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1、第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件,7.1 概述,1. 大规模集成电路分类,（1）半导体存储器,它用于存放二进制信息，每一个存储单元由唯一的地址代码加以区分，并能存储一位或多位二进制信息。,（2）可编程逻辑器件,（3）微处理器,可编程逻辑器件是一种可以由用户定义和设置 逻辑功能的器件。 特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高,微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门的接口电路。,2. PLD器件的连接表示方法,（1）PLD 器件的连接表示法,（2）门电路表示法,输出缓冲器,（3
2、） 阵列图,7.2 半导体存储器,7.2.1 半导体存储器概述,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。,优点:集成度高、功耗小、可靠性高、价格低、体积小、外围电路简单、便于自动化批量生产等。,1. 半导体存储器的分类,（1）按存取方式分类,只读存储器 （Read Only Memory，ROM）,随机存取存储器 （Random Access Memory，RAM）,ROM存放固定信息,只能读出信息,不能写入信息.当电源切断时,信息依然保留.,RAM可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何指定的存储单元.,（2）按制造工艺分类,双极型半导体存储器,MOS型半导
3、体存储器,以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算机中用作高速缓冲存储器。,以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统中，如在计算机中用作主存储器。,2. 半导体存储器的主要技术指标,（1）存储容量,指存储器所能存放的二进制信息的总量,（2）存取时间,一般用读（或写）周期来描述，连续两次读（或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期。,7.2.2 只读存储器(ROM),按数据的写入方式分类,固定 ROM,可编程 ROM,1. 固定 ROM,（1） ROM的结
4、构,地址译码器为二进制译码器,即全译码结构.(地址线为n根,译码器输出为2n根字线,说明存储阵列中有2n个存储单元),2) 存储阵列输出有m根位线,说明每个存储单元有m位,即 一个字有m位二进制信息组成.每一位称为一个基本存 储单元.,3) 存储器的容量定义为: 字数位数(2nm).,（2）一个二极管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为地址译码器的输出 Wi=mi (mi为地址码组成 的最小项）, 当A1A0=00时，W0=1, F0F1F2F3=0100(一个字）； 当A1A
5、0=01时，W1=1, F0F1F2F3=1001(一个字）； 当A1A0=10时，W2=1, F0F1F2F3=0110(一个字）； 当A1A0=11时，W3=1, F0F1F2F3=0010(一个字）。, 将地址输入和Fi之间的关系填入真值表得：,ROM实际是一种组合电路结构。, 阵列图,与阵列： 表示译 码器。,或阵列： 表示存 储阵列。,存储容量为： 44,2.可编程ROM,用户可根据需要自行进行编程的存储器.,一次性可编程 ROM （Programmable Read Only Memory，PROM） 光可擦除可编程ROM （Erasable Programmable Read O
6、nly Memory， EPROM） 电可擦除可编程 ROM （Electrical Erasable Programmable Read Only Memory，E2PROM） 快闪存储器（Flash Memory）,3.PROM的应用,1) 实现组合逻辑函数,用PROM实现组合逻辑函数,实际上是利用PROM中的最小项,通过或阵列编程,达到设计目的.,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实现逻辑函数:,2) 存放数据表和函数表:例如三角函数、对数、乘 法等表格。,3）存放调试好的程
7、序。,* 2）、3）是PROM的主要用途。,7.2.3 随机存取存储器(RAM),RAM可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何指定的存储单元 .,RAM在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等.,RAM按工艺分类： 1）双极型；2）场效应管型。,场效应管型分为： 1）静态；2）动态。,1. RAM的结构,3. RAM容量的扩展,（1）RAM的位扩展,将2114扩展为1K8位 的RAM,（2）RAM的字扩展,将2114扩展为2K4位的RAM,7.3 可编程逻辑器件(PLD),7.3.1 PLD概述,数字逻辑器件分类(按照逻辑功能的特点分),通用型,专
8、用型,通用性强，但逻辑功能较简单、且固定不变 ; 构成的系统功耗体积大、可靠性差; 中、小规模数字集成电路都属于通用型。,为某种专门用途而设计的集成电路； 成本较高、周期较长。,矛盾,PLD,PLD的特点,2）逻辑功能可由用户通过对器件编程自行设定，且具有 专用型器件构成数字系统体积小、可靠性高的优点；,1）作为通用型器件生产的，具有批量大、成本低的特点；,4）增强了设计的灵活性，减轻了电路图和电路板设计的 工作量和难度，提高了工作效率；,3）改变了传统数字系统采用通用型器件实现系统功能的 设计方法；,5）PLD已在计算机硬件、工业控制、现代通信、智能仪 表和家用电器等领域得到愈来愈广泛的应用
9、。,1. PLD的分类,（1）低密度PLD（SPLD）,每个芯片集成的逻辑门数大约在1000门以下,可编程只读存储器（PROM） 可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，简称PLA） 可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，简称PAL） 通用阵列逻辑（Generic Array Logic，简称GAL,可擦除的可编程逻辑器件 （Erasable Programmable Logic Array，简称EPLD） 复杂的可编程逻辑器件 （Complex Programmable Logic Array，简称CPLD） 现场可编程门阵列 （Fiel
10、d Programmable Gate Array，简称FPGA）,（2）高密度PLD,每个芯片集成的逻辑门数达数千门，甚至上万门， 具有在系统可编程或现场可编程特性，可用于实现 较大规模的逻辑电路,2. PLD的基本结构,（1）“与或”阵列结构（乘积项结构 ）,根据与、或阵列的可编程性，PLD分为三种基本结构。,1）与阵列固定，或阵列可编程型结构,PROM属于这种结构。,2）与、或阵列均可编程型结构,PLA(Programmable Logic Array)属于这种结构。,特点：与阵列规模大，速度较低。,特点：速度快，设计逻辑函数可采用最简结构，芯片内部资源利用率高。但编程难度大，缺乏质高价
11、廉的开发工具。,3）或阵列固定，与阵列可编程型结构,PAL(Programmable Array Logic)属于这种结构。,特点：速度快，费用低，易于编程。 当前许多PLD器件都采用这种结构。,（2）查找表（Look-Up-Table,LUT）结构,用存储逻辑的存储单元来实现逻辑运算。 FPGA是属于此类器件。,RAM存储器预先加载要实现的逻辑函数真值表，输入 变量作为地址用来从RAM存储器中选择输出逻辑值 。,工作原理,类似于用ROM实现组合逻辑电路。,7.3.2 可编程阵列逻辑(PAL),PAL的基本结构,1. PAL的输出结构,PAL的与阵列结构类同.但输出结构有多种:,1) 组合输出
12、型(这种结构适用于实现组合逻辑电路), 专用输出结构,共有三种形式: 高输出有效; 低输出有效; 互补输出.,本例为低 输出有效, 可编程I/O结构,2) 寄存器输出型,寄存器输出型结构,内含触发器,适应于实现时序逻辑电路., 寄存器输出结构,带异或门的寄存器输出结构, 算术运算反馈结构,PAL的结构代码,请用PAL16L8实现22乘法器（输入A1A0和B1B0分别为两位二进制数，输出为结果F3F2F1F0）。,逻辑方程为：,2. PAL应用举例,3. PAL器件的性能特点, 逻辑功能由用户定义，用可编程方法代替常规 设计方法；, 编程容易，开发简单，简化了系统设计和布线 过程；,器件密度大，
13、可代替多片中小规模标准数字集成电路，比用常规器件节省空间；,器件传输延迟小，工作频率高，有利于提高系统的工作速度；,具有可编程的三态输出，管脚配置灵活，输入输出管脚数量可变；,具有加密功能，有利于系统保密；,采用多种工艺制造，可满足不同系统不同场合的各种需要。,7.3.3 通用阵列逻辑(GAL),GAL器件继承了PAL、PROM等器件的优点，克服了原有PAL器件的不足,是现代数字系统设计的理想器件.,1. GAL基本结构,GAL基本结构和PAL大致类似,只是在输出结构上作了重要改进.,OLMC 结构,AC0、AC1(n)及XOR(n)均为GAL器件片内控制字中的结构控制位。结构控制字共有82位，不同的控制内容，可使OLMC被配置成不同的功能组态。,控制字的内容是在编程时由编程器根据用户定义 的管脚及实现的函数自动写入的。,2.GAL的主要特点, 通用性强, 100%可编程, 速度高,功率低, 100%可测试,
