《数电第6章半导体存储器与可编程逻辑器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数电第6章半导体存储器与可编程逻辑器件（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第6章 半导体存储器与可编程逻辑器件,习题与思考题,6.1 概述,6.2 随机存储器RAM,6.3 只读存储器ROM,6.4 可编程逻辑器件PLD,6.5 高密度可编程逻辑器件,6.6* 硬件描述语言简介,2,半导体存储器是固态存储器SSD (Solid State Drives) ，具有存储密度高、体积小、容量大、读写速度快、功耗低和抗震等优点!,硬磁盘,固态硬盘SSD,光盘,6.1 概述,3,硬磁盘与固态硬盘比较,4,随机存储器RAM (Random Access Memory),静态存储器SRAM (Static RAM)主要用于高速缓存等,动态存储器DRAM (Dynamic RA
2、M),按功能特点,SDRAM, DDR-SDRAM等,非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM）,挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器,半导体存储器分类,主要指标：存储容量、存取速度。存储容量：用字数位数表示,固定ROM (掩模ROM),可编程ROM (PROM-Programmable ROM),可擦除可编程ROM (EPROM-Erasable PROM)特指UVEPROM,EEPROM (Electrically EPROM)/E2PROM,只读存储器ROM (Read- Only Memory),Flash Memory (快闪存储器，
3、如U盘),5,6.2 随机存储器RAM,6.2.1 RAM存储单元,(1) 片选空控制信号CS: 控制I/O端是否处在高阻状态。(Chip Select),(2) 读写控制信号R/W: 控制电路处于读出,还是写入状态。(Read/Write),触发器的存储核心电路 这也是“静态”名称由来,1SRAM存储单元6管CMOS,6,2DRAM存储单元-单管存储单元,动态存储单元电路结构简单，可以提高存储密度，降低成本。,复用地址线,栅极电容,DRAM利用电容存储电荷实现信息存储，但电容漏电属性限制了其本身只能维持毫秒量级的存储时间，所以需要刷新控制电路配合使用，才能长期保存数据，这也是“动态”名称的由
4、来。,7,6.2.2 RAM的结构,m条地址线对应2m个字(字线)，每个字包含的n位数据(位线,字长)，则总存储容量为2m*n位。,8,行地址选择多字，列地址在从多字中选择出1个字进行读写(本质上行列地址是不分先后的),9,内存有三种不同的频率指标，它们分别是核心频率、I/O频率和有效数据传输频率。核心频率即为内存Cell阵列的刷新频率，它是内存的真实运行频率； I/O频率即I/O Buffer（输入/输出缓冲）的传输频率；而有效数据传输频率就是指数据传送的频率（即等效频率）。带宽(单位字节)=等效频率位宽/8。,10,数据预取技术原理,11,256Mbit DDR SDRAM原理图,12,因
5、为单个存储器芯片容量有限，所以在实际应用场合，往往需要多颗RAM芯片组成更大容量的存储模块，这就是容量扩展问题,容量=字线数量*位线数量,字扩展方法和位线扩展方法,13,6.2.3 RAM的扩展,1位扩展,用256字1位RAM芯片构成256字4位RAM存储器,方法:所有输入信号都并联(地址信号、片选信号和读写信号),输出各自独立。,14,2字扩展,用256字4位RAM芯片组成1024字4位存储器。,需要增加地址线！,0 0,0 1 1,0 1 1 1,读写 高阻 高阻,15,有时为满足存储容量和数据宽度要求，既需要进行位扩展，又要进行字扩展。,字扩展后的各个芯片地址空间分配情况,16,6.3
6、只读存储器ROM,6.3.1 固定ROM,ROM是组合逻辑电路!,D3=W1+W3=A1A0+A1A0,1. ROM的地址译码输出为二进制译码，既输出为地址变量的最小项 2. 存储矩阵根据其存储内容，数据输出为各最小项的或运算,17,查找表Look Up Table/真值表,存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入“0”,ROM也可看作是译码编码的过程,18,MOS管构成的存储矩阵,存储矩阵是“或非”逻辑矩阵,19,6.3.2 可编程只读存储器PROM,1只能编程一次的PROM,编程时将VCC和字线电压提高,熔丝熔断是不可逆的过程，所以只能编程一次！,写入
7、数据时，要使用编程器,20,2可擦除可编程只读存储器EPROM,1）EPROM存储元件 2）存储原理,叠栅注入MOS SIMOS: Stacked-gate Injection MOS,浮置栅极存储电荷 改变了阈值特性,21,浮栅没有电子，有导电沟道，相当于存储1,浮栅有电子，没有导电沟道，相当于存储0,EPROM关键技术-浮栅电荷的存储和去除，分别称为编程和擦除,由于浮栅周围是绝缘的SiO2，放电回路电阻相当大，所以EPROM存储数据可以长期保存,22,3）热电子注入（Hot-electron injection）编程和紫外线擦除原理,编程-热电子注入编程,1. 源漏极加高压，发生雪崩击穿，
8、实现电子流加速 2. 在控制栅极上加高压脉冲，吸引高速运动电子穿过SiO2到达浮栅，并被捕获。,23,UVEPROM芯片和擦除器,紫外线或X射线，距管子2厘米处照射1520分钟；阳光下1周，荧光灯下3年。,紫外线擦除,透明窗口,紫外线灯,如果UVEPROM没有透明窗口会怎样？,24,均匀隧道编程与擦除,4）FN隧道穿越（Fowler-Nordheim tunneling）编程和擦除原理,均匀隧道编程与擦除是有条件的，即隧道区厚度要足够小，如小于12nm,25,非均匀隧道编程与擦除,26,EEPROM的编程和擦除都是基于非均匀隧道穿越原理,3电擦除可编程只读存储器EEPROM,T2为了提高擦、写
9、的可靠性 T1为实现数据存储的存储管,27,6.3.3 现代常用ROM,1Flash ROM,存储单元相对于EEPROM，只需要一个MOS管，结构简单，集成度高，成本低。因为MOS管的源极是连在一起的，所以擦除时按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits) 整体擦除，所以叫Flash Memory，用来形容擦除速度快。,28,NOR Flash ROM存储矩阵及其等效电路,NOR Flash同一位线上的单元是并联的关系，逻辑上为或非逻辑NOR指的就是或非逻辑,29,NAND Flash ROM存储矩阵及其等效电路,NAND Flash同一位线上的单元是串联的关系，逻辑上为与非逻辑NA
10、ND指的就是与非逻辑,30,典型的NAND Flash ROM的结构,31,NOR与NAND比较,32,2单比特单元与多比特单元,目前，多比特单元已经成为主流！尤其是超大容量的Flash ROM,33,Kingston 1G SD card,左侧为三星K9G808U0M MLC Flash ROM 2bits/cell 右侧为SD控制芯片,34,虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程次数都是有限的，典型次数为100万次(NAND Flash)。所以ROM还不
11、能代替RAM！,U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flash memory（主要是NAND Flash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为芯片内部往往有电荷泵（charge pump ）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高电压的要求。,35,6.4 可编程逻辑器件PLD,PLD编程原理,A B C D,存储矩阵,地址译码器,36,PLD电路中常用的表示方法,“”表示固定连接关系，“”表示可编程连接关系，交叉点什么的都没有的表示不连接。,37,6.4.2 PLD分类,1基于乘积项的PLD,Y=m1+m3+m4+m7,与逻辑 最小项,或逻辑,往往基于EEPROM工艺，所以断电不挥
12、发！,38,2基于查找表的PLD,Y=m1+m3+m4+m7,地址变量,位线输出,往往基于SRAM工艺，所以断电挥发，需要ROM配合使用！,39,6.5 高密度可编程逻辑器件,典型高密度PLD芯片,*注：表中涉及数量都是该系列中的最大值。,40,6.5.1 复杂可编程逻辑器件CPLD,CPLD结构原理图,41,CPLD宏单元原理图,基于乘积项的PLD,42,6.5.2 现场可编程门阵列FPGA,FPGA结构原理图,43,FPGA逻辑单元LE原理图,基于查找表的PLD,44,FPGA的I/O单元原理图,45,FLEX10可编程逻辑器件的多电平兼容情况,46,6.5.3 基于芯片的设计方法,PLD
13、设计流程图,47,6.6* 硬件描述语言简介,VHDL程序基本结构原理图,一个VHDL程序（实体）可以包含多个实体,48,ARCHITECTURE a OF black_box IS BEGIN 并行处理语句 END a;,ENTITY black_box IS PORT (clk, rst: IN Bit;d: IN Bit_vector(7 DOWNTO 0);q: OUT Bit_vector(7 DOWNTO 0);co: OUT Bit); END black_box;,实体定义与逻辑符号,结构体定义,实体定义了外部特性-输入和输出端口,结构体定义了功能是如何实现的,49,1组合逻辑电路设计,x = a AND b; y = x NAND c;y = x NAND c; x 255 THEN c255 THEN sum = num-256; ELSE sum=num; -限制和的数值范围END IF; END PROCESS; END a2;,
