1、19-10 半導體存儲器和可編程邏輯器件半導體存儲器和可編程邏輯器件（P281315) 了解半導體存儲器和可編程邏輯器件了解半導體存儲器和可編程邏輯器件的結構、功能和特點。的結構、功能和特點。基本要求基本要求2幾個基本概念：幾個基本概念：地址：地址：每個字的編號。每個字的編號。字數字數=2n （n為存儲器外部地址線的線數）為存儲器外部地址線的線數）概述概述一、存儲器一、存儲器 存放大量二值信息（或二值數據）的器件。是計存放大量二值信息（或二值數據）的器件。是計算機及其它算機及其它數字系統中不可或缺的重要組成部分數字系統中不可或缺的重要組成部分，屬，屬于大規模集成電路。于大規模集成電路。字：字：

2、表示一個信息的多位二進制碼；表示一個信息的多位二進制碼；字長：字長：字的位數；字的位數；字數：字數：字的總量。字的總量。31)存儲容量存儲容量(M)：存儲二值信息的總量。：存儲二值信息的總量。 字數字數 位數；位數；性能指標性能指標例如：例如：256 4bit = 1024 = 1k 存儲容量為存儲容量為1k 210K1M； 210M1G等。等。2) 存取時間存取時間存儲器操作存儲器操作(R/W)的速度的速度4二、存儲器的分類：二、存儲器的分類：1) 磁介質類磁介質類 軟磁盤、硬盤、磁帶軟磁盤、硬盤、磁帶2) 光介質類光介質類 CD、DVD3) 半導體介質類半導體介質類 1、按材料分類、按材料

3、分類 1)雙極型雙極型: 2)MOS型型:具有功耗低、集成度高的優點具有功耗低、集成度高的優點2、按制造工藝分類、按制造工藝分類53、按存、取功能分類、按存、取功能分類1)只讀存儲器只讀存儲器(Read-Only Memory ，簡稱，簡稱ROM): 正常工作時，內容只能讀出，不能隨時寫入。正常工作時，內容只能讀出，不能隨時寫入。 常用于存放系統程序、數據表、字符代碼等不易常用于存放系統程序、數據表、字符代碼等不易變化的數據。變化的數據。2)隨機存取存儲器（讀寫存儲器）隨機存取存儲器（讀寫存儲器）Random Access Memory ，簡稱，簡稱RAM 正常工作時可隨時讀出或寫入，掉電后，

4、數據正常工作時可隨時讀出或寫入，掉電后，數據全部丟失。全部丟失。69.2 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM（P292）（讀寫存儲器）（讀寫存儲器） RAM：在工作過程中，既可隨時從存儲器的任意單在工作過程中，既可隨時從存儲器的任意單元讀出信息，又可以隨時把外界信息寫入任元讀出信息，又可以隨時把外界信息寫入任意單元。意單元。特點：特點：使用靈活、方便。但具有易失性，即：掉電后，使用靈活、方便。但具有易失性，即：掉電后，數據就消失數據就消失(也有非易失性的也有非易失性的RAM，實際上類似于，實際上類似于ROM)。7SRAM（靜態）：存取速度快（靜態）：存取速度快DRAM（動態）：結構簡單、集成度

5、高（動態）：結構簡單、集成度高NVRAM（非易失性）（非易失性）RAM按存儲單元工作原理不同分為按存儲單元工作原理不同分為RAM 按所用器件可分為按所用器件可分為 雙極型雙極型 MOS型型分類：分類：81、RAM存儲器的基本結構存儲器的基本結構A0Ai行地址譯碼器行地址譯碼器.列地址譯碼器列地址譯碼器Ai+1An-1存儲矩陣存儲矩陣讀寫控制電讀寫控制電路路CSR/WI/O地址輸入地址輸入控制輸入控制輸入數據輸入數據輸入/輸出輸出三類信號線三類信號線：地址線、數據線和控制線地址線、數據線和控制線由存儲矩陣、地址譯碼器、輸入由存儲矩陣、地址譯碼器、輸入/輸出控制電路組成。輸出控制電路組成。9 存儲

6、單元是存儲器的最基本存儲細胞，能存放一位二值存儲單元是存儲器的最基本存儲細胞，能存放一位二值數據。由于存儲器的容量巨大，一般都把存儲單元排列成數據。由于存儲器的容量巨大，一般都把存儲單元排列成矩陣形式。采用雙譯碼（行、列譯碼），用兩條地址線來矩陣形式。采用雙譯碼（行、列譯碼），用兩條地址線來共同選擇存儲單元。共同選擇存儲單元。A0A1A2A3CSX0CSX1CSX15行地址譯碼器行地址譯碼器列地址譯碼器列地址譯碼器A4A5A6A7CSY0CSY1CSY15A0A1A2A3A4A5A6A7CS0CS1CS255地址譯碼器地址譯碼器存儲器陣列存儲器陣列01255011516173232241255

7、256根選擇線根選擇線16根行選擇線根行選擇線16根列選擇線根列選擇線雙譯碼方式雙譯碼方式八位地址線八位地址線單譯碼方式單譯碼方式102、RAM的存儲單元的存儲單元六管六管NMOS存儲單元存儲單元T1與與T3、 T2與與T4各構成各構成一個一個NMOS反相器；反相器；兩個反相器交叉耦合，兩個反相器交叉耦合，組成基本組成基本SR鎖存器鎖存器T5、T6：本單元控制門，：本單元控制門，由行選擇線由行選擇線Xi控制。控制。T7、T8：一列存儲單：一列存儲單元公用的控制門，元公用的控制門，由列選擇線由列選擇線Yj控制。控制。位位線線BYj （列選擇線）（列選擇線）Xi（行選擇線）（行選擇線）T3T4T2

8、T1T5T6T8T7DD數數據據線線位位線線B數數據據線線存儲存儲單元單元DDD、 D：存儲的一位二值：存儲的一位二值數據。數據。(1)靜態靜態RAM存儲單元存儲單元(SRAM)11 顯然，只有顯然，只有X,Y選擇線都是高電平，內部輸入、輸出才選擇線都是高電平，內部輸入、輸出才和外部數據線連接，也就是該存儲單元被選中。和外部數據線連接，也就是該存儲單元被選中。DD 當當Xi=1時，時， T5、T6導通，導通，存儲單元與位線接通；當存儲單元與位線接通；當Xi=0時，時， T5、T6截止，存截止，存儲單元與位線隔離。儲單元與位線隔離。位位線線BYj （列選擇線）（列選擇線）Xi（行選擇線）（行選擇

9、線）T3T4T2T1T5T6T8T7DD數數據據線線位位線線B數數據據線線 當當Yj=1時，時， T7、T8導通，導通，位線與數據線接通；位線與數據線接通；當當Yj=0時，時， T7、T8截止，截止，位線與數據線隔離。位線與數據線隔離。11工作原理：工作原理：12 1、利用鎖存器或觸發器保存數據，所以數據是非、利用鎖存器或觸發器保存數據，所以數據是非破壞性讀出，破壞性讀出，一次寫入，可以反復讀出，一次寫入，可以反復讀出，對存儲的數對存儲的數據沒有反作用。據沒有反作用。 3、靜態存儲單元、靜態存儲單元功耗高，體積大，集成度低。功耗高，體積大，集成度低。靜態存儲單元的特點：靜態存儲單元的特點： 2

10、、進行讀或寫操作，由另外的輸出、進行讀或寫操作，由另外的輸出/輸入電路控制。輸入電路控制。 大容量存儲器一般都采用動態存儲單元大容量存儲器一般都采用動態存儲單元13(2)動態存儲單元動態存儲單元(DRAM) 讀出過程中：電容讀出過程中：電容C上上若充有足夠電荷，其電壓若充有足夠電荷，其電壓足夠使足夠使T2導通，輸出線導通，輸出線（讀位線）（讀位線）DO上就得到低上就得到低電平電平0，否則得到，否則得到1。 寫入過程就是給電容寫入過程就是給電容充電和放電的過程。充電和放電的過程。存儲原理依賴電容的電荷存儲效應存儲原理依賴電容的電荷存儲效應D 注意：注意：每次從每次從DRAM中讀中讀出數據時，因漏

11、電流的原因，出數據時，因漏電流的原因，都會使電容都會使電容C上的電荷減少，上的電荷減少，所以所以DRAM的讀出過程是破的讀出過程是破壞性讀出。壞性讀出。14 因此，每次讀出后必須及時給電容再次充電，維護其內容。因此，每次讀出后必須及時給電容再次充電，維護其內容。此外，此外，C上電荷也不能長時間維持，所以還必須定時對電容充上電荷也不能長時間維持，所以還必須定時對電容充電，稱為電，稱為再生或刷新再生或刷新。 讀取時：讀取時：X,Y選中該單元，選中該單元，T1,T3，T4,T5都開通。都開通。DO上得上得到存儲的數據到存儲的數據;1DD0D 此時此時R=1,內部數據經寫入刷內部數據經寫入刷新單元刷新

12、電容新單元刷新電容C，刷新電平是，刷新電平是D；1 如果如果D=0； C應該充滿電，應該充滿電，刷新電平為刷新電平為1，給電容充電；，給電容充電； 如果如果D=1；C應該不充電，應該不充電，刷新電平為刷新電平為0，電容放電。，電容放電。D15 X,Y選中該單元，控制管開通。數據從選中該單元，控制管開通。數據從DI輸入，經寫入刷輸入，經寫入刷新控制電路，對電容充、放電。新控制電路，對電容充、放電。0000DDD 經過寫入刷新控制電路，經過寫入刷新控制電路，對電容充放電的電平是對電容充放電的電平是D 寫入數據時：寫入數據時： R/W=0若若D=0 D=1則對電容充電；則對電容充電；若若D=1 D=

13、0則對電容放電。則對電容放電。16 只選通行選擇線只選通行選擇線X, 并令并令R/W=1;定時刷新定時刷新: 與讀出數據時數據再生與讀出數據時數據再生相同，數據經寫入刷新控相同，數據經寫入刷新控制單元，根據原來存儲的制單元，根據原來存儲的數據自己刷新。數據自己刷新。 注意：注意：因為此時因為此時Y不通，不通， DI,DO都斷開，數據不被讀出。都斷開，數據不被讀出。 則，電容則，電容C上的數據經上的數據經T2、T3到達到達“讀讀”位線。位線。17(3)單管存儲單元單管存儲單元 0或或1數據存于電容數據存于電容C中，中，T為門控管，通為門控管，通過控制過控制T的導通與截止，可把數據從存儲的導通與截

14、止，可把數據從存儲單元送至位線上或者將位線上的數據寫入單元送至位線上或者將位線上的數據寫入存儲單元。存儲單元。 由于電容很小，而且電容是連接在門控管的源極上，由于電容很小，而且電容是連接在門控管的源極上，所以每次讀取數據時，電容上的電荷消耗很多，電壓下降所以每次讀取數據時，電容上的電荷消耗很多，電壓下降很大。很大。 因此，讀取數據時，要經過專門的讀出放大器對信號因此，讀取數據時，要經過專門的讀出放大器對信號進行放大。同時，由于電容上的電荷減少，存儲的數據被進行放大。同時，由于電容上的電荷減少，存儲的數據被破壞，故每次讀出后，必須及時對讀出單元刷新。破壞，故每次讀出后，必須及時對讀出單元刷新。X

15、iTC位位線線18 5位行地址碼決定位行地址碼決定32條條行選擇線；行選擇線；3位列地址碼決定位列地址碼決定8條條列選列選擇線；每擇線；每4列存儲單元連接在相同的列地址譯碼線上，組成一個列存儲單元連接在相同的列地址譯碼線上，組成一個字列。每行可存儲字列。每行可存儲8個字，每個字列存儲個字，每個字列存儲32個字，共有個字，共有328=256個組合，總的存儲容量就是個組合，總的存儲容量就是256 4=1024個存儲單元。個存儲單元。 每個由每個由X，Y共同選中的單元中實際包含了共同選中的單元中實際包含了4個個1位數據存儲單位數據存儲單元，表示一個元，表示一個4位數據。位數據。3、存儲矩陣：、存儲矩

16、陣：由若干存儲單元排列成矩陣形式。由若干存儲單元排列成矩陣形式。2564 RAM存儲矩陣存儲矩陣采用雙采用雙譯碼方式譯碼方式8位地址碼位地址碼199.1 只讀存儲器只讀存儲器(ROM) (P282)分類：分類：(1)按制造工藝分：按制造工藝分：二極管二極管ROM 雙極型雙極型ROM(三極管三極管) 單極型單極型(MOS) 只讀存儲器，工作時內容只能讀出，不能隨時寫入，所只讀存儲器，工作時內容只能讀出，不能隨時寫入，所以稱為只讀存儲器。以稱為只讀存儲器。(Read-Only Memory)( (按存按存儲儲單元中器件劃分單元中器件劃分) ) 20掩模掩模ROM（ 固定固定ROM）光可擦可編程光可

17、擦可編程ROM（EPROM）可編程可編程ROM一次可編程一次可編程ROM（PROM）電可擦可編程電可擦可編程ROM（E2PROM）快閃存儲器快閃存儲器(Flash Memory) E2PROM和和Flash則廣泛應用于各種存儲卡中：例則廣泛應用于各種存儲卡中：例如如IC卡、數碼相機中的存儲卡、移動存儲卡、卡、數碼相機中的存儲卡、移動存儲卡、USB卡（卡（U盤）、盤）、MP3播放器等。播放器等。(2)按存儲內容寫入方式分按存儲內容寫入方式分21存儲矩陣存儲矩陣 地址譯碼器地址譯碼器地址輸入地址輸入ROM的基本結構：的基本結構：數據輸出數據輸出控制信號控制信號輸入輸入輸出控制電路輸出控制電路輸出控

18、制電路輸出控制電路 地址譯碼部分與地址譯碼部分與RAM基本相同；基本相同； 存儲單元矩陣和輸入存儲單元矩陣和輸入/輸出控制電路由于存儲機理輸出控制電路由于存儲機理不同，有較大區別。不同，有較大區別。22 D3 D2 D1 D0 +5V R R R R OE A0 A1 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 2 線線- -4 線線 譯譯碼碼器器 字線與位線的交點都是一個字線與位線的交點都是一個存儲單元。交點處有二極管存儲單元。交點處有二極管相當存相當存1 1，無二極管相當存，無二極管相當存0 0當當OE=1時輸出為高阻狀態時輸出為高阻狀態000101111101111010001101地地 址址A

19、1A0D3D2D1D0內內 容容當當OE=0時時1、固定、固定ROM： 二極管二極管ROM0 1 0 01 0 1 100232、可編程、可編程ROM 采用熔斷絲結構，采用熔斷絲結構，出廠時，熔絲是連通的，出廠時，熔絲是連通的，即存儲單元為即存儲單元為1，如欲，如欲使某些單元改寫為使某些單元改寫為0，只要通過編程，給這些只要通過編程，給這些單元通以足夠大的電流單元通以足夠大的電流將熔絲燒斷即可。將熔絲燒斷即可。 熔絲燒斷后不能恢熔絲燒斷后不能恢復，因此，復，因此，PROM只能只能改寫一次。改寫一次。44存儲器，存儲器，兩位地址碼兩位地址碼A1A0給出給出4根地址線根地址線Y3 Y0 ；每根地址

20、線上，有每根地址線上，有4根位線根位線D3 D0。位線與地址線是否相連，。位線與地址線是否相連，取決于之間的熔斷絲是否相通。取決于之間的熔斷絲是否相通。位線位線(1)二極管二極管PROM24例如：例如：A1A0=10，Y2=1，Y0、Y1、Y3=0由于位線與地址線用由于位線與地址線用二極管連接，二極管連接，所以所以Y0,Y1,Y3不影響不影響D的狀態。的狀態。0 0 1 0 0 10 1 0 1 1 11 0 1 1 1 01 1 1 0 0 0A1A0D3 D2D1D0D3 D2D1D0=11101 1 1 025(2)EPROM(光擦除可編程光擦除可編程ROM)浮柵是與四周絕緣的一塊導體。

21、浮柵是與四周絕緣的一塊導體。 控制柵上加正電壓，控制柵上加正電壓，P型襯型襯底上部感生出電子，底上部感生出電子，NMOS管管導通。導通。 如果浮柵帶負電，則在襯如果浮柵帶負電，則在襯底上部感生出正電荷，阻礙底上部感生出正電荷，阻礙控制柵開啟控制柵開啟MOS管。開啟需管。開啟需要更高的電壓。要更高的電壓。 控制柵加相同電壓時，浮控制柵加相同電壓時，浮柵帶電與否，表現為柵帶電與否，表現為MOS管管的截止或導通，即存儲二值的截止或導通，即存儲二值邏輯邏輯1或或0。SIMOS管管26寫入數據前，浮柵不帶電，寫入數據前，浮柵不帶電，要使浮柵帶負電荷，必須在要使浮柵帶負電荷，必須在柵極和漏極加上高電壓。柵

22、極和漏極加上高電壓。高電壓使漏極高電壓使漏極PN結反相擊穿，結反相擊穿，產生大量高能電子，在柵極高產生大量高能電子，在柵極高電壓的吸引下，電子穿透柵極電壓的吸引下，電子穿透柵極絕緣層，部分堆積在浮柵上使絕緣層，部分堆積在浮柵上使浮柵帶負電。當移去外加電壓浮柵帶負電。當移去外加電壓后，浮柵上無放電回路，故能后，浮柵上無放電回路，故能長期保存。長期保存。只有用紫外線照射時，浮柵只有用紫外線照射時，浮柵上的電子形成光電流釋放。上的電子形成光電流釋放。為便于擦除，芯片封裝上裝有為便于擦除，芯片封裝上裝有透明的石英蓋板。透明的石英蓋板。EPROM為為一次全部擦除，數據寫入需要一次全部擦除，數據寫入需要通

23、用或專用的編程器。通用或專用的編程器。27(3)E2PROM E2PROM也是采用浮柵技術。浮柵也是采用浮柵技術。浮柵與漏極與漏極N+區延長區有一點交迭，并且交區延長區有一點交迭，并且交迭處的絕緣層厚度很小。迭處的絕緣層厚度很小。 控制柵上加高電壓，漏極接地，即控制柵上加高電壓，漏極接地，即可對浮柵充電。在高電壓作用下，電子可對浮柵充電。在高電壓作用下，電子穿透絕緣層積累在浮柵上，使浮柵帶負穿透絕緣層積累在浮柵上，使浮柵帶負電荷電荷“隧道效應隧道效應” 控制柵接地，漏極接高電壓，則產生控制柵接地，漏極接高電壓，則產生與上述相反的過程，即可對浮柵放電。與上述相反的過程，即可對浮柵放電。 電擦除！

24、電擦除！E2PROM擦除的過程就是改寫過程，以擦除的過程就是改寫過程，以字為單位進行擦寫的。字為單位進行擦寫的。 E2PROM具有具有ROM的非易失性，又具備類似的非易失性，又具備類似RAM的功的功能，可以隨時改寫。一般芯片內部帶有能，可以隨時改寫。一般芯片內部帶有升壓電路，可以直接讀寫升壓電路，可以直接讀寫E2PROM。28(4)快閃存儲器快閃存儲器FLASH ROM 結合結合EPROM結構簡單、編程可靠的優點和結構簡單、編程可靠的優點和E2PROM擦擦除快捷的特性。集成度高，可靠性好。除快捷的特性。集成度高，可靠性好。較大較大絕緣層絕緣層更薄更薄特點：特點：a.通過在源極上加正壓，使浮柵放

25、電，擦除寫入的數據。通過在源極上加正壓，使浮柵放電，擦除寫入的數據。b.因為個存儲單元因為個存儲單元MOS管的源極是連在一起的，所以擦除管的源極是連在一起的，所以擦除是整片或分塊擦除。是整片或分塊擦除。c.擦除速度很快，一般整片擦除只需幾秒鐘。擦除速度很快，一般整片擦除只需幾秒鐘。29相同點：相同點：1)均為電擦除，不需要專門的工具寫入和擦除。均為電擦除，不需要專門的工具寫入和擦除。2)內部需要有升壓電路，擦除時間短內部需要有升壓電路，擦除時間短(ms級級)；不同點：不同點：E2PROM是對單個存儲單元擦除；是對單個存儲單元擦除；FLASH ROM由于源極都并聯，所以擦除時為整片擦除，由于源極

26、都并聯，所以擦除時為整片擦除，或分塊擦除，擦除速度更快。或分塊擦除，擦除速度更快。E2PROM和和FLASH ROM的比較：的比較：30EPROM集成電路集成電路 D7 D0 PGM 輸輸出出緩緩沖沖器器 Y 選選通通 存存儲儲陣陣列列 CE OE 控控制制邏邏輯輯 Y 譯譯碼碼 X 譯譯碼碼 A16 A0 VPP GND VCC AT27C010， 128K 8位位ROM 讀操作時的工作電壓讀操作時的工作電壓5V編程操作時的工作電壓編程操作時的工作電壓13V輸出使能輸出使能信號信號片選片選信號信號編程選通編程選通信號信號控制信號均為低電平有效！控制信號均為低電平有效！ 31 CEOEPGM工

27、作模式工作模式A16 A0VPPD7 D0讀讀00XAiX數據輸出數據輸出輸出無效輸出無效X1XXX高阻高阻等待等待1XXAiX高阻高阻快速編程快速編程010AiVPP數據輸入數據輸入編程校驗編程校驗001AiVPP數據輸出數據輸出表表7.1.3 工作模式工作模式 片選片選信號信號輸出使能輸出使能信號信號編程選通編程選通信號信號 說明：說明：EPROM的數據寫入均由專用或通用編的數據寫入均由專用或通用編程器完成。程器完成。 32ROM的讀操作與時序圖的讀操作與時序圖（2）加入有效的片選信號）加入有效的片選信號CEOE（3）使輸出使能信號）使輸出使能信號 有效，經過一定延時后，有效數有效，經過一

28、定延時后，有效數據出現在數據線上；據出現在數據線上；CEOE（4）讓片選信號）讓片選信號 或輸出使能信號或輸出使能信號 無效，經過一定延無效，經過一定延時后數據線呈高阻態，本次讀出結束。時后數據線呈高阻態，本次讀出結束。（1）欲讀取單元的地址加到存儲器的地址輸入端；）欲讀取單元的地址加到存儲器的地址輸入端； tCE tAA 讀讀出出單單元元的的地地址址有有效效 CE tOE OE D7 D0 數數據據輸輸出出有有效效 tOZ tOH A16 A0 339.3 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展（P296-299）n當一片當一片RAM(或或ROM)不能滿足存儲容量位不能滿足存儲容量位數數(或字數或

29、字數)要求時，需要多片存儲芯片進行要求時，需要多片存儲芯片進行擴展，形成一個容量更大、字數位數更多擴展，形成一個容量更大、字數位數更多的存儲器。的存儲器。n擴展方法根據需要有擴展方法根據需要有位擴展位擴展、字擴展字擴展和和字字位同時擴展位同時擴展3種。種。 34 把各片芯片并聯。即將把各片芯片并聯。即將RAM的地址線、讀的地址線、讀/寫控制線和片寫控制線和片選信號對應地并聯在一起。選信號對應地并聯在一起。 每個地址對應多個芯片內部的相同位置的存儲單元，擴每個地址對應多個芯片內部的相同位置的存儲單元，擴展了每個地址的位數。展了每個地址的位數。圖圖7.2.101.位數（字長）擴展位數（字長）擴展:

30、35 A12 A0 CE WE D7 D0 8K 8 位位 （） 8K 8 位位 （） 8K 8 位位 （） 8K 8 位位 （） D7 D0 A12 A0 WE A1 A0 A14 A13 EN Y0 Y1 Y2 Y3 13 13 13 13 13 8 8 8 8 8 74139 A12 A0 CE WE D7 D0 A12 A0 CE WE D7 D0 A12 A0 CE WE D7 D0 2.字擴展方式（地址擴展）：字擴展方式（地址擴展）：把低位地址并聯入各個把低位地址并聯入各個芯片，高位地址經譯碼作為各個芯片的片選信號。芯片，高位地址經譯碼作為各個芯片的片選信號。 同理，若高位地址是同

31、理，若高位地址是01，只有芯片只有芯片2被選中，其上被選中，其上的的8k個存儲單元個存儲單元與外部數與外部數據線相連。據線相連。 當高位地址線為當高位地址線為00時，時，Y0輸出低電平，第一塊輸出低電平，第一塊RAM芯片被選中，其芯片被選中，其8k個存儲單元與外部數據線個存儲單元與外部數據線相連。相連。 例如：例如：將將4個個8K8位的位的RAM芯片擴展為芯片擴展為32K8位讀存儲器。位讀存儲器。外部外部15條地址線，接入芯片內部條地址線，接入芯片內部13條，增加的兩條地址線條，增加的兩條地址線A14、A13經譯碼后作為片選信號。經譯碼后作為片選信號。2線線/4線線譯碼器譯碼器3610 可編程

32、邏輯器件（不講）可編程邏輯器件（不講）概述概述:一、數字集成電路的分類一、數字集成電路的分類(從邏輯功能特點上分從邏輯功能特點上分):1、通用型數字集成電路、通用型數字集成電路:各種中小規模數字集成電路各種中小規模數字集成電路特點：特點：邏輯功能簡單，且固定不變。邏輯功能簡單，且固定不變。 從理論上講，可以用其組成任何復雜的數字系統，但從理論上講，可以用其組成任何復雜的數字系統，但電路體積大、重量大、功耗大、可靠性差。電路體積大、重量大、功耗大、可靠性差。2、專用型數字集成電路、專用型數字集成電路:為專門用途設計的大規模數字集為專門用途設計的大規模數字集成電路成電路(Application S

33、pecific Integrated Circuit，簡稱，簡稱ASIC)特點：特點：體積小、重量輕、功耗小、可靠性好。體積小、重量輕、功耗小、可靠性好。缺點：缺點：用量不大的情況下，成本高，設計、制造周期長。用量不大的情況下，成本高，設計、制造周期長。矛盾！矛盾！如何解決？如何解決？373、可編程邏輯器件、可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，簡稱，簡稱PLD ） 特點：芯片本身作為通用器件生產，但其邏輯功能是特點：芯片本身作為通用器件生產，但其邏輯功能是由用戶通過對器件編程來設定的。由用戶通過對器件編程來設定的。 由于由于PLD 集成度很高，足以滿足一般數字系

34、統設計的集成度很高，足以滿足一般數字系統設計的需要，設計人員只要自行編程，把一個數字系統需要，設計人員只要自行編程，把一個數字系統“集成集成”在一片在一片PLD 上，而不必請芯片制造廠商設計和制作專用上，而不必請芯片制造廠商設計和制作專用芯片。芯片。二、二、PLD開發系統：包括硬件和軟件兩部分開發系統：包括硬件和軟件兩部分 開發系統軟件：指專用的編程語言和相應的匯編程序開發系統軟件：指專用的編程語言和相應的匯編程序或編譯程序。分為匯編型、編譯型和原理圖收集型。或編譯程序。分為匯編型、編譯型和原理圖收集型。 80年代后，功能更強、效率更高、兼容性更好的編譯年代后，功能更強、效率更高、兼容性更好的

35、編譯型開發系統軟件得到廣泛應用，軟件輸入的源程序采用型開發系統軟件得到廣泛應用，軟件輸入的源程序采用專用的高級編程語言（硬件描述語言專用的高級編程語言（硬件描述語言VHDL）38 特別是特別是90年代后推出的在系統可編程器件年代后推出的在系統可編程器件(In-System Programmable PLD，簡稱，簡稱ISP-PLD），及與之配套的開發），及與之配套的開發系統軟件，為用戶提供了更為方便的設計手段。系統軟件，為用戶提供了更為方便的設計手段。 有自動化簡和優化設計的功能，除了能自動完成設計有自動化簡和優化設計的功能，除了能自動完成設計外，還有模擬仿真和自動測試的功能。外，還有模擬仿真

36、和自動測試的功能。 目前應用最多的目前應用最多的ISP器件是器件是FPGA和和CPLD，均稱為，均稱為高密度高密度ISP-PLD。生產廠家有。生產廠家有Lattice、Xilinx、Atmel公公司等。司等。 其最大特點是編程時既不需要使用編程器，也不需要將其最大特點是編程時既不需要使用編程器，也不需要將芯片從電路板上取下，可以在系統內進行編程。而所有的芯片從電路板上取下，可以在系統內進行編程。而所有的開發系統軟件都可以在開發系統軟件都可以在PC機上運行。機上運行。391、PLD的分類的分類PROMPLAPALGAL低密度可編程邏輯器件低密度可編程邏輯器件（LDPLD）EPLDCPLDFPGA

37、高密度可編程邏輯器件高密度可編程邏輯器件（HDPLD）可編程邏輯器件可編程邏輯器件（PLD）按集成密度劃分為按集成密度劃分為三、可編程器件簡介：三、可編程器件簡介：401、簡單、簡單PLD (PAL，GAL)(1)結構框圖結構框圖與門與門陣列陣列或門或門陣列陣列乘積項乘積項和項和項PLD主體主體輸入輸入電路電路輸入信號輸入信號互補互補輸入輸入輸出輸出電路電路輸出函數輸出函數反饋輸入信號反饋輸入信號 可由或陣列直接輸出，構成組合輸出；可由或陣列直接輸出，構成組合輸出； 通過寄存器輸出，構成時序方式輸出。通過寄存器輸出，構成時序方式輸出。41(2)基本電路結構基本電路結構輸 出 或門陣列 與門陣列

38、 輸 入 B A Y Z (b) 與門與門陣列陣列或門或門陣列陣列乘積項乘積項和項和項互補互補輸入輸入42 與與陣陣列列 B A L1 L0 可可編編程程 或或陣陣列列 固固定定 與陣列、或陣列與陣列、或陣列均可編程均可編程(PLA)與陣列固定，或陣與陣列固定，或陣列可編程列可編程(PROM)與陣列可編程，或與陣列可編程，或陣列固定陣列固定(PAL和和GAL等等) 與陣列與陣列 B A L1 L0 可編程可編程 或陣列或陣列 可編程可編程 與與陣陣列列 B A L1 L0 或或陣陣列列 可可編編程程 固固定定 (3)分類分類:三種與、或陣列三種與、或陣列按按PLD中的與、或陣列是否編程分中的與

39、、或陣列是否編程分(4) 編程連接技術編程連接技術:同同ROM的寫入技術的寫入技術43 與一般與一般PLD采用與采用與-或邏輯陣列加上輸出邏輯單元的或邏輯陣列加上輸出邏輯單元的結構形式不同，是由若干獨立的可編程邏輯模塊組成。結構形式不同，是由若干獨立的可編程邏輯模塊組成。FPGA的基本結構框圖：的基本結構框圖：三種可編程單元：三種可編程單元：每個每個CLB都包含組合邏輯都包含組合邏輯電路和存儲器電路和存儲器(觸發器觸發器)2)可編程邏輯模塊可編程邏輯模塊CLB;1)輸入輸入/輸出模塊輸出模塊IOB;3)互連資源互連資源IR包括不同類型的金屬線、包括不同類型的金屬線、可編程的開關矩陣、可編程的開

40、關矩陣、可編程的連接點。可編程的連接點。2、FPGA現場可編程門陣列現場可編程門陣列44采用靜態存儲器采用靜態存儲器靜態存儲器的存儲單元靜態存儲器的存儲單元具有很強的抗干擾能力具有很強的抗干擾能力和很高的工作可靠性。和很高的工作可靠性。成本較低廉。成本較低廉。缺點：缺點： a.掉電后存儲器上的數據不能保存掉電后存儲器上的數據不能保存，因此，每次通電時，因此，每次通電時必須重新給存儲器必須重新給存儲器“裝載裝載”數據，裝載過程是在其內部數據，裝載過程是在其內部的一個時序電路的控制下自動進行的。而數據通常需要的一個時序電路的控制下自動進行的。而數據通常需要放在配備的一片放在配備的一片EPROM當中

41、。當中。 b.信號傳輸延遲時間不確定。在用若干個信號傳輸延遲時間不確定。在用若干個CLB組成復雜組成復雜數字系統時，由于每個信號傳輸途徑各異，使傳輸延遲時數字系統時，由于每個信號傳輸途徑各異，使傳輸延遲時間不同，不僅給設計工作帶來麻煩，也限制了器件的工作間不同，不僅給設計工作帶來麻煩，也限制了器件的工作速度。速度。優點：優點：適用于組成規模不大的數字系統。適用于組成規模不大的數字系統。CMOS反相器反相器控制管控制管453、CPLD(Complex programmable logic Device) 稱為復雜的可編程邏輯器件稱為復雜的可編程邏輯器件 邏輯塊 邏輯塊 邏輯塊 邏輯塊 邏輯塊 邏

42、輯塊 邏輯塊 邏輯塊 可 編 程 內 部 連 線 矩 陣 I/O I/O 含更多乘積項、更多宏單元、更多的輸入信號。含更多乘積項、更多宏單元、更多的輸入信號。結構框圖結構框圖46包括：包括：通用邏輯模塊通用邏輯模塊GLB；輸入輸入/輸出單元輸出單元IOC；可編程內部連線區可編程內部連線區RP；編程控制電路。編程控制電路。存儲系統采用存儲系統采用E2CMOS工藝制作，掉電時數據工藝制作，掉電時數據不會丟失，克服了不會丟失，克服了FPGA的缺點。的缺點。此外信號傳輸時間短，此外信號傳輸時間短，且是可以預知的。且是可以預知的。適用于構成規模較大的數字系統適用于構成規模較大的數字系統47CPLD編程簡

43、介編程簡介編程過程（編程過程（Download或或Configure）：將編程數據寫入）：將編程數據寫入這些單元的過程。這些單元的過程。用戶在開用戶在開發軟件中發軟件中輸入設計輸入設計及要求。及要求。檢查、分析檢查、分析和優化。完和優化。完成對電路的成對電路的劃分、布局劃分、布局和布線和布線編程的實現：由可編程器件的開發軟件自動生成的。編程的實現：由可編程器件的開發軟件自動生成的。生成生成編程編程數據數據文件文件寫入寫入CPLD48 計算機根據用戶編寫的源程序運行開發系統軟件，計算機根據用戶編寫的源程序運行開發系統軟件，產生相應的編程數據和編程命令，通過五線編程電產生相應的編程數據和編程命令，

44、通過五線編程電纜接口與纜接口與CPLD連接連接。 將電纜接到計算機的并行口，將電纜接到計算機的并行口，通過編程軟件發出編程命令，通過編程軟件發出編程命令，將編程數據文件（將編程數據文件（* *JEDJED）中的）中的數據轉換成串行數據送入芯片。數據轉換成串行數據送入芯片。編程條件編程條件(1)微機；微機； (2)CPLD編程軟件；編程軟件；(3)專用編程電纜。專用編程電纜。 49 值得指出的是：由于微電子技術的發展、值得指出的是：由于微電子技術的發展、可編程邏可編程邏輯器件和相應的編程語言和編程軟件的出現，不僅改輯器件和相應的編程語言和編程軟件的出現，不僅改變了電子設計的方法和手段，而且，使電

45、子設計的理變了電子設計的方法和手段，而且，使電子設計的理念發生了質的飛躍。念發生了質的飛躍。1、硬件設計軟件化；、硬件設計軟件化；2、“自頂向下自頂向下”的設計方法。的設計方法。 數字系統：數字系統：由若干數字電路和邏輯部件構成的、按由若干數字電路和邏輯部件構成的、按一定順序處理和傳輸數字信號的設備。一定順序處理和傳輸數字信號的設備。有無控制單元是區分數字系統和功能部件的標志。有無控制單元是區分數字系統和功能部件的標志。首先明確一下：什么是數字系統？首先明確一下：什么是數字系統？50 (1)將數字系統從結構上劃分為數據處理單元和控將數字系統從結構上劃分為數據處理單元和控制單元兩部分；制單元兩部分；控制控制單元單元數據處理數據處理單元單元外部外部輸入輸入數據數據輸入輸入數據數據輸出輸出控制信息控制信息數字系統框圖數字系統框圖 “自頂向下自頂向下”的設計方法：的設計方法：針對數字系統層次化的針對數字系統層次化的特點，將系統的設計分層次、分模塊進行。特點，將系統的設計