1、1 第第 6章章 半导体存储器半导体存储器 和可编程逻辑器件和可编程逻辑器件6.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件6.1 半导体存储器半导体存储器2大规模集成电路大规模集成电路LSI器件器件LSI:Large Scale Integration346.1 半导体存储器半导体存储器存储器存储器：以结构化方式存储二值以结构化方式存储二值数字信息数字信息（0 0或或1 1）的大规模集成电路的大规模集成电路。优点优点：集成度高、体积集成度高、体积小、价格低廉、存储速度快小、价格低廉、存储速度快。半导体存储器半导体存储器：用用半导体器件构成半导体器件构成 顺序存取存储器（顺序存取存储器（SAM:Seque
2、ntial Access Memory)随机存取存储器（随机存取存储器（RAM:Random Access Memory)只读存储器（只读存储器（ROM:Read Only Memory)56.1.1 存储器的基本概念存储器的基本概念1.计算机存储器的分类计算机存储器的分类2.微机内部存储器及三总线示意图微机内部存储器及三总线示意图3.微机的总线体系结构图微机的总线体系结构图4.存储器的存储容量存储器的存储容量5.存储器的应用存储器的应用6微机微机内部存储器及三总线示意图内部存储器及三总线示意图地址总线地址总线AB：单向，单向，用于微处理器对指定存储器或用于微处理器对指定存储器或I/O设备寻址
3、设备寻址。数据总线数据总线DB：双向，用于与微处理器之间的数据传送双向，用于与微处理器之间的数据传送。控制总线控制总线CB：双向，计算机利用它发出特定的指令，如双向，计算机利用它发出特定的指令，如读、写或中断指令等。读、写或中断指令等。CB也用于监控某设备的工作状态也用于监控某设备的工作状态或确认某事件。或确认某事件。存储器是以存储器是以字字为单位进为单位进行存储行存储的的8根根DB，即字长，即字长8位，位，1个字节个字节16根根DB，即，即字长字长16位，位，2个字节（高位字节和个字节（高位字节和低位字节）低位字节）8微机的总线体系结构图微机的总线体系结构图地址总线地址总线：20根地址根地址
4、线线数据总线数据总线：8位数据位数据线线A AD D19070只读存储器只读存储器ROM：是由制造商编程的，是由制造商编程的，一般条件下，一般条件下，其内部数据不易丢失也不会改变。其内部数据不易丢失也不会改变。ROM使系统启动和运行使系统启动和运行，RAM为应用程序提供了为应用程序提供了暂时驻留，有利于快速暂时驻留，有利于快速访问和存储用户数据。访问和存储用户数据。随机存取随机存取存储器存储器RAM：“随机存取随机存取”表明了表明了RAM读写数据的方式读写数据的方式。缺点是保存的信息易缺点是保存的信息易失失v 存储容量存储容量 位位(bit)字字(Byte)存储器的存储容量用存储器的存储容量用
5、(字数字数)(位数位数)表示；表示；例如：例如：1024（字）（字）8（位）（位）：8192bit，表示成：，表示成：1k8位位(1k=1024)，或或1k字字（字长（字长8位）位）半导体存储器半导体存储器的主要技术指标的主要技术指标v 存取时间存取时间（读（读/写周期）写周期）91081 RAM电路电路74138：3根地址线，可寻根地址线，可寻址址8个单元，个单元，字单元为字单元为8；每一个存放每一个存放1位二进制数，位二进制数，位存储单元为位存储单元为1；存储容量：存储容量：81 例：某系统存储容量例：某系统存储容量32K8 即即32758字节，字节，1个字节个字节8位位共共262144
6、bit其中：其中：地址线：地址线：15根；根；数据线：数据线：8根根11存储器的存储器的应用：存储数据应用：存储数据微处理器微处理器；公用电话系统中的公用电话系统中的设备设备：使用使用ROM来完成数字化语音来完成数字化语音信号变换信号变换，并使用快速静态存储器作为用户之间转换数字化语音的并使用快速静态存储器作为用户之间转换数字化语音的“交换交换单元单元”；便携式音频便携式音频CD唱机唱机：先先“预读预读”几秒钟音频信息，将它存储在几秒钟音频信息，将它存储在动态存储器中，这样即使动态存储器中，这样即使CD唱机在物理上会有短暂的中断，它唱机在物理上会有短暂的中断，它仍然能保持连续的播放（这要求所存
7、储的音频信息每秒钟超过仍然能保持连续的播放（这要求所存储的音频信息每秒钟超过1.4兆位兆位）；音频音频/图像图像设备设备：利用利用存储器来暂存数字化信号，以方便进行存储器来暂存数字化信号，以方便进行数数字信号处理字信号处理；126.1.2 顺序存储器（顺序存储器（SAM）动态动态CMOS反相器反相器动态移位寄存器动态移位寄存器顺序存取存储器顺序存取存储器串接串接构成构成1.动态动态CMOS反相器反相器注意：注意：栅电容的栅电容的暂存暂存作用作用13132.动态动态CMOS移存单元移存单元3.1024位动态移存器示意图位动态移存器示意图用途：用途：数字式延迟数字式延迟（如帧图像存储器等）（如帧图
8、像存储器等）SAM（如计算机中如计算机中 用于保存中断的堆栈）用于保存中断的堆栈）143.顺序存取存储器（顺序存取存储器（SAM）FIFO型型SAM（先入先出型）先入先出型）v循环刷新循环刷新v读和写读和写15FILO型型SAM提问：提问：虚线方框内所用器件是？虚线方框内所用器件是？作用是？作用是？答：答：所用器件是：三态门所用器件是：三态门作用是：双向总线。作用是：双向总线。FILOSAM 的工作方式：的工作方式：先入后出先入后出16随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access Memory）也称随机也称随机读读/写存储器，写存储器，可以随时随机可以随时随机地对任意一个地对任意
9、一个单元直接存取单元直接存取信息。是信息。是易失性存储器易失性存储器，如果断电，则存储数据丢失，如果断电，则存储数据丢失。特点：特点：读、写方便，使用灵活；掉电信息易读、写方便，使用灵活；掉电信息易消失；消失；6.1.4 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）根据存储器根据存储器单元工作原理的不同，可分为单元工作原理的不同，可分为静态存取存静态存取存储器（储器（SRAM）和和动态存取存储器（动态存取存储器（DRAM）。SRAM优点：优点：不不停电停电时，时，数据可以长期保存数据可以长期保存；DRAM优点优点：存储单元存储单元结构简单结构简单，集成度集成度；缺点：缺点：必须必须采用刷新电路，定
10、期地刷新数据采用刷新电路，定期地刷新数据才才 能能保证数据不保证数据不丢失。丢失。17结构：结构：RAM由由存储矩阵、地址译码器、读存储矩阵、地址译码器、读/写控写控制电路（制电路（I/0电路）电路）三部分组成。三部分组成。地地址址输输入入RAM的结构框图的结构框图数据输入数据输入/输出输出(I/O)17存储容量：字数存储容量：字数位数位数2n（字）（字）m（位）（位）字字线线2n根根位位线线m根根n位地址码位地址码18例例1.2561的的RAM示意图示意图:分析：分析：存储容量存储容量为为256 bit（28256）行地址行地址A3 A2 A1 A0 ；列地址列地址A7 A6 A5 A4其中
11、：其中：AB（地址线）地址线）：8根根 DB（数据线）数据线）：1根根 CB（控制线）控制线）：2根根当当A7 A0 从从00000000到到11111111时，时，分别选中第分别选中第0号字第号字第255号字进行号字进行读、写读、写操作。操作。19其中：其中：地址位数地址位数n，可寻址数可寻址数2 2n n201.静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）6管管CMOS静态存储单元静态存储单元21SRAM的逻辑符号的逻辑符号（28引脚和引脚和32引脚双列直插式封装）引脚双列直插式封装）22HM 6264：8K字字8位位存储容量：存储容量：64K 地址线地址线AB：13根（根（8K=213字）
12、字）数据线数据线DB：8根（根（8位）位）（I/O0I/O7）控制线控制线CB：4根：片选根：片选 读写控制读写控制 输出允许端输出允许端HM6264外引脚排列图外引脚排列图232.动动态随机存储器（态随机存储器（DRAM）动态动态MOS存储单元存储单元243.随机存储器容量的随机存储器容量的扩展扩展在实际应用中，在实际应用中，当当一一片片RAM的容量不能满足设的容量不能满足设计要求计要求时时，往往往往需要用若干片需要用若干片RAM连接成容量更连接成容量更大的存储系统大的存储系统。扩大扩大容量的方法分为容量的方法分为位扩展位扩展和和字扩展字扩展两种两种。位位扩展扩展主要是采用并接的方式；主要是
13、采用并接的方式；字扩展需要借用译码器；字扩展需要借用译码器；25（1）位扩展：）位扩展：例例1.用用1K8的的RAM芯片扩展成芯片扩展成1K16位存储系统位存储系统片数片数：2片；片；AB:(1K=210)10根；根；DB：16根。根。RAM的位扩展的位扩展位扩展：位扩展：并接并接所有的所有的地址线地址线读写控制线读写控制线 片选线片选线例例2.用用2568的的RAM芯片扩展芯片扩展成成10248位存储系统位存储系统分析分析：片数片数：4片；片；DB：8根；根；AB:(1024=210)10根，根，256=28，需扩展需扩展2根地址线；根地址线；（2）字扩展：）字扩展：RAM的字扩展的字扩展2
14、628提问：用两片提问：用两片6264（8K8）构成）构成16K8位，位，怎么做？怎么做？答：用答：用A13作片选即可。作片选即可。296.1.3 只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器（只读存储器（Read Only Memory）：非易失性存储器非易失性存储器，其内部存储的数据是事先固化到存储器内，所以非常稳其内部存储的数据是事先固化到存储器内，所以非常稳定，即使去掉或中断外部电源电压，内部的数据也不会定，即使去掉或中断外部电源电压，内部的数据也不会丢失。丢失。在正常运行时，只能读出信息，不能写入。在正常运行时，只能读出信息，不能写入。应用：应用：存储存储用户编写的程序和用户编写的程序
15、和数据数据；码码制转换制转换电路电路；脉冲序列发生器脉冲序列发生器；方波发生器方波发生器 单片机微机控制系统单片机微机控制系统 等等30只读存储器只读存储器ROM的类型的类型1.掩膜型只读存储器（掩膜型只读存储器（ROM）-固定存储器固定存储器用户用户提供给提供给厂商所厂商所需需ROM内容的内容的清单，厂家清单，厂家采用掩采用掩模工艺固化内部存储模工艺固化内部存储信息信息，创建定制掩创建定制掩膜膜，生产出，生产出ROM。用户用户不可对其再编程不可对其再编程。掩掩膜型膜型ROM通常只用于需求量特别大的应用通常只用于需求量特别大的应用中中（因（因为为要要获得已编程的芯片需要掩膜费用和获得已编程的芯
16、片需要掩膜费用和4周的周的延迟时间延迟时间）。掩膜型掩膜型ROM在使用时只能读出，不能在使用时只能读出，不能写入写入。通常通常只用来存放固定数据，固定程序和函数表等。只用来存放固定数据，固定程序和函数表等。31掩膜型只读存储器（掩膜型只读存储器（ROM）的基本结构）的基本结构32地址译码器，存储矩阵，输出缓冲器地址译码器，存储矩阵，输出缓冲器存储容量：字数存储容量：字数位数位数2n（字）（字）m（位）（位）字字线线2n根根位位线线m根根n位地址码位地址码33例例1.分析分析44位二极管固定位二极管固定ROM。36372.可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM）PROM是由用户是由用户使用
17、使用PROM编程器，只需几分钟即可对它存储编程器，只需几分钟即可对它存储数据值（即对数据值（即对PROM编程）编程）。厂商厂商制造制造PROM时，时，在存储矩阵里在存储矩阵里所有的所有的字线位线相交处字线位线相交处都连都连接开关元件接开关元件，相当于，相当于存储单元全部存储单元全部存入特定存入特定值值1（或（或0），用户根），用户根据需要，可将某些单元改写为据需要，可将某些单元改写为0（或（或1）。PROM采用采用熔丝熔丝或或PN结击穿结击穿的方法编程，由于熔丝烧断或的方法编程，由于熔丝烧断或PN结击穿后不能再恢复，因此结击穿后不能再恢复，因此PROM只能只能改写改写一一次次。383.可擦除可
18、编程只读存储器（可擦除可编程只读存储器（EPROM）EPROM利用浮栅利用浮栅MOS管进行编程管进行编程，存储的数据可以，存储的数据可以进行多次擦除和改写进行多次擦除和改写。但实际程序写入。但实际程序写入后后，通常便，通常便只读只读。EPROM利用紫外线照射擦除利用紫外线照射擦除，通过通过透明透明的石英窗口，的石英窗口，用具有特定波长的紫外线照射用具有特定波长的紫外线照射芯片即芯片即可完成擦除操作。可完成擦除操作。EPROM存在的问题是，当紫外线照射存在的问题是，当紫外线照射EPROM组件的组件的石英窗口时，石英窗口时，EPROM内存储的内容会全部被擦除。此外内存储的内容会全部被擦除。此外在编
19、程过程中需要高电压也使得在编程过程中需要高电压也使得EPROM不能在系统可编不能在系统可编程程（In System Programe，ISP），即对），即对EPROM进行擦进行擦除和再编程时，必须将芯片从电路中取出。除和再编程时，必须将芯片从电路中取出。394.电可擦除可编程只读存储器（电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）EEPROM是是静态存储器静态存储器，内部存储内容不易丢失，内部存储内容不易丢失。可。可以以实现位、字节或整体数据内容的擦除实现位、字节或整体数据内容的擦除，可以，可以ISP。不。不需需要专门的编程人员。要专门的编程人员。EEPROM的的应用广泛应用广泛：用于用于计算机中
20、，取代现代计算机中，取代现代DIP转换器和跳接器转换器和跳接器；用于；用于数据收集和保险系统数据收集和保险系统；在；在远程控远程控制、无绳电话、无线通信和摄像机中制、无绳电话、无线通信和摄像机中，存储，存储有用数据有用数据；用于用于电话和门禁系统中代码的存储电话和门禁系统中代码的存储；用于用于微处理器系统。微处理器系统。一般一般EEPROM集成片允许集成片允许擦写擦写10 000100 000次次，擦，擦写共需时间约几十毫秒，数据可保存写共需时间约几十毫秒，数据可保存510年。年。40闪速储器（闪速储器（Flash Memory）是是新一代电信号擦除的可编程新一代电信号擦除的可编程ROM。它既
21、吸收了。它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了结构简单、编程可靠的优点，又保留了EEPROM用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成度可以用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高做得很高。快快闪闪存储器存储器优点：优点：集成度集成度高、容量大、成本低和使用高、容量大、成本低和使用方便方便快闪快闪存储器应用存储器应用：MP3、数码相机等消费类电子、数码相机等消费类电子产品产品415.只读存储器在组合逻辑设计中的应用只读存储器在组合逻辑设计中的应用vROM中的中的地址译码器地址译码器实际上是实际上是 与门阵列与门阵列，存储矩阵存储矩阵 实际上是实际上是 或门阵列或门阵列v 用用R
22、OM实现组合逻辑函数的步骤：实现组合逻辑函数的步骤：1）将输入变量作为地址输入变量，字线与最小项相对）将输入变量作为地址输入变量，字线与最小项相对应，绘出应，绘出与阵列与阵列；2）位线作为逻辑函数的输出。）位线作为逻辑函数的输出。根据函数列出真值表或根据函数列出真值表或写出函数的标准与或式（最小项表达式写出函数的标准与或式（最小项表达式）；3）将全部最小项相或，由真值表对应画出）将全部最小项相或，由真值表对应画出或阵列或阵列（存（存储矩阵）；储矩阵）；42例例1.用用ROM阵列实现组合逻辑函数：阵列实现组合逻辑函数：12(,)(3 4 6 7)(,)mFA B CFA B CABACABC ，
23、解解13467256(,)(3 4 6 7)(,)m134FA B CmmmmFA B CA BACABCA BC+CACB+BABC=m+m+mmm ，（）（）选择选择82的的ROMROM阵列图阵列图13467213456(,)(,)FA B CmmmmFA B Cmmmmm 44例例2.用用ROM阵列实现一位全加器。阵列实现一位全加器。解解全加器的表达式：全加器的表达式：4545例例3.用用PROM阵列实现一位全加器。阵列实现一位全加器。解解46【例例6-1】用用PROM设计一个设计一个4位二进制码转换成循环位二进制码转换成循环码的码制转换电路码的码制转换电路解解 列出列出4 4位二进制码
24、转换成循环码的真值表位二进制码转换成循环码的真值表输出函数输出函数的的标准与标准与或式：或式：47486.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件49ASIC和和PLD的比较的比较ASIC可分为模拟可分为模拟ASIC和数字和数字ASIC（全定（全定制和半定制）制和半定制）优点优点：单单片成本低片成本低功耗功耗低低速度速度快快可以加入模拟电路可以加入模拟电路缺点缺点：不可更改不可更改设计复杂、周期长设计复杂、周期长启动成本大启动成本大ASIC和和PLD相比，相比，ASIC的优缺点的优缺点50PLD的主要厂商的主要厂商1.Altera公司：公司：Altera公司的公司的PLD的特点：的特点：高性能、高集成
25、度、高性能、高集成度、高性高性价价比、器件比、器件延时可延时可预测、丰富预测、丰富的的IP核、宏功能核、宏功能库；库；2.Xilinx（赛灵思）（赛灵思）公司：公司：FPGA的发明者的发明者（1985年首次推出年首次推出FPGA；产品；产品种类较种类较全；全；3.Lattice（莱迪思）（莱迪思）公司：公司：ISP（In System Programmable）技）技术的发明者，术的发明者，ISP技术极大地促进了技术极大地促进了PLD产品的发展产品的发展。GAL器器件最早由件最早由Lattice公司生产，于公司生产，于80年代初期推出年代初期推出。4.Actel公司：公司：是是反熔丝（一次性烧
26、写）反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，的领导者，1988年年推出第一个反熔丝（推出第一个反熔丝（antifuse）FPGA产品。由于反熔丝产品。由于反熔丝PLD抗抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和宇航级上有辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势较大优势。516.2.1 PLD的基本结构的基本结构PLD基本结构基本结构PLD的连接方式的连接方式几种常见的逻辑符号表示方法几种常见的逻辑符号表示方法521.与阵列固定、或阵列可编程的与阵列固定、或阵列可编程的PLD如：可编程只读存储器如：可编程只读存储器 PROM与与阵列阵列：全全译码的固定译码的固定阵列阵列；输
27、入输入为为 n个个变量，输出则为变量，输出则为 n个个变量变量的的2n个个最小最小项项；或阵列或阵列：可编程可编程；每每一个输出端可选择最小项相一个输出端可选择最小项相或，构成或，构成标准与或标准与或函数函数；缺点：缺点：总有相当一部分最小项总有相当一部分最小项未被未被使用使用，芯片利用率较低芯片利用率较低；532.与阵列、或阵列均可编程的与阵列、或阵列均可编程的PLD如：可编程逻辑阵列如：可编程逻辑阵列 PLA与与阵列阵列：可编程产生所需的乘可编程产生所需的乘积项；积项；或阵列或阵列：可编程可编程；输出端输出端是是与与或或函数函数；优点优点：比比PROM提高提高了芯片了芯片利利用率用率；缺点
28、：缺点：制造工艺复杂，器件工制造工艺复杂，器件工作速度作速度较低较低；543.与阵列可编程或阵列固定的与阵列可编程或阵列固定的PLD如：可编程阵列逻辑如：可编程阵列逻辑PAL 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL与与阵列阵列：可编程产生所需的乘可编程产生所需的乘积项；积项；或阵列或阵列：固定固定；输出端输出端是是与与或或函数函数；优点优点：能能实现绝大多数逻辑功实现绝大多数逻辑功能，而且极大地提高了系统的能，而且极大地提高了系统的性能和性能和速度速度；556.2.2 可编程逻辑阵列（可编程逻辑阵列（PLA）1.PLA的结构特点的结构特点PLA的的与阵列和或阵列均可编程与阵列和或阵列均可编程。由。由与
29、阵列构成的地址译码与阵列构成的地址译码器器是非是非完全译码器，它的完全译码器，它的每根每根输出线可以对应输出线可以对应1个最小项，也可个最小项，也可以对应以对应1个由地址变量任意组合成的与项，因此允许用多个地址个由地址变量任意组合成的与项，因此允许用多个地址码对应同一根字线仅占用码对应同一根字线仅占用1个存储单元个存储单元。PLA可以由可以由与阵列产生与项与阵列产生与项，再由，再由或阵列完成与或阵列完成与项相或项相或，直直接接得到得到输出输出函数的函数的最简与或最简与或式式。PLA可分为组合型和时序型两种。可分为组合型和时序型两种。562.PLA实现组合逻辑实现组合逻辑【例例6-2】用用PLA
30、实现例实现例6-1要求的要求的4位二进制码转换位二进制码转换为格雷码的代码转换电路。为格雷码的代码转换电路。解解 根据表根据表6-3所示的代码转换真值表，将多输出函数所示的代码转换真值表，将多输出函数化简后得出最简输出表达式化简后得出最简输出表达式57PLA阵列图阵列图PROM阵列图阵列图583.PLA实现时序逻辑实现时序逻辑时序型时序型PLA结构图结构图时序时序逻辑型逻辑型PLA结构结构：可编程的与阵列可编程的与阵列 可编程的或阵列可编程的或阵列 触发器触发器存储存储电路电路【例例6-3】用用PLA和和JK触发触发器实现模器实现模4可逆计数器。当可逆计数器。当X=0 时实现加法计数，时实现加
31、法计数，X=1时实现减法计数时实现减法计数。解解 可得状态图可得状态图606161画画阵列阵列图图1100001010=1nnnnnnJKXQXQJKZXQ QXQ Q626.2.3 可编程阵列逻辑（可编程阵列逻辑（PAL）PAL的的优点优点：提高：提高了功能密度，节省了空间了功能密度，节省了空间。一一片片PAL可以代替可以代替 412 片片 SSI或或24 片片MSI。PAL有有 20 多种型号多种型号，可以，可以代替代替 90%的通用的通用SSI、MSI器件。采用器件。采用熔丝式双极型工艺，增强了设计的灵熔丝式双极型工艺，增强了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。活性，且编程和使用都比较
32、方便。PAL具有上电复位具有上电复位功能和加密功能，可以防止非法复制功能和加密功能，可以防止非法复制。在在数字系统开发中采用数字系统开发中采用PAL，有利于简化和缩短开发，有利于简化和缩短开发过程，减少元器件数量，简化印制电路板的设计，提过程，减少元器件数量，简化印制电路板的设计，提高系统可靠性，因而得到广泛应用高系统可靠性，因而得到广泛应用。PAL的主要的主要不足不足：只能只能一次性一次性编程编程；输出电路输出电路结构的结构的类型繁多，因此也给设计和使用带来不便类型繁多，因此也给设计和使用带来不便。63PAL由可编程的与门阵列和固定的或门阵列构成由可编程的与门阵列和固定的或门阵列构成。或或门
33、阵列中每个或门的输入与固定个数的与门输出门阵列中每个或门的输入与固定个数的与门输出（地址输入变量构成的的与项）相连，每个或门的输（地址输入变量构成的的与项）相连，每个或门的输出是若干个与项之和出是若干个与项之和。由于由于与门阵列是可编程的，与项的内容可由用户自行与门阵列是可编程的，与项的内容可由用户自行定义，所以定义，所以PAL可用于实现各种逻辑可用于实现各种逻辑关系关系。64PAL的基本类型的基本类型（1）专用输出结构）专用输出结构产品产品：PAL 10H8（10输入，输入，8 输出，高电平有效），输出，高电平有效），PAL 10L8，PAL 16C1（16输入，输入，1 输出，互补型输输出
34、，互补型输出出）；只只适用于简单的组合逻辑电路适用于简单的组合逻辑电路设计设计；65（2）可编程输入）可编程输入/输出结构输出结构产品产品：PAL 16L8，PAL 20L10；引出端配置灵活，输入引出端配置灵活，输入/输出引出端的数目可根据实输出引出端的数目可根据实际应用加以改变，即提供双向输入际应用加以改变，即提供双向输入/输出功能。输出功能。66【例例6-4】用用PAL器件设计一个器件设计一个3线线-8线译码器线译码器解解3线线-8线译码器真值表线译码器真值表使使能能端、输出端、输出端低端低电平有效；电平有效；4个输入个输入端端；8个输出个输出端端；PAL16L8：16个输入端个输入端8
35、个输出端个输出端每个每个输出中有输出中有8个乘个乘积项积项；每个输出中第每个输出中第1个乘个乘积项为专用乘积项，积项为专用乘积项，用于控制三态输出用于控制三态输出缓冲器的输出缓冲器的输出67表达式：表达式：PAL16L8实现实现3线线-8线译码器示意图线译码器示意图68（3）带反馈的寄存器结构）带反馈的寄存器结构产品产品：PAL 16R4，PAL 16R8；输出输出端端有一个有一个D触发器，触发器，能记忆原来的状态，且整个能记忆原来的状态，且整个器件只有一个共用时钟脉冲器件只有一个共用时钟脉冲CP和一个使能信号输入和一个使能信号输入端，从而实现时序逻辑功能，因此可构成计数器、移端，从而实现时序
36、逻辑功能，因此可构成计数器、移位寄存器等同步时序逻辑电路。位寄存器等同步时序逻辑电路。69（4）带异或的寄存器结构）带异或的寄存器结构产品产品：PAL 20X4，PAL 20X8；输出部分有输出部分有2个或门，它们的输出经个或门，它们的输出经异或门运算异或门运算后再后再经经D触发器和三态缓冲器输出。这种结构不仅便于对触发器和三态缓冲器输出。这种结构不仅便于对与或逻辑阵列输出函数求反，还可以实现对寄存器状与或逻辑阵列输出函数求反，还可以实现对寄存器状态进行态进行保持操作保持操作，可使一些计数器和时序逻辑电路的可使一些计数器和时序逻辑电路的设计得到设计得到简化简化；706.2.4 通用阵列逻辑通用
37、阵列逻辑（GAL）GAL是是Lattice公司在公司在1985年推出的一种新型可编程年推出的一种新型可编程逻辑器件逻辑器件。采用电采用电擦除、电可编程的擦除、电可编程的EECMOS工艺制作，可以工艺制作，可以用用电信号擦除并反复编程上百次电信号擦除并反复编程上百次。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC-Output Logic Macro Cell），通过编程可以），通过编程可以将将OLMC设置成不同的输出方式设置成不同的输出方式。GAL器件能够实现器件能够实现PAL器件所有的输出工作模式，器件所有的输出工作模式，几乎可以取代所有的中
38、小规模数字集成电路和几乎可以取代所有的中小规模数字集成电路和PAL器器件，故称为件，故称为通用可编程逻辑器件通用可编程逻辑器件。71GAL器件可分为器件可分为3种基本结构种基本结构：PAL型型GAL器件器件，如，如GAL16V8、GAL20V8，其与，其与或阵列结构与或阵列结构与PAL相似相似；系统系统编程型编程型GAL器件器件，如，如ispGAL16Z8、ispGAL22V10；FPLA器件，如器件，如GAL39V8，其与或阵列均可编程，其与或阵列均可编程。72GAL的的优点：优点：（1）采用电擦除工艺和高速编程方法，使器件擦）采用电擦除工艺和高速编程方法，使器件擦除改写方便、快速，改写整个
39、芯片只需几秒钟，一片除改写方便、快速，改写整个芯片只需几秒钟，一片可改写可改写 100 次以上。次以上。（2）采用先进的）采用先进的EECMOS工艺，使工艺，使GAL器件既有器件既有双极型器件的高速性能，又有双极型器件的高速性能，又有CMOS器件功耗低的优器件功耗低的优点。存取速度为几十纳秒，功耗仅为双极性点。存取速度为几十纳秒，功耗仅为双极性PAL器件器件的几分之一，编程数据可保存的几分之一，编程数据可保存 20 年以上年以上。（3）采用可编程逻辑宏单元（）采用可编程逻辑宏单元（OLMC），使器件），使器件结构灵活、通用性强。少数几种结构灵活、通用性强。少数几种GAL器件几乎可取代器件几乎可
40、取代大多数的中、小规模数字集成电路和大多数的中、小规模数字集成电路和PAL。（4）具有加密功能，可有效防止电路设计被非法）具有加密功能，可有效防止电路设计被非法抄袭；具有电子标签，便于文档管理，提高生产效率抄袭；具有电子标签，便于文档管理，提高生产效率。73746.2.5 现场可编程阵列（现场可编程阵列（FPGA）FPGA是美国是美国Xilinx公司于公司于1984年首先开发的一种通年首先开发的一种通用型用户可编程器件用型用户可编程器件。FPGA既有门阵列器件的高集成度和通用性，又有既有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性，可编程逻辑器件用户可编程的灵活性，FPG
41、A与其他与其他PLD相比速度更快，功耗更低，功能更强，适应性更相比速度更快，功耗更低，功能更强，适应性更加广泛加广泛。FPGA与与EPLD、CPLD器件的主要差别在于：后者器件的主要差别在于：后者是通过修改内部电路的逻辑功能实现编程，而是通过修改内部电路的逻辑功能实现编程，而FPGA是通过修改一根或多根内连线的布线实现编程是通过修改一根或多根内连线的布线实现编程。FPGA的出现使得设计人员可以方便地设计大型数的出现使得设计人员可以方便地设计大型数字系统和专用集成电路。字系统和专用集成电路。75FPGA的的特点特点：（1）采用）采用SRAM编程技术，编程技术，FPGA的功能由这些配置的功能由这些
42、配置数据决定。工作前，需要从芯片外部加载配置数据到数据决定。工作前，需要从芯片外部加载配置数据到SRAM。配置数据可以存储在片外的。配置数据可以存储在片外的EEPROM或计算或计算机中。设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件机中。设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。当断电时，的逻辑功能，即所谓现场编程。当断电时，FPGA器器件中的配置数据自动丢失。件中的配置数据自动丢失。（2）提供）提供了丰富的了丰富的I/O端口和触发器资源，其集成度端口和触发器资源，其集成度大大高于大大高于GAL器件。器件。（3）结构）结构灵活，内部的灵活，内部的CLB，IOB和和ICR均可
43、编程，均可编程，具有组合逻辑函数发生器，可以实现多个变量的任意具有组合逻辑函数发生器，可以实现多个变量的任意逻辑函数。逻辑函数。（4）内部时间延时与器件结构及逻辑连接等有关，因）内部时间延时与器件结构及逻辑连接等有关，因此传输时延不可预测。此传输时延不可预测。76第第6章章 小结小结1 1.RAM结构、特点、扩展、容量。结构、特点、扩展、容量。2.ROM结构、特点、结构、特点、ROM、PROM阵列阵列的分析。的分析。3.用用ROM、PROM阵列实现组合逻辑函数。阵列实现组合逻辑函数。4.了解了解PLD的结构和应用。的结构和应用。77第第6章作业章作业P243:6，7（1），），8，11（3），），16（2）
