1、1第第8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件本章课时：本章课时：5学时学时第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件2目目 录录8.1 概述概述 8.2 半导体存储器半导体存储器8.2.1 存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标8.2.2 随机存取存储器随机存取存储器8.2.3 只读存储器只读存储器8.2.4 存储器扩展存储器扩展8.2.5 综合应用综合应用第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件3目目 录录8.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 8.3.1 低密度低密度PLD8.3.2 高密度高密度PLD
2、8.3.3 PLD设计流程设计流程第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件4作业作业8-3,8-8,8-9,8-13,1K 8改为改为2K 8第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件58.1 概述概述随着集成电路设计和制造工艺的不断改进和完随着集成电路设计和制造工艺的不断改进和完善，集成电路产品不仅在提高开关速度、降低善，集成电路产品不仅在提高开关速度、降低功耗等方面有了很大的发展，电路的集成度也功耗等方面有了很大的发展，电路的集成度也得到了迅速的提高，得到了迅速的提高，大规模集成电路大规模集成电路LSI和和超大超大规模集成电路规
3、模集成电路VLSI已得到了广泛的应用。已得到了广泛的应用。在分析和设计逻辑系统时，应把在分析和设计逻辑系统时，应把LSI和和VLSI作作为为一个功能模块一个功能模块来进行使用。来进行使用。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件6LSI分为通用型和专用型两大类。分为通用型和专用型两大类。通用型通用型LSI是指已被定型的标准化、系列化产品。是指已被定型的标准化、系列化产品。各种型号的存储器、微处理器等均属此类。各种型号的存储器、微处理器等均属此类。专用型专用型LSI是指为某种特殊用途而专门设计制作是指为某种特殊用途而专门设计制作的功能块，只能使用在一些专用场所或设
4、备中。的功能块，只能使用在一些专用场所或设备中。本章仅简要介绍存储器和可编程逻辑器件。本章仅简要介绍存储器和可编程逻辑器件。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件78.2 半导体存储器半导体存储器半导体存储器（简称存储器）半导体存储器（简称存储器）是一种能存储大是一种能存储大量二值信息或数据的半导体器件。量二值信息或数据的半导体器件。它可以存储用户程序以及实时数据等多种信息。它可以存储用户程序以及实时数据等多种信息。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件8存储器分类存储器分类 按按读写功能分为：读写功能分为：只读存储器只读存储
5、器（Read-Only Memory，ROM）和）和随机存储器随机存储器（Random Access Memory，RAM）。）。按在计算机系统中的作用分为：主存储器（内按在计算机系统中的作用分为：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器。存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件9按按信息的可保存性信息的可保存性分为：分为：易失性存储器和非易易失性存储器和非易失性存储器失性存储器。易失性存储器易失性存储器在系统关闭时会失去存储的信息，在系统关闭时会失去存储的信息，它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的它需要
6、持续的电源供应以维持数据。大部分的RAM都属于此类。都属于此类。非易失存储器非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息，如保持数据信息，如ROM半导体存储器、磁介质半导体存储器、磁介质或光介质存储器。或光介质存储器。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件10半导体存储器按读写功能分类时的详细情况如半导体存储器按读写功能分类时的详细情况如下图所示：下图所示：半导半导体存体存储器储器ROM固定固定ROM（又称掩膜（又称掩膜ROM）可编程可编程ROM可编程可编程ROM（PROM）可擦除可擦除PROM（EPROM）电子可擦除电子可
7、擦除EPROM（E2PROM）快闪存储器快闪存储器RAM静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM（DRAM）第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件11对存储器的操作（也称为访问）通常分为两类：对存储器的操作（也称为访问）通常分为两类：读操作和写操作读操作和写操作。读操作读操作是从存储器中取出其存储信息的过程；是从存储器中取出其存储信息的过程；写操作写操作是把信息存入到存储器的过程。是把信息存入到存储器的过程。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件128.2.1 存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标 存储器的技术指标包括存储
8、器的技术指标包括存储容量、存取速度存储容量、存取速度、可靠性、功耗、工作温度范围和体积可靠性、功耗、工作温度范围和体积等。等。其中其中存储容量存储容量和和存取速度存取速度为其主要指标。为其主要指标。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件131.存储容量存储容量1.存储容量存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量，是指存储器可以存储的二进制信息量，单位为位或比特（单位为位或比特（bit）。）。存储器中的一个基本存储单元能存储存储器中的一个基本存储单元能存储1bit的信息，的信息，也就是可以存入一个也就是可以存入一个0或一个或一个1，所以存储容量，所以存储容量就是
9、该存储器基本存储单元的总数。就是该存储器基本存储单元的总数。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件14一个内有一个内有8192个基本存储单元的存储器，其存个基本存储单元的存储器，其存储容量为储容量为8Kbit（1K=210=1024）；）；这个存储器如果每次可以读（写）这个存储器如果每次可以读（写）8位二值码，位二值码，说明它可以存储说明它可以存储1K个字，每字为个字，每字为8位，这时的存位，这时的存储容量也可以用储容量也可以用1K 8位位来表示。来表示。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件152.存取速度存取速度 存储器的
10、存取时间定义为存储器从接收存储单存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始，到取出或存入数据为止所需的元地址码开始，到取出或存入数据为止所需的时间，其上限值称为最大存取时间。时间，其上限值称为最大存取时间。存取时间的大小反映了存储速度的快慢。存取存取时间的大小反映了存储速度的快慢。存取时间越短，则存取速度越快。时间越短，则存取速度越快。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件168.2.2 随机存取存储器随机存取存储器 随机存取存储器随机存取存储器RAM，又称为读写存储器，又称为读写存储器。在工作过程中，既可从在工作过程中，既可从RAM的任意单元读出信
11、的任意单元读出信息，又可以把外部信息写入任意单元。息，又可以把外部信息写入任意单元。因此，它具有读、写方便的优点，但由于具有因此，它具有读、写方便的优点，但由于具有易失性，所以不利于数据的长期保存。易失性，所以不利于数据的长期保存。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件17根据存储单元工作原理的不同，根据存储单元工作原理的不同，RAM可分为可分为静静态随机存储器态随机存储器SRAM和动态随机存储器和动态随机存储器DRAM两大类。两大类。SRAM的数据由触发器记忆，只要不断电，数的数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能保存，但其集成度受到限制。据就能保存，但其集
12、成度受到限制。DRAM一一般采用般采用MOS管的栅极电容来存储信息，必须由管的栅极电容来存储信息，必须由刷新电路定期刷新，但集成度高。刷新电路定期刷新，但集成度高。SRAM速度非常快，但其价格较贵。速度非常快，但其价格较贵。DRAM的的速度比速度比SRAM慢，不过它比慢，不过它比ROM快。快。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件181.RAM的结构的结构 RAM电路通常由电路通常由存储矩阵、地址译码器和读存储矩阵、地址译码器和读/写写控制电路控制电路3部分组成，其结构框图如图所示。部分组成，其结构框图如图所示。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导
13、体存储器和可编程逻辑器件19存储矩阵存储矩阵由若干个存储单元由若干个存储单元组成组成。在译码器和读在译码器和读/写控制电路的写控制电路的控制下，既可以对存储单元控制下，既可以对存储单元写入信息，又可以将存储单写入信息，又可以将存储单元的信息读出，完成元的信息读出，完成读读/写操写操作作。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件20地址译码器地址译码器包括包括行地址译码器和列地址译码器行地址译码器和列地址译码器。行地址译码器从存储矩阵中选中一行存储单元；行地址译码器从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器从存储矩阵中选中列存储单元，列地址译码器从存储矩阵中选中列
14、存储单元，从而使得行与列均被选中线的从而使得行与列均被选中线的交叉处的存储单交叉处的存储单元与输入元与输入/输出线接通输出线接通。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件21读读/写控制电路写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。用于对电路的工作状态进行控制。当读当读/写控制信号为写控制信号为高电平时，执行读操作高电平时，执行读操作；当读当读/写控制信号为写控制信号为低电平时，执行写操作低电平时，执行写操作。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件22下图所示为下图所示为2114RAM的结构框图。的结构框图。第第8 8章章 半导体
15、存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件232114RAM的工作模式的工作模式第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件242.静态存储单元静态存储单元 RAM的存储单元分为的存储单元分为静态存储单元和动态存储静态存储单元和动态存储单元单元两种。两种。静态存储单元静态存储单元是在静态触发器的基础上附加控是在静态触发器的基础上附加控制电路而构成的。制电路而构成的。由于使用的器件不同，静态存储单元又分为由于使用的器件不同，静态存储单元又分为MOS型和双极型型和双极型两类。两类。由于由于CMOS集成电路最显著的特点是静态功耗集成电路最显著的特点是静态功耗小，因
16、此其存储单元在小，因此其存储单元在RAM中得到了广泛应用。中得到了广泛应用。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件256管管CMOS静态存储单元静态存储单元 V1、V2和和V3、V4组成的基本组成的基本RS触发器，用以存储二值信触发器，用以存储二值信息。息。V5、V6、V7和和V8为门控管。为门控管。当当X、Y都为都为1时，门控管导通，时，门控管导通，此单元被选中，并与数据线接此单元被选中，并与数据线接通，可以执行读通，可以执行读/写操作。写操作。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件263.动态存储单元动态存储单元 静态存储
17、单元存在的问题：静态存储单元存在的问题：1）是靠触发器来存储数据的，功耗较大。）是靠触发器来存储数据的，功耗较大。2）由于每个单元要用多个管子，芯片的面积较大。）由于每个单元要用多个管子，芯片的面积较大。为提高集成度、减小芯片尺寸、降低功耗，常为提高集成度、减小芯片尺寸、降低功耗，常利用利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器，以构成态存储器，以构成动态动态MOS存储单元存储单元。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件274管动态存储单元（管动态存储单元（1）电路组成）电路组成 数据信息以电荷的形式存数据信息以电荷的形
18、式存储在栅极电容储在栅极电容C1和和C2上，上，它们的电压控制它们的电压控制V1和和V2的的导通和截止，以决定存储导通和截止，以决定存储单元存储单元存储1或存储或存储0。V5、V6是位线上分布电容是位线上分布电容预充电的门控开关。预充电的门控开关。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件28（2）工作原理）工作原理 1）读操作）读操作 读操作开始时，在读操作开始时，在V5、V6管的栅管的栅极上加预充电脉冲，极上加预充电脉冲，则则 充电到高电平。充电到高电平。,BBCC当当X、Y同时为高电平时，则同时为高电平时，则V3、V4、V7和和V8同时导通。同时导通。第第8
19、 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件29 假设存储单元为假设存储单元为0状态状态，即，即V1导通，导通，V2截止，截止，D1输出为输出为0，D2输出为输出为1，这时，这时CB放电，使放电，使位线位线B变为低电平。同时，另变为低电平。同时，另一位线保持高电平不变。这样，一位线保持高电平不变。这样，就把存储单元的状态数据线就把存储单元的状态数据线D上。上。位线的位线的预充电预充电非常重要。非常重要。00第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件302）写操作）写操作 写操作时，当写操作时，当X、Y同时为同时为高电平，数据线上的数据高电平，
20、数据线上的数据通过通过V7和和V8管传到位线上，管传到位线上，再经过再经过V3、V4管将数据存管将数据存入入C1和和C2中。中。11100第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件318.2.3 只读存储器只读存储器 只读存储器只读存储器ROM是存储固定信息的存储器件，是存储固定信息的存储器件，在正常工作时在正常工作时ROM存储的数据固定不变，只能存储的数据固定不变，只能读出，不能随时写入，故称为只读存储器。读出，不能随时写入，故称为只读存储器。ROM为为非易失性器件非易失性器件，当器件断电时，所存储，当器件断电时，所存储的数据不会丢失。的数据不会丢失。只读存储器
21、按数据的写入方式分为只读存储器按数据的写入方式分为固定固定ROM、可编程可编程ROM（PROM）和可擦除可编程）和可擦除可编程ROM（EPROM）。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件32 固定固定ROM所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩模板确定，用户无法进行更改，所以也称模板确定，用户无法进行更改，所以也称掩模编程掩模编程ROM。可编程可编程ROM在出厂时，存储内容全为在出厂时，存储内容全为1或全为或全为0，用，用户根据自己的需要进行编程，但户根据自己的需要进行编程，但只能写入一次只能写入一次，一，一旦写入则不能再修改
22、。旦写入则不能再修改。EPROM具有较强的灵活性，它存储的内容既可按用具有较强的灵活性，它存储的内容既可按用户需要写入，也可以擦除后重新写入。包括用户需要写入，也可以擦除后重新写入。包括用紫外紫外线擦除的线擦除的PROM、电信号擦除、电信号擦除PROM和快闪存储器和快闪存储器。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件331.ROM的结构的结构 ROM具有与具有与RAM相似的电路结构，一般而言，相似的电路结构，一般而言，它由它由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器3部分部分组成。组成。ROM存储单元可以由存储单元可以由二极管、双极型晶体
23、管或二极管、双极型晶体管或者者MOS管管构成。构成。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件34（1）二极管）二极管ROM的电路组成的电路组成 具有具有2位地址输入和位地址输入和4位字长位字长数据输出的二极管数据输出的二极管ROM电路电路如图所示。如图所示。D0D3：位线（数据线）：位线（数据线）A1、A0：地址线地址线W0W3：字线：字线输出端采用三态缓冲器输出端采用三态缓冲器 第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件35（2）二极管）二极管ROM读操作读操作 存储数据表存储数据表00W0=1D0=1D3=0第第8 8章章 半导
24、体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件36在存储矩阵中字线与位线的在存储矩阵中字线与位线的每一个交叉点都是每一个交叉点都是一个存储单元一个存储单元，在交叉点上，在交叉点上接有二极管相当于接有二极管相当于存储存储1，没有接二极管则相当于存储，没有接二极管则相当于存储0，经输出，经输出缓冲器后状态被反相。缓冲器后状态被反相。在存储矩阵中，交叉点的数目也就是存储单元在存储矩阵中，交叉点的数目也就是存储单元数，即为数，即为存储容量存储容量。图。图8-6中存储器的存储容量中存储器的存储容量为为224。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件372.可编程可编
25、程ROM PROM出厂时，制作的是一个完出厂时，制作的是一个完整的二极管或晶体管存储矩阵，整的二极管或晶体管存储矩阵，图中所有的存储单元相当于全部图中所有的存储单元相当于全部存入存入1。在编程时，如果需要某存储单元在编程时，如果需要某存储单元存入存入0，可通过编程器熔化该存，可通过编程器熔化该存储单元的熔丝。储单元的熔丝。PROM为一次性编程器件，一旦为一次性编程器件，一旦编程后不可再进行修改。编程后不可再进行修改。PROM的原理框图的原理框图第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件383.EPROM 当需要对当需要对ROM进行多次编程时，可采用的器件为进行多次
26、编程时，可采用的器件为可擦除可编程可擦除可编程ROM，即，即EPROM。EPROM一般指用紫外线擦除的可编程一般指用紫外线擦除的可编程ROM（UVEPROM）EPROM芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板。芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板。不装透明石英盖板不装透明石英盖板EPROM，只能写入一次，也，只能写入一次，也称一次性编程存储器称一次性编程存储器OTP ROM。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件394.E2PROM UVEPROM其擦除操作复杂、需离线进行，并其擦除操作复杂、需离线进行，并且擦除速度慢。且擦除速度慢。E2PROM可以用电信号擦除，
27、而可在线重新写可以用电信号擦除，而可在线重新写入，并且也具有非易失性入，并且也具有非易失性。E2PROM其擦除和写入的时间仍很长，芯片正其擦除和写入的时间仍很长，芯片正常工作时仍只能用作常工作时仍只能用作ROM。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件405.快闪存储器快闪存储器 闪存是目前最常见的闪存是目前最常见的EPROM，它已广泛用于计，它已广泛用于计算机主板、显卡及网卡等扩展卡的算机主板、显卡及网卡等扩展卡的BIOS存储器存储器上。上。而现在各种邮票尺寸的存储卡，包括而现在各种邮票尺寸的存储卡，包括CF，SM，MMC，MS，还有各种钥匙链大小的，还有各种
28、钥匙链大小的USB移动移动硬盘硬盘/USB Drive/优盘，内部用的都是闪存。优盘，内部用的都是闪存。闪存采用快闪叠栅闪存采用快闪叠栅MOS管作为存储单元。管作为存储单元。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件416.ROM的应用举例的应用举例 由于由于ROM是一种组合逻辑电路，因此可以用是一种组合逻辑电路，因此可以用它来它来实现各种组合逻辑函数实现各种组合逻辑函数，特别是多输入、，特别是多输入、多输出的逻辑函数。多输出的逻辑函数。设计方法设计方法1)列出其真值表或将表达式转换成最小项的和的列出其真值表或将表达式转换成最小项的和的形式形式2)将将ROM地址线
29、作为输入，数据线作为输出，地址线作为输入，数据线作为输出，根据表达式接入存储器件。根据表达式接入存储器件。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件42例例8-1 用用ROM实现以下多输出函数，并画出其实现以下多输出函数，并画出其存储矩阵连接图。存储矩阵连接图。0123YACABCDYABCBCDABCDYABCABCDYCDABC第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件43（1）选用合适的）选用合适的ROM 多输出函数：多输出函数：4个输入变量和个输入变量和4个输出变量个输出变量 选用选用244位的位的ROM来实现该电路。来实现该
30、电路。0123YACABCDYABCBCDABCDYABCABCDYCDABC第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件44（2）将函数表示成最小项的和的形式）将函数表示成最小项的和的形式02367111234712211415337891115(,)()(,)()(,)()(,)()Y A B C DmmmmmY A B C DmmmmmY A B C DmmmY A B C Dmmmmmm第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件45（3）画出）画出ROM存储矩阵连接图存储矩阵连接图023671112347122114153378
31、91115(,)()(,)()(,)()(,)()Y A B C DmmmmmY A B C DmmmmmY A B C DmmmY A B C Dmmmmmm以圆点代替存储器件，当接入存储器件时代表以圆点代替存储器件，当接入存储器件时代表存入存入1，未接入器件代表存入，未接入器件代表存入0。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件468.2.4 存储器扩展存储器扩展 当存储器的存储容量不能满足设计要求时，则当存储器的存储容量不能满足设计要求时，则需要对存储器进行扩展。需要对存储器进行扩展。存储器扩展包括存储器扩展包括位扩展和字扩展位扩展和字扩展两种方式。两种方
32、式。位扩展位扩展是对是对数据线数目数据线数目进行扩展。进行扩展。字扩展字扩展是对是对地址线数目地址线数目进行扩展。进行扩展。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件471.存储器位扩展存储器位扩展 当存储器数据位数不满足要求时，需对其进行当存储器数据位数不满足要求时，需对其进行位扩展位扩展，即，即增加增加I/O线数量线数量。位扩展方法位扩展方法1）将其读）将其读/写信号控制线、片选线和地址线连接写信号控制线、片选线和地址线连接在一起。在一起。2）将数据线并行输出。）将数据线并行输出。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件48例例
33、8-2 2764为为8K8 位位EPROM。试用试用2764存储器设计一片存储器设计一片8K16位的位的EPROM。两者具有两者具有相同数量的地址线相同数量的地址线后者的数据线比前者多后者的数据线比前者多1倍倍。因此采用因此采用2片片2764进行位扩展，便可获得所需要的进行位扩展，便可获得所需要的EPROM。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件492片片2764 EPROM实现位扩展接线图实现位扩展接线图第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件502.存储器字扩展存储器字扩展 当存储器的地址线数量不能满足设计要求时，当存储器的
34、地址线数量不能满足设计要求时，可采用可采用字扩展方式字扩展方式，即，即增加地址线数量增加地址线数量。字扩展方法字扩展方法1）将各芯片数据线、读）将各芯片数据线、读/写控制线、低位地址线写控制线、低位地址线连接在一起连接在一起2）要增加的高位地址线，通过译码电路进行译码）要增加的高位地址线，通过译码电路进行译码后分别接至各片的片选控制端后分别接至各片的片选控制端3)位线连接在一起位线连接在一起第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件51例例8-3试用图试用图2764设计一片设计一片16K8 位位EPROM。扩展电路接线图扩展电路接线图第第8 8章章 半导体存储器和
35、可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件523.存储器字和位同时扩展存储器字和位同时扩展 当存储器的地址线和数据线数量均不能满足设当存储器的地址线和数据线数量均不能满足设计要求时，可同时对其进行字和位的扩展。计要求时，可同时对其进行字和位的扩展。例例8-4 2114是是1K4 位位SRAM。试用该器件设计一片试用该器件设计一片2K8的的SRAM。所设计的所设计的SRAM地址线和数据线比地址线和数据线比2114都分别都分别多一根。因此，多一根。因此，需进行字和位的同时扩展需进行字和位的同时扩展。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件534片片2114实现字和位
36、扩展的接线图实现字和位扩展的接线图2114：1K4 如何设计如何设计4K4第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件548.2.5 存储器的综合应用存储器的综合应用EPROM在数字系统设计中多用来作为程序存储在数字系统设计中多用来作为程序存储器，器，RAM多用作数据存储器。多用作数据存储器。下图为某脉冲计数控制器的原理框图。下图为某脉冲计数控制器的原理框图。采用单片机作为采用单片机作为CPU采用采用6位数码管显示位数码管显示计数或设置的脉冲数计数或设置的脉冲数E2PROM被用于记录被用于记录设置的参数。设置的参数。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体
37、存储器和可编程逻辑器件55系统首先从存储器中读系统首先从存储器中读取设置的数据，并转存取设置的数据，并转存到内部到内部RAM中中实时计数输出的脉冲，实时计数输出的脉冲，并与设置值进行比较，并与设置值进行比较，当计数脉冲到达设置的当计数脉冲到达设置的数据时，输出口输出控数据时，输出口输出控制脉冲（或电平）。制脉冲（或电平）。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件568.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）是一种由用户编程以实）是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的逻辑器件。现某种逻辑功能的逻辑器件。PLD先后出现了先后出现了PR
38、OM、PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA等多种品种。等多种品种。用用PLD设计的数字系统具有设计的数字系统具有集成度高、速度快、集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等功耗小、可靠性高等优点，目前很多数字系统都优点，目前很多数字系统都采用了采用了PLD器件。器件。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件57分类分类根据集成度，根据集成度，PLD分为分为低密度低密度PLD和高密度和高密度PLD两大类两大类。低密度低密度PLD的集成密度一般小于每片的集成密度一般小于每片700个等效个等效门，它主要包括门，它主要包括PROM、PLA、PAL和和GAL等等
39、器件；器件；高密度高密度PLD一般指集成度大于一般指集成度大于1000门门/片的片的PLD，如如EPLD，CPLD和和FPGA。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件588.3.1低密度低密度PLD 低密度低密度PLD的基本电路结构框图的基本电路结构框图 输入电路为输入缓冲器输入电路为输入缓冲器 与阵列产生乘积项；与阵列产生乘积项；或阵列产生乘积项之和形式的函数；或阵列产生乘积项之和形式的函数；输出电路用于驱动负载，同时构成反馈。输出电路用于驱动负载，同时构成反馈。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件59输出结构输出结构输出
40、结构可以是输出结构可以是组合结构、时序结构和可编程结组合结构、时序结构和可编程结构构，以实现各种组合逻辑和时序逻辑功能。，以实现各种组合逻辑和时序逻辑功能。类型类型阵阵 列列输输 出出 方方 式式与与或或 PROM固定固定可编程可编程固定固定PLA可编程可编程可编程可编程固定固定PAL可编程可编程固定固定固定固定GAL可编程可编程固定固定可编程可编程第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件601.可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLAPLA具有体积小、速度快的优点，但编程周期具有体积小、速度快的优点，但编程周期较长，而且是一次性的。由于这种器件的资源较长，而且是一次
41、性的。由于这种器件的资源利用率低，现在已经不常使用了。利用率低，现在已经不常使用了。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件612.可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL PAL由可编程与阵列和固定的或阵列以及输出由可编程与阵列和固定的或阵列以及输出逻辑逻辑3部分组成。部分组成。PAL具有具有4种输出方式种输出方式 第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件623.通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL采用了电擦除、电可编程的采用了电擦除、电可编程的E2PROM工艺制作。工艺制作。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏器件的输出端设置了可编
42、程的输出逻辑宏单元单元OLMC，通过编程可以将，通过编程可以将OLMC设置成不设置成不同的输出方式。同的输出方式。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件63GAL16V8 电路结构电路结构它内部包含一个它内部包含一个32 64位位的可编程与逻辑阵列，的可编程与逻辑阵列，8个输出逻辑宏单元，个输出逻辑宏单元，10个个输入缓冲器，输入缓冲器，8个三态输个三态输出缓冲器和出缓冲器和8个反馈个反馈/输入输入缓冲器。缓冲器。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件64OLMC的结构框图的结构框图 OLMC中的或门完成或操中的或门完成或操作
43、，有作，有8个输入端，固定个输入端，固定接收来自接收来自“与与”逻辑阵列逻辑阵列的输出，门输出端只能实的输出，门输出端只能实现不大于现不大于8个乘积项的与个乘积项的与或逻辑函数；或门的输出或逻辑函数；或门的输出信号送到一个受信号送到一个受XOR（n）信号控制的异或门，完成信号控制的异或门，完成极性选择极性选择 第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件658.3.2 高密度高密度PLD高密度高密度PLD一般是指复杂可编程器件一般是指复杂可编程器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列（）和现场可编程门阵列
44、（Field Programmable Gate Array，FPGA）。）。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件661.CPLDCPLD包括高密度包括高密度CPLD和低密度和低密度CPLD两种两种。在系统可编程逻辑器件（在系统可编程逻辑器件（ispPLD）将编程器的）将编程器的写入和擦除控制电路以及高压脉冲发生电路集写入和擦除控制电路以及高压脉冲发生电路集成到了成到了PLD芯片内部，这样编程时就不需要编芯片内部，这样编程时就不需要编程器，只需要一根连接芯片和计算机的电缆，程器，只需要一根连接芯片和计算机的电缆，通过计算机软件，就可以把熔丝图文件写入芯通过计
45、算机软件，就可以把熔丝图文件写入芯片，实现在系统编程。片，实现在系统编程。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件67ISP器件分为低密度器件分为低密度ISP和高密度和高密度ISP两大类。两大类。性能参数性能参数ispLSI1016ispLSI1024ispLSI1032ispLSI1048PLD门数门数2000400060008000宏单元数宏单元数6496256192寄存器数寄存器数96144192288输入输入/输出数输出数365472106/110第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件68ispLSI的电路结构的电路结构
46、 ispLSI1016是以下部分是以下部分组成：组成：16个通用逻辑块个通用逻辑块32个输入输出单元个输入输出单元集总布线区集总布线区2个可编程输出布线区个可编程输出布线区编程控制电路编程控制电路第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件69ispLSI的引脚图的引脚图典型的典型的CPLD器件除了有器件除了有Lattice的的ISP器件外，器件外，还有还有Altera公司的公司的MAX9000系列等器件。系列等器件。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件702.FPGA现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA是一种高密度的可编程是
47、一种高密度的可编程逻辑器件，其集成密度达逻辑器件，其集成密度达1000万门万门/片以上，系片以上，系统速度可达统速度可达300MHz。由于由于FPGA器件具有集成度高、编程速度快、设器件具有集成度高、编程速度快、设计灵活及可再配置等特点，因此，在数字设计计灵活及可再配置等特点，因此，在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用。和电子生产中得到迅速普及和应用。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件71 FPGA基本结构图基本结构图 FPGA由以下由以下3部分组成：部分组成：可配置逻辑块（可配置逻辑块（CLB）输入输入/输出模块（输出模块（IOB）互连资源（互连资源
48、（IR）第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件723.FPGA和和CPLD的开发应用选择的开发应用选择1)根据对芯片速度的要求进行选择。根据对芯片速度的要求进行选择。2)根据对器件功耗的要求进行选择。根据对器件功耗的要求进行选择。3)根据产品规模的不同进行选择。根据产品规模的不同进行选择。4)从使用方便角度进行选择。从使用方便角度进行选择。5)根据加密要求进行选择。根据加密要求进行选择。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件738.3.3 PLD设计流程设计流程基于基于PLD器件的系统设计主要包括设计分析、器件的系统设计主要包
49、括设计分析、设计输入、设计处理、设计仿真、器件编程等设计输入、设计处理、设计仿真、器件编程等几个主要步骤几个主要步骤。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件74设计分析：设计分析：根据根据PLD开发环境及设开发环境及设计要求进行分析，选择合适的设计计要求进行分析，选择合适的设计方案和器件型号。方案和器件型号。设计输入设计输入是指将设计的方案输入到是指将设计的方案输入到计算机的开发软件中的过程。计算机的开发软件中的过程。设计处理设计处理是对设计输入文件进行编是对设计输入文件进行编译、优化和综合、分配等的处理，译、优化和综合、分配等的处理，最后以生成供最后以生成供
50、PLD器件下载编程或器件下载编程或配置使用的数据下载文件。配置使用的数据下载文件。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件75 设计仿真设计仿真：对上述逻辑设计进：对上述逻辑设计进行功能仿真和时序仿真，以验行功能仿真和时序仿真，以验证设计逻辑是否满足设计要求。证设计逻辑是否满足设计要求。器件编程器件编程是将设计处理生成的是将设计处理生成的文件下载到器件，以完成设计文件下载到器件，以完成设计要求。要求。第第8 8章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件76补充：硬件描述语言补充：硬件描述语言硬件描述语言（硬件描述语言（Hardware Des
