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1、1,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,2,目 录,8.1 概述 8.2 半导体存储器 8.2.1 存储器的主要技术指标 8.2.2 随机存取存储器 8.2.3 只读存储器 8.2.4 存储器扩展 8.2.5 综合应用,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,3,目 录,8.3 可编程逻辑器件 8.3.1 低密度PLD 8.3.2 高密度PLD 8.3.3 PLD设计流程,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,4,8.1 概述,随着集成电路设计和制造工艺的不断改进和完善，集成电路产品不仅在提高开关速度、降低功耗等方面有了很大的发展，电路的集成度也得到了迅速
2、的提高，大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI已得到了广泛的应用。 在分析和设计逻辑系统时，应把LSI和VLSI作为一个功能模块来进行使用。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,5,LSI分为通用型和专用型两大类。 通用型LSI是指已被定型的标准化、系列化产品。各种型号的存储器、微处理器等均属此类。 专用型LSI是指为某种特殊用途而专门设计制作的功能块，只能使用在一些专用场所或设备中。 本章仅简要介绍存储器和可编程逻辑器件。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,6,8.2 半导体存储器,半导体存储器（简称存储器）是一种能存储大量二值信息或数据的半导体器件。 它可以存储用户程序以及实
3、时数据等多种信息。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,7,存储器分类,按读写功能分为：只读存储器（Read-Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM）。 按在计算机系统中的作用分为：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,8,按信息的可保存性分为： 易失性存储器和非易失性存储器。 易失性存储器在系统关闭时会失去存储的信息，它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的RAM都属于此类。 非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息，如ROM半导体存储器、磁介质或光介质存储器。,第8
4、章 半导体存储器和可编程逻辑器件,9,半导体存储器按读写功能分类时的详细情况如下图所示：,半导体存储器,ROM,固定ROM（又称掩膜ROM）,可编程ROM,可编程ROM（PROM）,可擦除PROM（EPROM）,电子可擦除EPROM（E2PROM）,快闪存储器,RAM,静态RAM（SRAM）,动态RAM（DRAM）,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,10,对存储器的操作（也称为访问）通常分为两类：读操作和写操作。 读操作是从存储器中取出其存储信息的过程；写操作是把信息存入到存储器的过程。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,11,8.2.1 存储器的主要技术指标,存储器的技术指标包括存储
5、容量、存取速度、可靠性、功耗、工作温度范围和体积等。 其中存储容量和存取速度为其主要指标。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,12,1. 存储容量,1. 存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量，单位为位或比特（bit）。 存储器中的一个基本存储单元能存储1bit的信息，也就是可以存入一个0或一个1，所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,13,一个内有8192个基本存储单元的存储器，其存储容量为8Kbit（1K=210=1024）； 这个存储器如果每次可以读（写）8位二值码，说明它可以存储1K个字，每字为8位，这时的存储容量也可以用1K8位来表
6、示。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,14,2. 存取速度,存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始，到取出或存入数据为止所需的时间，其上限值称为最大存取时间。 存取时间的大小反映了存储速度的快慢。存取时间越短，则存取速度越快。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,15,8.2.2 随机存取存储器,随机存取存储器RAM，又称为读写存储器。 在工作过程中，既可从RAM的任意单元读出信息，又可以把外部信息写入任意单元。 因此，它具有读、写方便的优点，但由于具有易失性，所以不利于数据的长期保存。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,16,根据存储单元工作原理的不同，RAM可分为
7、静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类。 SRAM的数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能保存，但其集成度受到限制。DRAM一般采用MOS管的栅极电容来存储信息，必须由刷新电路定期刷新，但集成度高。 SRAM速度非常快，但其价格较贵。DRAM的速度比SRAM慢，不过它比ROM快。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,17,1. RAM的结构,RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路3部分组成，其结构框图如图所示。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,18,存储矩阵由若干个存储单元组成。 在译码器和读/写控制电路的控制下，既可以对存储单元写入信息，又可以将存储单元的
8、信息读出，完成读/写操作。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,19,地址译码器包括行地址译码器和列地址译码器。行地址译码器从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器从存储矩阵中选中列存储单元，从而使得行与列均被选中线的交叉处的存储单元与输入/输出线接通。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,20,读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。 当读/写控制信号为高电平时，执行读操作； 当读/写控制信号为低电平时，执行写操作。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,21,下图所示为2114RAM的结构框图。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,22,2114RAM的工作模式,第8章 半导体
9、存储器和可编程逻辑器件,23,2.静态存储单元,RAM的存储单元分为静态存储单元和动态存储单元两种。 静态存储单元是在静态触发器的基础上附加控制电路而构成的。 由于使用的器件不同，静态存储单元又分为MOS型和双极型两类。 由于CMOS集成电路最显著的特点是静态功耗小，因此其存储单元在RAM中得到了广泛应用。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,24,6管CMOS静态存储单元,V1、V2和V3、V4组成的基本RS触发器，用以存储二值信息。 V5、V6、V7和V8为门控管。 当X、Y都为1时，门控管导通，此单元被选中，并与数据线接通，可以执行读/写操作。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,2
10、5,3. 动态存储单元,静态存储单元存在的问题： 1）是靠触发器来存储数据的，功耗较大。 2）由于每个单元要用多个管子，芯片的面积较大。 为提高集成度、减小芯片尺寸、降低功耗，常利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器，以构成动态MOS存储单元。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,26,4管动态存储单元（1）电路组成,数据信息以电荷的形式存储在栅极电容C1和C2上，它们的电压控制V1和V2的导通和截止，以决定存储单元存储1或存储0。 V5、V6是位线上分布电容预充电的门控开关。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,27,（2）工作原理 1）读操作,读操作开始时，在V5、V6管的
11、栅极上加预充电脉冲， 则 充电到高电平。,当X、Y同时为高电平时，则V3、V4、V7和V8同时导通。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,28,假设存储单元为0状态，即V1导通，V2截止，D1输出为0，D2输出为1，这时CB放电，使位线B变为低电平。同时，另一位线保持高电平不变。这样，就把存储单元的状态数据线D上。 位线的预充电非常重要。,0,0,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,29,2）写操作,写操作时，当X、Y同时为高电平，数据线上的数据通过V7和V8管传到位线上，再经过V3、V4管将数据存入C1和C2中。,1,1,1,0,0,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,30,8.2.3
12、 只读存储器,只读存储器ROM是存储固定信息的存储器件，在正常工作时ROM存储的数据固定不变，只能读出，不能随时写入，故称为只读存储器。 ROM为非易失性器件，当器件断电时，所存储的数据不会丢失。 只读存储器按数据的写入方式分为固定ROM、可编程ROM（PROM）和可擦除可编程ROM（EPROM）。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,31,固定ROM所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩模板确定，用户无法进行更改，所以也称掩模编程ROM。 可编程ROM在出厂时，存储内容全为1或全为0，用户根据自己的需要进行编程，但只能写入一次，一旦写入则不能再修改。 EPROM具有较强的灵活性，它存储的内容
13、既可按用户需要写入，也可以擦除后重新写入。包括用紫外线擦除的PROM、电信号擦除PROM和快闪存储器。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,32,1. ROM的结构,ROM具有与RAM相似的电路结构，一般而言，它由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器3部分组成。 ROM存储单元可以由二极管、双极型晶体管或者MOS管构成。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,33,（1）二极管ROM的电路组成,具有2位地址输入和4位字长数据输出的二极管ROM电路如图所示。 D0D3：位线（数据线） A1、A0：地址线 W0W3：字线 输出端采用三态缓冲器,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,34,（2）二极管
14、ROM读操作,存储数据表,0,0,W0=1,D0=1,D3=0,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,35,在存储矩阵中字线与位线的每一个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接有二极管相当于存储1，没有接二极管则相当于存储0，经输出缓冲器后状态被反相。 在存储矩阵中，交叉点的数目也就是存储单元数，即为存储容量。图8-6中存储器的存储容量为224。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,36,2.可编程ROM,PROM出厂时，制作的是一个完整的二极管或晶体管存储矩阵，图中所有的存储单元相当于全部存入1。 在编程时，如果需要某存储单元存入0，可通过编程器熔化该存储单元的熔丝。 PROM为一次性编程器
15、件，一旦编程后不可再进行修改。,PROM的原理框图,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,37,3. EPROM,当需要对ROM进行多次编程时，可采用的器件为可擦除可编程ROM，即EPROM。 EPROM一般指用紫外线擦除的可编程ROM（UVEPROM） EPROM芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板。 不装透明石英盖板EPROM ，只能写入一次，也称一次性编程存储器OTP ROM。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,38,4. E2PROM,UVEPROM其擦除操作复杂、需离线进行，并且擦除速度慢。 E2PROM可以用电信号擦除，而可在线重新写入，并且也具有非易失性 。 E2PROM其擦
16、除和写入的时间仍很长，芯片正常工作时仍只能用作ROM。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,39,5.快闪存储器,闪存是目前最常见的EPROM，它已广泛用于计算机主板、显卡及网卡等扩展卡的BIOS存储器上。 而现在各种邮票尺寸的存储卡，包括CF，SM，MMC，MS，还有各种钥匙链大小的USB移动硬盘/USB Drive/优盘，内部用的都是闪存。 闪存采用快闪叠栅MOS管作为存储单元。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,40,6. ROM的应用举例,由于ROM是一种组合逻辑电路，因此可以用它来实现各种组合逻辑函数，特别是多输入、多输出的逻辑函数。 设计方法 列出其真值表或将表达式转换成最小项的和的形式 将ROM地址线作为输入，数据线作为输出，根据表达式接入存储器件。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,41,例8-1 用ROM实现以下多输出函数，并画出其存储矩阵连接图。,第8章 半导体存储器和可编程逻辑器件,42,（
