第12章 存儲器和可編程邏輯器件,數(shù)字邏輯器件分類：,1） 標準產品：包括門、觸發(fā)器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)據選擇器等等中小規(guī)模數(shù)字電路。,標準產品的特點是：批量大，成本低，價格便宜，速度快。是數(shù)字系統(tǒng)傳統(tǒng)設計中使用的主要邏輯器件。,缺點是：器件密度低，所構成的數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模大，印刷線路板走線復雜，焊點多，使電路的可靠性差，功耗大。,2）由軟件配置的大規(guī)模集成電路：如微處理機、單片微型計算機等。,12.1 概述,這類電路的特點：器件密度高，邏輯功能可由軟件配置，用它所構成的數(shù)字系統(tǒng)硬件規(guī)模小，系統(tǒng)靈活性高。,缺點：工作速度不夠高，另外，這類芯片一般要用多片標準集成電路構成外圍電路才能工作。,3）專用集成電路（ASIC) Application Specific Integrated Circuit,ASIC是為滿足一種或幾種特定功能而設計制造的集成電路芯片，密度高， ASIC芯片能取代由若干個中小規(guī)模電路組成的電路板，甚至一個完整的數(shù)字系統(tǒng),ASIC分類： ASIC屬用戶定制電路。（Custom Design IC).包括全定制和半定制兩種。,全定制（Full custom design IC):半導體生產廠家根據用戶的特定要求專門設計并制造。,特點：生產周期長，費用高，風險大。在大批量定型產品中使用。,半定制（Semi- custom design IC):半導體生產廠家設計并制造出的標準的半成品芯片。,半定制電路分類：, 門陣列 （Gate Array),在硅片上預先做好大量相同的基本單元電路，并把它整齊地排成陣列，這種半成品芯片稱為母片。母片可由廠家大批量生產。,當用戶需制作滿足特定要求的ASIC芯片時，可根據設計要求選擇母片，由用戶或廠家設計出連線版圖，再由器件生產廠家經過金屬連線等簡單工藝，制成成品電路。,缺點：用戶主動性差，使用不方便。,特點：周期較短，成本較低，風險小。, 可編程邏輯器件(PLD) (Programmable Logic Device),芯片上的電路和金屬引線由半導體廠家做好，其邏輯功能由用戶開發(fā)實現(xiàn)。,特點：集成度高，速度快，靈活性好，可重復編程。電路設計方便，風險低。,1. PLD器件的連接表示方法,2. 門電路表示法,3. 陣列圖,12.2 存儲器,存儲器是一種通用大規(guī)模集成電路,用來存放程序和數(shù)據.,存儲器分類: 1) 只讀存儲器(ROM) 2) 隨機存取存儲器(RAM),12.2.1 ROM (Read-Only Memory),ROM存放固定信息,只能讀出信息,不能寫入信息.當電源切斷時,信息依然保留.,1. ROM的結構,地址譯碼器為二進制譯碼器,即全譯碼結構.(地址線為n根,譯碼器輸出為2n根字線,說明存儲陣列中有2n個存儲單元),2) 存儲陣列輸出有m根位線,說明每個存儲單元有m位,即 一個字有m位二進制信息組成.每一位稱為一個基本存 儲單元.,3) 存儲器的容量定義為: 字數(shù)位數(shù)(2nm).,一個二極管ROM的例子,A1 A0 F0 F1 F2 F3 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0, W0W3為地址譯碼器的輸出 Wi=mi (mi為地址碼組成 的最小項）, 當A1A0=00時，W0=1, F0F1F2F3=0100(一個字）； 當A1A0=01時，W1=1, F0F1F2F3=1001(一個字）； 當A1A0=10時，W2=1, F0F1F2F3=0110(一個字）； 當A1A0=11時，W3=1, F0F1F2F3=0010(一個字）。, 將地址輸入和Fi之間的關系填入真值表得：,ROM實際是一種組合電路結構。, 陣列圖,與陣列： 表示譯 碼器。,或陣列： 表示存 儲陣列。,存儲容量為： 44,2.可編程只讀存儲器,用戶可根據需要自行進行編程的存儲器.,1) PROM(Programmable Read-Only Memory),PROM為能進行一次編程的ROM，PROM的結構和ROM基本相同,只是在每個存儲管上加一根易熔的金屬絲接到相應的位線.,當在該位上需要存0時,通過 編程,燒斷熔絲;當需存1時, 保留熔絲.,編程為一次性的,燒斷的熔絲 不能再接上.,2)EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory),EPROM為可擦除、可重新編程的只讀存儲器.擦除用專用的紫外線燈照射芯片上的受光窗口.,EPROM器件的基本存儲單元采用浮柵雪崩注入MOS管(簡稱FAMOS管)電路.,原始狀態(tài)的浮柵不帶電荷,FAMOS管 不導通,位線上為高電平.當FAMOS管的源極S與襯底接地電位,漏極接高電位(較大)時,漏極的PN結反向擊穿產生雪崩現(xiàn)象,使FAMOS導通.位線為低 電位. 如用紫外線或者X射線照射FAMOS管,可使柵極放電,FAMOS恢復到截止 狀態(tài).,一個EPROM芯片：Intel 2716,VPP是編程寫入電源輸入端。,容量：2K8位,3）E2PROM(電可擦可編程只讀存儲器）,特點：編程和擦除均由電完成； 既可整片擦除，也可使某些存儲單元單獨擦除； 重復編程次數(shù)大大高于EPROM.,3.PROM的應用,1) 實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),用PROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),實際上是利用PROM中的最小項,通過或陣列編程,達到設計目的.,F1(A,B,C)=m(1,5,6,7),F2(A,B,C)=m(0,1,3,6,7),F3(A,B,C)=m(3,4,5,6,7),例:用PROM實現(xiàn)邏輯函數(shù):,2) 存放數(shù)據表和函數(shù)表:例如三角函數(shù)、對數(shù)、乘法等表 格。,3）存放調試好的程序。,* 2）、3）是PROM的主要用途。,12.2.2 隨機存取存儲器(RAM),RAM可以隨時從任一指定地址讀出數(shù)據,也可以隨時把數(shù)據寫入任何指定的存儲單元 .,RAM在計算機中主要用來存放程序及程序執(zhí)行過程中產生的中間數(shù)據、運算結果等.,RAM按工藝分類： 1）雙極型；2）場效應管型。,場效應管型分為： 1）靜態(tài)；2）動態(tài)。,1. RAM的結構,2. RAM的存儲單元,靜態(tài)RAM的基本存儲單元 (以六管NMOS靜態(tài)存儲單元為例),2) 動態(tài)RAM的基本存儲電路,動態(tài)RAM的基本存儲電路由動態(tài)MOS基本存儲單元組成。動態(tài)MOS基本存儲單元通常利用MOS管柵極電容或其它寄生電容的電荷存儲效應來存儲信息。,電路結構（以單管動態(tài)存儲單元為例）,寫信息：字選線為1，T導通， 數(shù)據D經T送入CS .,讀信息：字選線為1，T導通， CS上的數(shù)據經T送入位線的等 效電容CD .,特點： 1）當不讀信息時，電荷在電容CS上的保 存時間約為數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒；,2）當讀出信息時，由于要對CD充電，使 CS上的電荷減少。為破壞性讀出。,3）通常在CS上呈現(xiàn)的代表1和0信號的電平 值相差不大，故信號較弱。,結論：1）需加刷新電路；,2）輸出端需加高鑒別能力的輸出放大器。,3）容量較大的RAM集成電路一 般采用單管電 路。,4）容量較小的RAM集成電路一 般采用三 管或四 管電路。多管電路結構復雜，但外圍電路簡 單。,3) RAM容量的擴展,位擴展,將2114擴展為1K8位 的RAM,字擴展,將2114擴展為2K4位的RAM,12.3 可編程邏輯器件（PLD),PLD是ASIC的一個重要分支。PLD包括PLA、PAL、GAL和EPLD、FPGA等。,PLD具有集成度高，速度快，保密性好，可重復編程等特點。,根據與、或陣列的可編程性，PLD分為三種基本結構。,1）與陣列固定，或陣列可編程型結構,PROM屬于這種結構。,2）與、或陣列均可編程型結構,PLA(Programmable Logic Array)屬于這種結構。,特點：與陣列規(guī)模大，速度較低。,特點：速度快，設計邏輯函數(shù)可采用最簡結構，芯片內部資源利用率高。但編程難度大，缺乏質高價廉的開發(fā)工具。,3）或陣列固定，與陣列可編程型結構,PAL(Programmable Array Logic)屬于這種結構。,該結構稱為PAL結構。,特點：速度快，費用低，易于編程。當前許多PLD器件都 采用這種結構。,12.3.1 可編程陣列邏輯(PAL),PAL的基本結構,實際產品中,構成輸出的乘積項可達8個.,1. PLA的輸出結構,PAL的與陣列結構類同.但輸出結構有多種:,1) 組合輸出型(這種結構適用于實現(xiàn)組合邏輯電路), 專用輸出結構,共有三種形式: 高輸出有效; 低輸出有效; 互補輸出.,本例為低 輸出有效, 可編程I/O結構,2) 寄存器輸出型,寄存器輸出型結構,內含觸發(fā)器,適應于實現(xiàn)時序邏輯電路., 寄存器輸出結構,帶異或門的寄存器輸出結構, 算術運算反饋結構,PAL的結構代碼,用PAL實現(xiàn)22乘法器（輸入A1A0和B1B0分別為兩位二進制數(shù)，輸出為結果F3F2F1F0的反碼。,邏輯方程為：,設計采用PAL16L8,2.PAL應用舉例,3.PAL器件的性能特點, 邏輯功能由用戶定義，用可編程方法代替常規(guī) 設計方法；, 編程容易，開發(fā)簡單，簡化了系統(tǒng)設計和布線 過程；,器件密度大，可代替多片中小規(guī)模標準數(shù)字集成電路，比用常規(guī)器件節(jié)省空間；,器件傳輸延遲小，工作頻率高，有利于提高系統(tǒng)的工作速度；,具有可編程的三態(tài)輸出，管腳配置靈活，輸入輸出管腳數(shù)量可變；,具有加密功能，有利于系統(tǒng)保密；,采用多種工藝制造，可滿足不同系統(tǒng)不同場合的各種需要。,12.3.2 通用陣列邏輯(GAL),GAL器件繼承了PAL、PROM等器件的優(yōu)點，克服了原有PAL器件的不足,是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的理想器件.,1. GAL基本結構,GAL基本結構和PAL大致類似,只是在輸出結構上作了重要改進.,OLMC 結構,AC0、AC1