人民大2024数字电子技术 课件项目8半导体存储器与可编程逻辑器件.pptx

1半导体存储器 2可编程逻辑器件简介项目八半导体存储器与可编程逻辑器件项目八半导体存储器与可编程逻辑器件引言半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路它具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低廉、存储速度快、外围电路简单且易于接口、便于自动化批量生产等特点半导体存储器主要用于电子计算机和某些数字系统中，用来存放程序、数据、资料等因此，半导体存储器就成了这些数字系统不可缺少的组成部分只读存储器只能读出无法写入信息信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器ROM所存数据通常是装入整机前写入的，整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据任务1半导体存储器一、只读存储器及应用 1.ROM的结构及工作原理 ROM的一般结构如图所示它主要由地址译码器、存储矩阵及输出缓冲器组成ROM的存储单元可以用二极管构成，也可用双极型三极管或MOS管构成任务1半导体存储器 每个存储单元存放一位二进制代码(0或1)，m位存储单元组成一个字地址译码器有n条地址输入线A0An-1，则译码器输出线有2n条，即W0W2n-1条。

每一条译码输出线Wi称为“字线”，它与存储矩阵中的一个“字”相对应任务1半导体存储器 两位地址输入和四位数据输出的ROM结构如图所示，其存储单元用二极管构成W0W3四条字线分别选择存储矩阵中的四个字，每个字存放四位信息读出数据时，首先输入地址码，同时使输出缓冲级三态控制端处于工作状态，则在数据输出端D3D0可以获得该地址对应的字中所存储的数据例如：当A1A0=00时，W0=1，W1=W2=W3=0，所以W0被选中，读出W0对应字中的数据D3D2D1D0=1100当A1A0为01、10、11时，依次读出的数据是1001、1010、1101制作时，若在某个字的某一位存入“1”，则在该字的字线Wi与位线Dj之间接入二极管；反之，就不接二极管2.只读存储器芯片 （1）27C128 27C128是128K位（电）可编程只读存储器EPROM该芯片由16K字节组成；A0-A13为地址输入引脚；CE为芯片启用输入引脚；OE为输出启用输入引脚；PGM为程序启用输入引脚；VPP为编程电压输入引脚；O0-O7为数据输出输入引脚；VCC为+5V电源输入引脚；VSS为接地输入引脚引脚图任务1半导体存储器 （2）24C02 24C02是一个2Kbit的串行EEPROM存储芯片，可存储256个字节数据。

工作电压范围为1.8V到6.0V，具有低功耗CMOS技术，自定时擦写周期，1000000次编程/擦除周期，可保存数据100年24C02有一个16字节的页写缓冲器和一个写保护功能通过I2C总线通讯读写芯片数据，通讯时钟频率可达400KHz引脚图任务1半导体存储器 我们可以通过存储IC的型号来计算芯片的存储容量是多大比如24C02后面的02表示的是可存储2Kbit的数据，转换为字节的存储量为21024/8=256byte；有比如24C04后面的04表示的是可存储4Kbit的数据，转换为字节的储存量为41024/8=512byte;以此来类推其它型号的存储空间3.只读存储器芯片的应用任务1半导体存储器 ROM中包含了“存储器”和“与或逻辑网络”两个基本组成部分从存储器的角度看，只要把逻辑函数的真值表事先存入ROM，便可很方便地实现该函数步骤是：（1）根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定ROM容量，选择合适的ROM2）写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROM阵列图3）根据阵列图对ROM进行编程从与或逻辑网络的角度看，ROM中的地址译码器形成了输入变量的所有最小项，即实现了逻辑变量的“与”运算，而ROM中的存储矩阵实现了最小项的“或”运算。

基于这一分析，把ROM看作是一个“与或阵列”，如图所示与阵列中的小圆点表示各逻辑变量之间的“与”运算，或阵列中的小圆点表示各最小项之间的“或”运算该图中的小圆点是根据逻辑表达式中的最小项画出的1.随机存储器RAM的基本结构 RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入)或读出(取出)信息根据存储单元的工作原理不同，RAM分为SRAM和DRAM任务1半导体存储器二、随机存储器及应用 静态随机存储器（SRAM）主要由存储矩阵、地址译码器和读写控制电路三部分组成动态随机存储器(DRAM)存储矩阵由动态MOS存储单元组成2.集成随机存储器芯片 HM6116是一种典型SRAM存储器芯片HM6116芯片的存储容量为2K*8位，片内有16384（即16K）个存储单元，排列成128*128的矩阵，构成2K个字，字长8位，可构成2KB（B字节）的内存该芯片有11条地址线，分成7条行地址线A4A0，4条列地址线A0A3，一个11位地址码选中一个8位存储字，需有8条数据线D0D7与同一地址的8位存储单元相连，由这8条数据线进行数据的读出与写入引脚排列图任务1半导体存储器 任务1半导体存储器 HM6116是一种20488位的高速静态CMOS随机存取存储器，工作方式与控制信号之间的关系如表所示。

读出和写入线是分开的，而且写入优先3.随机存储器芯片的扩展 任务1半导体存储器（1）位数的扩展（位扩展）存储器芯片的字长多数为一位、四位、八位等当实际的存储系统的字长超过存储器芯片的字长时，需要进行位扩展位扩展可以利用芯片并联的方式来实现八片10241位的RAM，所有片的地址线、R/W、CS分别对应并接在一起，而每一片的I/O端作为整个RAM的I/O端的一位，即扩展成为10248位的RAM任务1半导体存储器（2）字数的扩展（字扩展）利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现四片256x 8位的RAM扩展成为1024x 8位的RAM3.随机存储器芯片的扩展 任务1半导体存储器 3.半导体存储器的性能指标 （1）存储容量（Memory Capacity）是指存储器中所具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数表示存储器容量的单位主要有字节（Byte），简写为B；位（bit），简写为b；字（Word），简写为W其中，最常用的单位是字节B，一个字节由8位组成，即1B8b2）存取时间 又称为存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间写入时为存数时间，读出时为取数时间3）存取周期 又称为访问周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。

用TMC表示存储周期的倒数，称为存储器速度（用S表示）它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒表示4）可靠性 存储器的可靠性用平均故障时间MTBF来描述，它可以理解为两次故障之间的平均时间间隔MTBF越长，说明存储器的可靠性越高5）性能价格比 性能价格比是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标存储器的价格通常用每位的价格来表示，例如每位多少美分（$c/bit）任务1半导体存储器 可编程逻辑器件PLD是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件它主要是一种“与”、“或”两级结构的器件，其最终逻辑结构和功能由用户编程决定PLD的发展经历了以下几个发展阶段：第一阶段的产品是把“与”阵列全部连好，而“或”阵列为可编程的熔丝PROM；“与”阵列和“或”阵列均为可编程的PLA第二阶段为“与”阵列可编程，而“或”阵列为固定的可编程阵列逻辑器PAL(Programmable Array Logic)第三阶段为通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)第四阶段为复杂的可编程逻辑器CPLD(Complex Programmable Logic Device)，将简单的PLD(PAL、GAL等)的概念作了进一步的扩展，并提高了集成度。

现场可编程门阵列FPGA(Field Prgrammable Gate Array)，是20世纪80年代中期发展起来的另一类型的可编程器件任务2可编程逻辑器件简介一、PLD的发展概况 1.基本门电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介二、PLD的结构与分类 PLD在芯片内部的配置和逻辑图之间建立了一一对应的关系，并将逻辑图和真值表结合起来，构成了一种紧凑而易于识读的表达形式a）输入缓冲器 （b）PLD与门 任务2可编程逻辑器件简介（a）PLD中的连接 （b）PLD的连接示意图 （c）真值表 2.PROM电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介 PROM的基本结构是由固定的与阵列和可编程的或阵列组成与阵列是“全译码”阵列，当有n个输入时，就有2n个输入项，2n个积项由于全译码方式使与阵列以2n增长，因而使PROM成为一个规模大而昂贵的器件而2n大小的与阵列，使PROM的开关时间加长，因而PROM一般比其他PLD器件慢大多数逻辑函数不需要使用输入的全部可能组合，因此其中许多组合是无效的或不可能出现的，这就使得PROM的与阵列不能得到充分利用所以，PROM除了用于随机逻辑设计中，其最早的和主要的用途是用于存储器。

3.FPLA电路的PLD表示方式任务2可编程逻辑器件简介 FPLA基本结构类似于PROM如图所示其中，与阵列和或阵列都是可编程的FPLA中的与阵列不是全译码的，而是“部分译码”的4.FPGA FPGA与传统的PLD不同，它具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑功能块（CLB）排列阵列组成，并由可编程的互联资源连接（PI）连接这些CLB来实现所需的设计FPGA与掩模编程阵列的区别：FPGA与MPGA的不同之处在于它由用户现场可编程来完成CLB之间的互联，而后者需由IC工厂通过掩模完成互联任务2可编程逻辑器件简介三、PLD的应用 PLD的实质就是将大量组合逻辑门电路、中规模组合逻辑器件等集成在一起，用户可以根据自己的需要进行开发设计也就是利用开发系统的软件和硬件对PLD进行设计和编程开发系统软件是指PLD专用的编程语言和相应的汇编程序或编译程序开发系统的硬件部分包括计算机和编程器编程器是对PLD进行写入和擦除的专用装置，能提供写入或擦除操作所需要的电源电压和控制信号，并通过并行接口从计算机接收编程数据，最终写入PLD中PLD开发的一般过程如图所示，本书不作具体阐述PLD的设计流程图 1.半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，它可分为RAM和ROM两大类。

2.RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器3.ROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读出4.从逻辑电路构成的角度看，ROM是由与门阵列（地址译码器）和或门阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路5.了解可编程逻辑器件PLD的结构、类型及简单应用项目小结感谢聆听。