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1、集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程2 25 51 1随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM） 2 25 52 2只读存储器只读存储器ROM ROM 2 25 55 5现场可可编程程门阵列列FPGAFPGA 2 25 53 3高密度可编程逻辑器件简介高密度可编程逻辑器件简介 2 25 54 4在系在系统可可编程程逻辑器件器件 2 25 56 6应用用PLDPLD器件器件实现数字系数字系统 第五章 大规模数字集成电路集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程常用大规模数字集成电路常用大规模数字集成电路 半导体存储器 微处理器 大规模可编程逻辑器件 大规模专用数字集成电路 （ASIC）集成
2、电子技术基础教程集成电子技术基础教程2 25 51 1随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）存储大量二进制信息的器件 v软磁盘 v硬磁盘 v磁带机 v光盘 v半导体存储器 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程半导体存储器特点v容量扩充方便 v存取速度快v集成度高v体积小v功耗低半导体存储器通常与微处理器直接相连，用于存放微处理器的指令、数据。微处理器在工作过程中，不断对半导体存储器中的数据进行存或取操作 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程随机存取存储器(Random Access Memory) v加电写入的新信息取代原信息v电路失电，信息全无 v恢复供电，恢复信息是随机的集
3、成电子技术基础教程集成电子技术基础教程随机存取存储器的基本结构 列地址译码器行地址译码器 Bn-1 Bn-2 B0An-1An-2A0I/O及读写控制 片选 I/O控制数据输入/输出存储单元（1位）i行j列i行j列存储单元（多位，4位）存储体存储单元集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程存储体或RAM的容量 v存储单元的个数*每个存储单元中数据的位数 v例如，一个10位地址的RAM，共有210个存储单元，若每个存储单元存放一位二进制信息，则该RAM的容量就是210（字）1（位）=1024字位，通常称1K字位。 I/O缓冲 vI/O缓冲起数据锁存作用，一般采用三态输出结构。因此，它可与外面的数
4、据总线相连接，方便实现信息交换和传递 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程RAM的读写过程 （时序）v访问某地址单元的地址码有效 v片选有效 v读/写操作有效集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程RAM中的存储单元 v 静态存储单元 静态 RAM（SRAM）v动态存储单元 动态 RAM（DRAM）按照数据存取的方式不同，RAM存储单元分为两种：集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程 静态存储单元（SRAM） 的典型结构集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v除上述NMOS结构的静态存储单元外，还有CMOS结构的静态和双极型结构的存储单元。vCMOS结构SRAM的特点是存储容量大，功耗
5、相对较低v双极型结构SRAM的特点为存取速度快 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程动态RAM存储单元的典型结构 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程静态RAM和动态RAM的比较v静态RAM功耗大，密度低v动态RAM功耗小，密度高v动态RAM需要定时刷新，使用较复杂集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM 2114集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM容量的扩展 -位数扩展 例，用RAM2114实现容量为10248字位容量(8K字位)的RAM 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM容量的扩展 -字位扩展 例，用RAM2114实现容量为40968字位容量( 3
6、2 k字位)的RAM 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程252只读存储器只读存储器ROM只读存储器的一般结构 v半导体存储器ROM中的信息不能轻易地更改。v一经写入，只能读出。即使掉电，原存储内容仍然不变。v一旦恢复供电，信息能完全复原 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程例，例，44字位容量的只读存储器字位容量的只读存储器 A1A0WD3D2D1D000W0011101W1101110W2110011W300113集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程44字位ROM器件的简化逻辑图表示 vROM的结构和可编程“与阵列”和可编程“或阵列”的结构相类似。v与阵列由译码器构成，N位地址
7、ROM的与阵列共有2N个与项（在这里称为“字”），每个与项对应地址输入的一个最小项，且不可编程。v存储矩阵部分构成了可编程或阵列，每个或门的输出在此称为“位”。ROM的或阵列在器件制造时就进行了固定的编程 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程只读存储器ROM的种类 根据不同的半导体制造工艺，或阵列的编程方式有多种。存储器ROM 通常按其编程工艺 划分v掩膜型只读存储器 v一次编程(改写)的只读存储器PROM vEPROM（紫外线擦除式可编程只读存储器UVEPROM）vE2PROM（电擦除式可编程只读存储器EEPROM） v快闪存储器（FLASH Memory） 集成电子技术基础教程集成电子
8、技术基础教程掩膜型只读存储器 v用户提供的存储内容v制造集成电路的厂家，在存储矩阵中的相应字位线交叉处用掩膜技术制作有半导体器件或无器件v器件出厂后，该只读存储器ROM内容就固定不变，无法更改，只能供读出 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程一次编程(改写)的只读存储器PROM 特点：用户只能编程一次集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程EPROM（紫外线擦除式可编程只读存储器UVEPROM）v可多次编程，编程次数达100百次v每次编程前，需先用UV擦除，时间约20分钟v编程后需防空气中UV，数据可保存20年以上集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程E2PROM（电擦除式可编程只读存储
9、器EEPROM）vEEPROM的擦除只需电信号（高压编程电压和高压脉冲），且擦除速度快。vEEPROM可以单字节擦除或改写，而EPROM只能整片擦除。v有些EEPROM可5V编程vEEPROM既具有ROM器件的非易失性优点，又具备类似RAM器件的可读写功能（只不过写入速度相对较慢）集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程q快闪存储器（FLASH Memory） v每个存储单元只需单个MOS管，因此其结构比EEPROM更加简单，存储容量可以做得更大v不能象EEPROM那样实现单字节擦除或改写，一般只能分页擦除或改写v根据器件容量大小，一页大小为128、256、512、64K字节不等集成电子技术基
10、础教程集成电子技术基础教程EPROM2716 工作状态/CE/OEVPPVDDD7D000+5V+5V输出 未选中1+5V+5V高阻 等待1+5V+5V高阻 编程写50MS脉冲1+25V+5V写入 编程禁止00+25V+5V读出 编程禁止01+25V+5V高阻EPROM2716，有11根地址线A0A10，8位数据输出D0D7。因此，其存储容量为2118=20188字位，简称2K8字位容量 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程用EPROM2716将四位二进制码转换为格雷码 把四位二进制码作2716的低四位地址输入，同时将四位格雷码作为对应地址的内容写入到2716中，这样便可实现二者之间的转换
11、关系 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程例2，设计一个能显示“日”字的字符发生器，“日”字的88点阵式显示板 三位二进制计数器0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0要显示的信息要显示的信息“日日”应存放在存储器中，显示时不断地重复取出信息；应存放在存储器中，显示时不断地重复取出信息；如果采用点阵式的发光二极管显示方式时，应以一定的频率自上而下如果采用点阵式的发光二极管显示方式时，应以一定的频率自上而下的逐行扫描，使显示的的逐行扫描，使显示的“日日”字不闪烁。字不闪烁。D7D0A10A0D7D
12、0A10A0内容内容地址地址内容内容地址地址00H00H01H7EH02H42H03H42H04H7EH05H42H06H42H07H7EH集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程253高密度可编程逻辑器件简介高密度可编程逻辑器件简介 专用集成电路ASIC v标准单元（Standard Cell）型v宏单元（Macro Cell）型v门阵列（Gate Array）型v可编程逻辑器件PLD集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程逻辑器件的主要特点 v实现 “硬件软化”-逻辑功能可以编程实现 v可以实现“系统芯片化” v工作速度很高 v开发周期短 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程高密
13、度可编程逻辑器件的结构 I/O单元BLB块I/O单元I/O单元I/O单元BLB块互连资源互连资源集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程 I/O单元 v引脚数：44560v专用输入引脚-电源，编程引脚，时钟和专用信号 v输入/输出寄存器v三态门，多路选择器，v输出摆率控制电路，边界扫描电路 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程基本逻辑单元块BLB v器件内部实现逻辑功能最小单位 vLATTICE公司通用逻辑阵列块GLB vALTERA公司逻辑元素LE vXILINX公司可配置逻辑块CLB 基本逻辑单元块的规模大小（或粒度的粗细）对整个高密度PLD器件的结构有很大的影响。规模大，设计方便，但
14、器件资源利用率不易控制，利用率通常较低 规模小，设计灵活性大，资源利用率高，但设计更加复杂 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程互连资源PI PI的功能主要是将各基本逻辑单元块描述的局部逻辑功能相互连在一起，构成一个完整的数字系统，并将输入/输出连接至具体的I/O单元。从表面上看，PI只是起一个连线作用，实际上既要保证将各种设计的不同基本逻辑单元块连接在一起，同时又要减少连线的延迟，PI的设计十分复杂。PI资源的设计好坏直接影响PLD器件的设计效率和PLD器件的工作稳定性 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程高密度可编程逻辑器件的分类 熔 丝 型 /反 熔 丝 工 艺 ，UVEP
15、ROM工艺E2PROM或Fresh Memory工艺SRAM编程工艺ISP方式，ICR方式硬件编程器编程方式CPLD器件EPLD，HDPLD，ispPLD，CPLD，FPGA编程工艺分器件结构分编程方式分常见名称高密度PLD器件FPGA器件集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程CPLD和FPGA器件结构比较BLBBLBBLBBLBBLBBLBBLBBLB连线资源BLBBLBBLBBLBBLB集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程254在系统可编程逻辑器件在系统可编程逻辑器件 ISP技术 vLattice公司最先提出 v器件内部包含编程电路 v编程软件 通过编程引脚对器件进行在线编程v器件可
16、先安装后编程集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程ispLSI1016在系统可编程逻辑器件的结构 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程ispLSI1016内部的信号流 vI/O引脚来的输入信号经过输入总线后进入全布线区，然后由GRP统一调度，将信号分配给具体的通用逻辑块GLB；v输入引脚来的输入信号不GRP，直接进入各自所属宏块的GLB之中。v系统的逻辑功能主要在各个GLB内实现。v各GLB的输出可以反馈回全局布线区，也可经过输出布线区后分配给具体的I/O引脚。v系统所需的时钟信号由时钟分配网络产生v编程引脚共5个集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程GLB结构分析 集成电子技术基础教
17、程集成电子技术基础教程乘积项共亨阵列 乘积项标准组态输出四乘积项高速直通组态单乘积项输出组态异或因子输出组态复用乘积项O3O2O1O0O3O2O1O0O3O2O1O0O3O3O2O2O1O1O0O0123456789101112CLK/Reset13141516171819OE/Reset集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程GLB混合组态下的电路结构 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程I/O单元分析 MUXMUXMUXMUXMUXMUX I/O PIND Q R/L ResetResetVCC输出使能来自使能选择器ORP输出GLB直通输出进入GRPIOCLK0能选择器IOCLK1能选
18、择器来自全局清零端集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程I/O单元的各种配置 PinPin I/O D QLEPinPinD Q PinPinD Q I/O (a)输入缓冲单元(b)输出缓冲单元(c)双向I/O单元(d)锁存输入单元I/O时钟I/O时钟(f)寄存器输入单元(e)输出反向缓冲单元(h)带寄存器输入的双向I/O单元I/O时钟(g)带三态使能的输出缓冲单元集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程连线资源 v集总布线区GRP v输入布线区 v输出布线区ORP 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程ORP的电路结构 ORP至GRP集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程时钟分配
19、网络 IOCLK1Y0Y1IOY2GLB B0 O0 O1 O2 O3CLK0CLK1CLK2IOCLK0注：Y1脚可设置为系统复位或时钟输入脚集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程在系统可编程逻辑器件的编程 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程255现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGAFPGA 采用SRAM编程工艺 v基本结构与门阵列相似 vLCA（Logic Cell Array） 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM工艺-配置用SRAM存储单元 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM工艺-SRAM单元控制多路选择器 M1M0ZM1M0Z00A10C01B1
20、1D集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程SRAM工艺-逻辑函数发生器 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LCA的总体结构 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程XC4000E可配置逻辑块CLB 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程快速进位电路 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程CLB配置片内RAM 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程IOB单元 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程互连资源PI v可编程连接点v可编程开关矩阵PSM（Programmable Switch Matrix）v各种金属导线集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程连接点 集成电
21、子技术基础教程集成电子技术基础教程可编程开关矩阵PSM 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程金属导线 单长线双长线长线全局连线进位链线总数垂直8464224水平8460018集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程XC4000E系列器件的可配置连线资源 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程FPGA器件的配置 配置模式M2M1M0配置时钟状态备注主动串行模式000输出串行位主动并行模式（上行）100输出并行字节，地址从最低开始主动并行模式（下行）110输出并行字节，地址从最高开始从动串行模式111输入串行位外设同步模式011输入并行字节外设异步模式101输出并行字节集成电子技术基础教程集
22、成电子技术基础教程主动模式 图2544主动串行配置模式 图2545主动并行配置模式集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程串行从模式和外设模式 微处理器侧 PC机侧 图2546串行从动配置模式 平共处 图2547外设同步配置模式集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程256应用应用PLDPLD器件实现数字系统器件实现数字系统 数字系统的模型 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程设计数字系统的一般流程 v明确设计要求，确定系统的输入/输出 v确定设计算法 v确定核心器件 v数字系统的模块分割 v数字系统的设计 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程控制算法 的描述方法v逻辑流程图描述法v助
23、记状态图MDS描述法v算法状态机ASM（Arithmatic State Machine ）描述法v寄存器传输语言RTL（Registry Transfer Language）v硬件语言HDL描述法 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程算法状态机ASM描述 （a）状态框 （b）判别框 （c）条件输出框集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程ASM块 v一个状态框和它下面的一些判别框、条件输出框构成v一个ASM块内的所有操作都必须在一个状态（一个时钟周期）内完成 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程交通灯控制电路的设计 v设计要求 每车道信号灯有红、黄、绿三只。红灯表示禁止通行；绿灯允许
24、通行；黄灯为通、停状态转换指示；当两车道均有车辆或均无车辆等待通过时，两车道轮流通行。其中，主车道通行时间为60秒，副车道通行时间为30秒；当只有一个车道有车等待通过时，此车道绿灯常亮，另一车道则红灯常亮；每车道信号灯由绿灯变成红灯时，黄灯应先亮4秒，以保证原通行方向的车辆有足够的时间驶过交叉路口（在此期间另一车道仍为红灯）；各车道的状态不仅要有红、黄、绿灯指示，还需有倒计时的通行时间显示。 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程交通灯控制电路的模型框图 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v定时器的设计 选用周期为1秒的时钟源时，为了能对60秒、30秒和4秒分别进行倒计时，只需设计一个
25、可变模数减法计数器 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v10进制减法计数器SUB10的ABEL源文件 MODULE sub10模块定义clk,ch,set,d3,d2,d1,d0 PIN ISTYPE COM; I/O定义q3.q0 PIN ISTYPE REG;qq=q3.q0;定义集合dd=d3.d0;EQUATIONS逻辑功能的方程描述qq.clk=clk;WHEN (set=1) THEN qq:=dd;WHEN (set=0)&(ch=0) THEN qq:= qq ;WHEN (set=0)&(ch=1)&(qq0) THEN qq:=qq-1 ;WHEN (set=0)&(
26、ch=1)&(qq=0) THEN qq:=9 ;END集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v控制电路的算法的控制电路的算法的ASM图描述图描述 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v编写仿真测试 矢量简单地模拟了三种传感器的输入信号主车道有车等待、副车道无车等待的时间为40个时钟周期紧接着主车道无车等待、副车道有车等待的时间也为40个时钟周期最后为主、副车道均有车等待的时间为100个时钟周期 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v实际仿真波形 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程例2，数字频率计的设计 v设计要求PLD器件ispLSI1016及4只7段动态显示数码管测频范围1
27、00HZ999KHZ；测量误差小于等于1%；响应时间不大于15秒；具超量程显示。集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v设计分析 -测频方法 测频法 测周期法 测频法的原理框图 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v采样测频法的频率计总体框图 十分频二选一 10*10*10计数器四路选择器定时时钟4444译码器扫描电路控制电路 自动量程 转换电路47清零锁存闸门S1S2被测信号扫描时钟输入超量程指示输出4只动态数码管小数点位集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v控制电路设计 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v自动量程转换电路 ASM图集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程v仿真波形
