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1、第六章 半导体存储器和 可编程逻辑器件,内容提要：,6.1 半导体存储器 6.2 随机存取存储器（RAM） 6.3 只读存储器（ROM） 6.4 存储器容量的扩展 6.5 可编程逻辑器件（PLD）,引言 半导体存储器是当今数字系统中不可缺少的组成部分，它用来 存储大量的二值信息，按照集成度划分，它属于大规模集成电路 （LSI）；工程中一般将半导体存储器分为只读存储（ROM）和随机存 取存储器（RAM）两大类。 另一类功能特殊的LSI是可编程逻辑器件（PLD）。前面各章介绍的SSI，MSI标准器件性能好，价格低，但用它们构成一个大型的，复杂的数字系统，常常导致系统功耗高，占用内存大和可靠性差等问
2、题。而PLD较好地解决了上述问题，并在工业控制和产品研发等方面得到了广泛应用，它的特点是用户可以通过编程使之具有不同的逻辑功能。故PLD芯片具有使用灵活，集成度高，工作速度快和系统可靠性高等优点。 本章首先讨论ROM，RAM，和主流PLD产品的结构，工作原理和使用方法，然后介绍复杂的可编程门阵列（FPGA）和在系统可编程（ISP）技术，最后简介ispPLD的开发技术。,6.1 半导体存储器,6.1.1,半导体存储器的特点, 按照制造工艺分为双极型和MOS存储器 按照存储功能分为ROM和RAM 按照数据输入/输出方式分为串行存储器 和并行存储器,6.1.2 半导体存储器的分类, 存储容量：指半导
3、体存储器能够存 储二进制数据数量的多少 存取时间：一般用读（或写）的周 期来表示，存储器连续两次读出 （或写入）操作所需的最短时间间 隔称为读（或写）周期,6.1.3 半导体存储器主要技术指标,6.2 随机存取存储器（RAM）,教学进程,6.21 RAM的结构 1.存储矩阵：一个RAM中有许多个结构相同的存储单元，因这些存储单元排列成矩阵形式，故称作存储矩阵。 2.地址译码器：在RAM中，地址的选择是通过地址译码器来实现的。地址译码器通常有字译码器和矩阵译码器两种。 3.片选和读/写控制电路：每片RAM的存储容量极为有限，而在实际应用中通常需要大容量存储器，故工程中解决大容量存储器的方法是用多
4、片RAM，通过一定的联接方式组成大容量存储系统,RAM又名随机读/写存储器，它在工作是，在控制信号的作用下，随时从任何指定地址对应的存储单元中读出数据或向该单元写入数据。,教学进程,存储矩阵,列地址译码器,行 地 址 译 码 器,读 写 控 制 电 路,I/O,A0 . . . . . Ai,Ai+1. . . . An-1,CS R/W,图6-1 RAM的电路结构,1. 存储矩阵：,0-0,0-1,0-31,1-0,1-1,1-31,31-0,31-1,31-31,行 地 址 译 码 器,A0,A1 A2 A3 A4,列地址译码器,A5 A6 A7 A8 A9,Y0 Y1 Y31,X0 X1
5、 X31,位 位 位 位 线 线 线 线,位 位 线 线,图6-2 1K*1 RAM结构示意图,D D,数据线,2.地址译码器：,3.片选和读/写控制电路：,Xi,+VDD,V3 V4 V1 V2,位 线,V7 V8,D Yj D,位 线,V5 V6,存储单元,Q Q,图6-4 6管CMOS存储单元的电路图,6.2.2 RAM存储单元,1. 静态存储器（SRAM）存储单元,V8 V7,D Yj D,+VDD 预充脉冲,Xi,V4 V3,V6 V5,B B,CB CB,C2 C1,存储单元,图6-5 4管动态存储单元的电路图,2. 动态存储器（DRAM）单元,图6-6 单管NMOS存储单元,位线
6、,字线,Xi,B,存储单元,CS,CB,V,6.3 只读存储器,ROM属于数据非易失性器件，外加电源消失后，数据不会丢失，能长期保存。按数据写入方式的不同，分成掩模式ROM，可编程ROM（PROM）和可擦除可编程ROM（EPROM）。而根据EPROM数据擦除，写入方式的不同，又分为紫外线可擦除可编程ROM（UVEPROM），电可擦除可编程ROM（E2PROM）和快闪式存储器（FLASH MEMORY）等3种。,存储矩阵,地 址 译 码 器,输 出 缓 冲 器,数 据 输 出,地 址 输 入,三态控制,A1 A0 An-1,图6-7 ROM的结构图,教学进程,6.3.1 ROM结构,6.3.2
7、掩模式只读存储器（固定ROM）,掩模式ROM采用掩模式工艺制作，其中存储的数据由制作过程中 使用的掩模板决定。用户按照使用要求确定存储器的存储内容，存储器制造商根据用户的需要设计掩模板，利用掩模板生产出相应的ROM。 1.二极管ROM 由二极管存储矩阵构成的ROM电路结构图，它是2位地址输入，4位数据输出的掩模式ROM，其地址译码器由4个二极管与门构成，2位地址代码能给出4个不同的地址。而存储矩阵实际上是由4个二极管或门组成的编码。 表6-1 ROM的数据表,教学进程,1,1,1 EN,A1 A0 EN,W0 W1 W2 W3,1 EN,1 EN,1 EN,D3 D2 D1 D0,地 址 译
8、码 器,存 储 矩 阵,A1 A0,图6-8 二极管ROM的电路结构图,+VCC,1,EN,D3,1,EN,D2,1,EN,D1,1,EN,D0,W0,W1,W2,W3,+VDD,EN,输出缓冲器,图6-9 MOS存储矩阵的电路结构图,6.3.3可编程只读存储器（PROM）,PROM是一种仅可进行一次编程的只读存储器，用户通过对其内部存储单元编程一次，可获得所需存储内存单元的ROM。它在出厂时，存储矩阵中的所有存储单元都已制作了存储器件。编程时，经过一定程序的操作，可将原单元的1改为0。 1.熔丝型PROM存储单元的工作原理,熔丝,+Vcc,字 线,位 线,V,图6-10 熔丝型PROM存储器
9、单元的原理电路,图6-10电路由一个BJT和串联于其发射极的快速熔丝组成。图中BJT发射结相当于接在字线和位线之间的二极管，熔丝用低熔点合金丝或多晶硅导线制成。,教学进程,VZ,AW,AR,VZ,AR,VZ,AR,VZ,AR,AR,VZ,AR,AR,AR,VZ,地 址 译 码 器,VZ,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VCC +VCC,存 储 矩 阵,读/写 放 大 器,A3 A2 A1 A0,W0 W15,图6-11 16*8位的PROM结构原理图,6.3.4 可擦除可编程只读存储器（EPROM）,与PROM不同，可擦除可编程ROM（EPROM）中的存储数据是可以擦除，可以
10、重写的。在需要经常修改ROM中存储内容的场合，EPROM便成为一种比较理想的只读存储器。 紫外线可擦除可编程ROM（UVEPROM）的擦除要用紫外线灯或者用X射线照射，而且照射需要一定的时间，才能将上面的数据抹掉，这给客户使用带来了不便。后来随着计算机和通信技术的发展，快闪式存储器又应运而生。 存储单元的结构和工作原理： 1.紫外线可擦除可编程ROM（UVEPROM） （1）FAMOS管 FAMOS管本身是一个P沟道增强型MOS管，因其栅极“浮置”于SiO2层内，与其他部分均不相连。如果在他的漏极和源极之间加上比正常工作电压高得多的负电压，则可使漏极与衬底之间PN结发生雪崩击穿。 。,教学进程
11、,（2）FAMOS管存储单元 FAMOS管存储单元 有以下缺点：首先，每个存储单元需要两个MOS管，故单元面积较大；其次产生雪崩击穿所需的电压较高；再则，PMOS管开关速度较低，影响了存储器的存储速度,（3）SIMOS管存储单元 有两个重叠的栅极控制栅Gc和浮栅Gf。控制栅Gc用于控制读出和写入，浮栅用于长期保存注入其中的电荷。工作原理：当漏-源极之间加上较高的电压时，将产生雪崩击穿现象，产生很多的高能热电子。这时如果在控制栅上加上较高的电压脉冲一些速度较快的电子便本俘获形成注入负电荷。,2.E2PROM 虽然紫外线擦除的EPROM具备可擦除可重写的功能，但擦除操作比较麻烦，擦除速度也较慢。为了克服这一缺点，工程实际中研制成用电信号擦除的可编程ROM，这就是前面所说的E PROM。在E PROM
