大规模集成电路上.ppt

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1、第第7章章 大规模数字集成电路大规模数字集成电路3.7.1 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)3.7.2 只读存储器只读存储器(ROM)3.7.4 高密度高密度PLD器件应用举例器件应用举例 3.7.3 高密度可编程逻辑器件简介高密度可编程逻辑器件简介 常用大规模数字集成电路常用大规模数字集成电路 半导体存储器半导体存储器 微处理器微处理器 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 大规模专用数字集成电路大规模专用数字集成电路（ASIC）本章主要介绍半导体存储器和大规模可编程本章主要介绍半导体存储器和大规模可编程逻辑器件的结构及使用方法。逻辑器件的结构及使用方法。3.7.1 随机存取存储器

2、（随机存取存储器（RAM）存储大量二进制信息的器件存储大量二进制信息的器件 软磁盘软磁盘 硬磁盘硬磁盘 磁带磁带 光盘光盘 半导体存储器半导体存储器 半导体存储器特点半导体存储器特点容量扩充方便容量扩充方便 存取速度快存取速度快集成度高集成度高体积小体积小功耗低功耗低半导体存储器特点半导体存储器特点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)RAM特点：特点：操作者能操作者能任意任意选中存储器中的某个地址单元，对该选中存储器中的某个地址单元，对该地址中的信息进行地址中的信息进行读出读出操作或操作

3、或写入写入新的信息。新的信息。根据根据RAM的工作特点可见，计算机中的的工作特点可见，计算机中的内存条内存条就是就是一种随机存取存储器一种随机存取存储器RAM。读出操作时原信息保留；写入新信息时，新信息将读出操作时原信息保留；写入新信息时，新信息将取代原信息。取代原信息。电路一旦电路一旦失电，信息全无失电，信息全无；恢复供电后，原信息不；恢复供电后，原信息不能恢复，能恢复，RAM中的信息为随机数。中的信息为随机数。半导体存储器通常与微处理器直接相连，用于存放半导体存储器通常与微处理器直接相连，用于存放微处理器的微处理器的指令指令、数据数据。一、一、RAM的一般结构和读写过程的一般结构和读写过程

4、1.RAM的一般结构的一般结构RAM由由存储体存储体、行列地址译码器行列地址译码器、I/O及读及读/写控制写控制电路三部分电路电路三部分电路组成。组成。列地址译码器列地址译码器行行地地址址译译码码器器 Bm-1 Bm-2 B0An-1An-2A0I/O及读写控制及读写控制 片选片选 I/O控制控制数数据据输输入入/输输出出存储体存储体存储单元存储单元存储体：存储体：是存放大量二进制信息的是存放大量二进制信息的“仓库仓库”，由成千上万个存储单，由成千上万个存储单元组成。而每个基本存储单元存放着一位二进制数元组成。而每个基本存储单元存放着一位二进制数0或或1。一个基本存储单元一个基本存储单元(1位

5、位)i行行j列列i行行j列列一个存储单元一个存储单元(四个基本存储单元四个基本存储单元)(4位位)一个地址码可以同时指定多个存储单元，一个地址码可以同时指定多个存储单元，即一次即一次“写入写入”或或“读出读出”的数是一个多位二进制数。的数是一个多位二进制数。存储器的容量就是基本存储器的容量就是基本存储单元的个数。表示为存储单元的个数。表示为M字字N位位。其中，其中，M个字是全部个字是全部地址码所能指定的字数，地址码所能指定的字数，N位就是一个地址码一次能指定的位就是一个地址码一次能指定的存储单元的个数。存储单元的个数。例如，一个例如，一个10位地址的位地址的RAM，共有，共有210个存储单元，

6、若每个个存储单元，若每个存储单元存放一位二进制信息，则该存储单元存放一位二进制信息，则该RAM的容量就是的容量就是2101=1024字位，通常称字位，通常称1K字位。若每个存储单元存放字位。若每个存储单元存放4位位二进制信息，则该二进制信息，则该RAM的容量就是的容量就是2104=4096字位字位行、列地址译码器：行、列地址译码器：是二进制译码器，将地址码翻译成行列对应的具体是二进制译码器，将地址码翻译成行列对应的具体地址，指明对哪个存储单元进行读写操作。地址，指明对哪个存储单元进行读写操作。例如，一个例如，一个10位的地址码位的地址码A4A3A2A1A0=00101、B4B3B2B1B0=0

7、0011时，则将对应于第时，则将对应于第5行第行第3列的存列的存储单元被选中。储单元被选中。I/O及读及读/写控制电路：写控制电路：读读/写控制电路决定是读出存储器中的信息还是将写控制电路决定是读出存储器中的信息还是将新信息写入存储器中。新信息写入存储器中。输入输入/输出缓冲器起数据锁存作用，通常采用三态输出缓冲器起数据锁存作用，通常采用三态输出的电路结构。因此，输出的电路结构。因此，RAM可以与外面的可以与外面的数据总数据总线线电路相连接，实现信息的双向传输。电路相连接，实现信息的双向传输。2.RAM的读的读/写过程写过程访问某地址单元的地址码有访问某地址单元的地址码有效，加入你想去访问的具

8、体效，加入你想去访问的具体地址：如地址：如A9A0=0D3H=0011010011B。片选有效：片选有效：CS=0，选中该片选中该片RAM为工作状态。为工作状态。读读/写操作有效：写操作有效：WE=1，读读出信息；出信息；WE=0，写入信息。写入信息。二、二、RAM中的存储单元中的存储单元按照数据存取的方式不同，按照数据存取的方式不同，RAM中的存储单元分中的存储单元分为两种：为两种：静态静态存储单元存储单元静态静态RAM(SRAM,Static RAM)动态动态存储单元存储单元动态动态RAM(DRAM,Dynamic RAM)1.静态存储单元静态存储单元(SRAM)典型结构典型结构存储单元存

9、储单元I/O缓冲及缓冲及控制电路控制电路三、静态三、静态RAM的容量扩展的容量扩展当静态当静态RAM的地址线和数据线不能与微机相匹配时，的地址线和数据线不能与微机相匹配时，可用可用地址线扩展地址线扩展、数据线扩展数据线扩展、线地址和数据线同时线地址和数据线同时进行扩展进行扩展的方法加以解决。的方法加以解决。位数扩展位数扩展（数据线扩展）数据线扩展）A05A16A27A34A43A52A61A717A816A915CS8WE10I/O0I/O1I/O2I/O314131211地址有效有效有效高阻态输入输出CSWEI/O3I/O010010RAM 2114：10位地址，位地址，4位数据线，容量为位

10、数据线，容量为2104=10244=4096字位（字位（4K字位）。字位）。用用4K容量的容量的RAM2114，实现一个容量为，实现一个容量为10248 字字位位(8K字位字位)容量的容量的RAM。选用选用RAM2114两片，将两片的地址线、读两片，将两片的地址线、读/写线写线及片选线并联，两片的数据分别作为高及片选线并联，两片的数据分别作为高4位数据位数据和低和低4位数据，即可组成位数据，即可组成8位的数据线。位的数据线。【例】【例】解：解：字扩展字扩展 （地（地址址线扩展）线扩展）A A1010=0=0时时,地址范围为地址范围为A A1010A A9 9A A0 0=(0000000000

11、0=(0000000000001111111111)01111111111)B B或或(000(000 3FF)3FF)H HA A1010=1=1时时,地址范围为地址范围为A A1010A A9 9A A0 0B B或或(0400(04007FF)7FF)H HRAM1工作工作RAM2工作工作RAM的字位扩展的字位扩展【例】【例】将将RAM2114扩展成容量为扩展成容量为40968字位（字位（32K字字位）的位）的RAM。解：解：4096个字需要个字需要12位地址，而位地址，而RAM2114只有只有10位位地址，所以需要进行地址扩展，同时还应将地址，所以需要进行地址扩展，同时还应将4位，扩位

12、，扩展成展成8位。位扩展同前，地址扩展用译码器完成，共位。位扩展同前，地址扩展用译码器完成，共需用需用8片片RAM2114。3.7.2 只读存储器只读存储器ROM只读存储器只读存储器ROM中的信息不能轻易地更改。中的信息不能轻易地更改。一经写入，只能读出。即使掉电，原存储的内容仍一经写入，只能读出。即使掉电，原存储的内容仍然不变。然不变。一旦恢复供电，信息能完全复原一旦恢复供电，信息能完全复原。一、只读存储器的一般结构一、只读存储器的一般结构 地址译码器地址译码器是一个二进制是一个二进制全译码电路，即是一个不全译码电路，即是一个不可编程的可编程的“与与”阵列阵列。存储体存储体是一个是一个“或或

13、”结构结构的的阵列阵列。44ROM具体电路具体电路D0位的或门结构位的或门结构110011101101010110111000字输出字选线地址读出的信息内容如下：读出的信息内容如下：ROM存储体存储体与与RAM完全不一样完全不一样，ROM属于属于组合逻辑电路组合逻辑电路，而且，而且ROM也也没有没有I/O缓冲与控制电路缓冲与控制电路。ROM没有记忆电路，由固定的没有记忆电路，由固定的“与与”阵列和固定的阵列和固定的“或或”阵列组成。阵列组成。N位地址的位地址的与阵列与阵列共有共有2N个个与项与项(称为称为字字字字)；存储矩阵部分构成；存储矩阵部分构成或阵列或阵列，每个或门的输，每个或门的输出称

14、为出称为位位位位。ROM的与或阵列结的与或阵列结构与构与组合型组合型PLD器件器件相类似，表明相类似，表明PLD器器件是由件是由ROM逐步发逐步发展过来的。同时，展过来的。同时，ROM也用也用简化逻辑简化逻辑图图表示：表示：二、只读存储器二、只读存储器ROM的种类的种类ROM中的与阵列不可编程，或阵列可进行固定编程。中的与阵列不可编程，或阵列可进行固定编程。根据不同的半导体制造工艺，或阵列的编程方式有多根据不同的半导体制造工艺，或阵列的编程方式有多种。种。ROM种类通常按其编程方式划分。种类通常按其编程方式划分。掩膜型掩膜型只读存储器只读存储器 生产厂家根据用户要求的存储生产厂家根据用户要求的

15、存储内容，用掩膜工艺，在存储体内容，用掩膜工艺，在存储体中的字位线交叉处，制作半导中的字位线交叉处，制作半导体器件。体器件。一旦制成，其内容就固定，无一旦制成，其内容就固定，无法编程（更改）。法编程（更改）。如家电中的洗衣机程序，电风如家电中的洗衣机程序，电风扇程序都是固定的。扇程序都是固定的。PROM 可一次编程可一次编程(改写改写)的只读存储器的只读存储器又分为熔丝式和短路式两种。又分为熔丝式和短路式两种。熔丝式熔丝式短路式短路式出厂时内容全为出厂时内容全为“1”。出厂时内容全为出厂时内容全为“0”。可以编程一次，编程后内容就固定了，无法更改。可以编程一次，编程后内容就固定了，无法更改。在

16、字位线的每个交叉点上都做上一个半导体器件。在字位线的每个交叉点上都做上一个半导体器件。加电流将熔丝熔断，加电流将熔丝熔断，可把内容改写为可把内容改写为0。将将D1击穿，可把内容击穿，可把内容改写为改写为1。EPROM 紫外线擦除式紫外线擦除式(UVEPROM)EPROM芯片的中央开有一个石英窗口。芯片的中央开有一个石英窗口。通常采用采用编程电压进行编程，可多次编程，通常采用采用编程电压进行编程，可多次编程，编程次数达编程次数达100次以上；次以上；擦除所有内容时需用擦除所有内容时需用UV（紫外线）对准窗口照射，紫外线）对准窗口照射，时间约时间约20分钟；分钟；编程后需用黑色胶布将石英窗口封住，

17、以防空气编程后需用黑色胶布将石英窗口封住，以防空气中的中的UV，数据可保存数据可保存20年以上；年以上；在字位线交叉点制作一个特殊的在字位线交叉点制作一个特殊的MOS器件。一种器件。一种是是FAMOS（Floating-gate Avalanche Injunction MOS，浮栅雪崩注入型浮栅雪崩注入型）；另一种是）；另一种是SIMOS（Stacked-gate Injunction MOS，叠栅注叠栅注入型入型）。）。E2PROM 电擦除式（电擦除式（EEPROM）E2PROM的擦除只需电信号（高压编程电压和高的擦除只需电信号（高压编程电压和高压脉冲），且擦除速度快。压脉冲），且擦除速度

18、快。E2PROM可以单字节擦除或改写，而可以单字节擦除或改写，而EPROM只只能整片擦除。能整片擦除。有些有些E2PROM可可5V编程。编程。E2PROM既具有既具有ROM器件的器件的非易失性非易失性优点，又具优点，又具备类似备类似RAM器件的可读写功能（但写入速度相对器件的可读写功能（但写入速度相对较慢）。较慢）。E2PROM存储单元中采用存储单元中采用隧道隧道MOS管管（全称为浮（全称为浮栅隧道氧化层栅隧道氧化层MOS管管Flotox，Floating-gate Tunnel Oxide MOS）。）。快闪存储器（快闪存储器（FLASH Memory）每个存储单元只需单个每个存储单元只需单

19、个MOS管，因此其结构比管，因此其结构比EEPROM更加简单，存储容量可以做得更大。更加简单，存储容量可以做得更大。不能象不能象EEPROM那样实现单字节擦除或改写，一那样实现单字节擦除或改写，一般只能分页擦除或改写。般只能分页擦除或改写。根据器件容量大小，一页大小为根据器件容量大小，一页大小为128、256、512、64K字节不等。字节不等。快闪快闪存储器的编程与存储器的编程与EPROM相似。相似。快闪快闪存储器的擦除机理与存储器的擦除机理与E2PROM相似，即利用了相似，即利用了“电子隧道效应电子隧道效应”。三、三、ROM的应用举例的应用举例ROM是由是由“与与”阵列阵列（地址译码器）和（

20、地址译码器）和可编程的可编程的“或或”阵列阵列（存储体）组成。而任何一个逻辑函数都（存储体）组成。而任何一个逻辑函数都可表示为可表示为“与或与或”表达式。因此，表达式。因此，可以用可以用EPROM实现各种功能的组合逻辑实现各种功能的组合逻辑。EPROM2716有有11根地址线根地址线A0A108位数据输出位数据输出D0D7存储容量为存储容量为2K字节字节VPP是编程电压是编程电压 、为片选、读为片选、读/写写高阻+5V+25V10编程禁止读出+5V+25V00编程禁止写入+5V+25V150mS脉冲编程写高阻+5V+5V1等待高阻+5V+5V1未选中输出+5V+5V00读出D7D0VDDVPP

21、 EPROM2716的六种工作状态的六种工作状态【例】【例】试用试用EPROM2716将将4位二进制码转换成格雷码。位二进制码转换成格雷码。解：解：二进制码与格雷码的关系为：二进制码与格雷码的关系为：二进制码二进制码B3 B2 B1 B0A3 A2 A1 A0格雷码格雷码二进制码二进制码B3 B2 B1 B0A3 A2 A1 A0格雷码格雷码0 0 0 10 0 0 10 0 1 10 0 1 00 0 0 00 0 0 00 0 1 00 0 1 11 0 0 01 1 0 01 0 1 01 1 1 11 1 0 01 0 1 01 0 0 11 1 0 11 0 1 11 1 1 00

22、1 1 00 1 0 10 1 1 10 1 0 00 1 1 00 1 0 00 1 1 10 1 0 11 1 1 11 0 0 01 1 0 11 0 1 11 1 1 01 0 0 1把把4位二进制码作为位二进制码作为EPROM2716的低四位地址输入，的低四位地址输入，而把而把4位格雷码作为对应地址中的内容写入到位格雷码作为对应地址中的内容写入到EPROM 中，即可实现二进制码到格雷码的转换。中，即可实现二进制码到格雷码的转换。08H0FH04H07H09H0EH05H06H0BH0DH07H05H0AH0CH06H04H0EH0BH02H03H0FH0AH03H02H0DH09H0

23、1H01H0CH08H00H00H内容内容D7 D0地址地址A10A0内容内容D7 D0地址地址A10A0转换电路如图：转换电路如图：4位二进位二进制码输入制码输入4位格雷位格雷码输出码输出【例】【例】试用试用EPROM2716、计数器、译码器等电路设计、计数器、译码器等电路设计一个能显示一个能显示“日日”字的字符发生器。字的字符发生器。解：解：要设计这样一个显示电路必须考虑以下几点要设计这样一个显示电路必须考虑以下几点：要显示的信息要显示的信息“日日”应存放在存储器中，显示时应存放在存储器中，显示时不断地重复取出不断地重复取出“日日”信息。信息。如果采用点阵式的发光二极管显示方式时，应以如果

24、采用点阵式的发光二极管显示方式时，应以一定的频率自上而下的逐行扫描，使显示的一定的频率自上而下的逐行扫描，使显示的“日日”字不闪烁。字不闪烁。除需要存储器外，还应有除需要存储器外，还应有计数器和译码器以及一块计数器和译码器以及一块点阵显示板。点阵显示板。将将“日日”进行编程，然后写入进行编程，然后写入EPROM2716中。中。88发光二极管显发光二极管显示板示板01111110010000100100001001111110010000100100001001111110000000007EH07H42H03H42H06H42H02H42H05H7EH01H7EH04H00H00HD7D0A1

25、0A0D7D0A10A0内容地址内容地址EPROM中内容中内容按表中所示地址和内容对按表中所示地址和内容对2716编程编程一般用编程器自动完成。一般用编程器自动完成。手工编程时，须按手工编程时，须按EPROM2716编程时的要求连编程时的要求连接进行，如下一行。接进行，如下一行。+5V+25V150mS脉冲脉冲三位二进三位二进制计数器制计数器3/8译译码码器器EPROM271688字符显示板字符显示板“日日”字符发生器电路如图：字符发生器电路如图：7EH07H42H03H42H06H42H02H42H05H7EH01H7EH04H00H00HD7D0A10A0D7D0A10A0内容地址内容地址