng)。RAMD0D7A0A12CE芯片數(shù)=4RAMD0D7A0A12CERAMD0D7A0A12CERAMD0D7A0A12CE系統(tǒng)地址線數(shù)=15系統(tǒng):A0~A14

A13~A14?2000H2001H2002H┇3FFFH4000H400H4002H┇5FFFH6000H6001H6002H┇7FFFH0000H0001H0002H┇1FFFH芯片:A0~A12

32K×8位存儲器系統(tǒng)的地址分配表各RAM芯片譯碼器有效輸出端擴(kuò)展的地址輸入端A14A13

8K×8位RAM芯片地址輸入端

A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

對應(yīng)的十六進(jìn)制地址碼

Ⅰ

00

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0

0

0

0

100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

10000H0001H0002H┇1FFFH

Ⅱ

01

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0

0

0

0

100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

12000H2001H2002H┇3FFFH

Ⅲ

10

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0

0

0

0

100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

14000H400H4002H┇5FFFH

Ⅳ

Y0

Y1

Y2

Y3

11

00000

0

0

0

0

0

0

0

000000

0

0

0

0

0

0

0

100000

0

0

0

0

0

0

1

0┇11111

1

1

1

1

1

1

1

16000H6001H6002H┇7FFFH字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展可以利用外加譯碼器控制存儲器芯片的片選輸入端來實(shí)現(xiàn)?！?/p>

你接觸過哪些類型的存儲器？對其原理與使用方法有何體會？

討論：7.2.47.2.5作業(yè)：7.3 復(fù)雜可編程邏輯器件7.3.1CPLD的結(jié)構(gòu)

7.3.2CPLD編程簡介

7.3 復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)每個(gè)塊之間可以使用可編程內(nèi)部連線(或者稱為可編程的開關(guān)矩陣)實(shí)現(xiàn)相互連接。CPLD器件內(nèi)部含有多個(gè)邏輯塊，每個(gè)邏輯塊都相當(dāng)于一個(gè)GAL器件;與PAL、GAL相比，CPLD的集成度更高，有更多的輸入端、乘積項(xiàng)和更多的宏單元;7.3.1CPLD的結(jié)構(gòu)更多乘積項(xiàng)、更多宏單元、更多的輸入信號。通用的CPLD器件邏輯塊的結(jié)構(gòu)

內(nèi)部

可編

程連

線區(qū)

n

宏單元

1

宏單元

2

宏單元

3

·

·

·

可編

程乘

積項(xiàng)

陣列

乘積

項(xiàng)分

配

宏單元

m

內(nèi)部

可編

程連

線區(qū)

m

m

I/O

塊

XilinxXG500:90個(gè)36變量的乘積項(xiàng),宏單元36個(gè)AlteraMAX7000:80個(gè)3