半導(dǎo)體存儲器與可

1、第八章第八章 半導(dǎo)體存儲器與可半導(dǎo)體存儲器與可 編程邏輯器件編程邏輯器件學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)只讀存儲器（只讀存儲器（ROMROM）的工作原理）的工作原理隨機(jī)存儲器（隨機(jī)存儲器（RAMRAM）存儲器擴(kuò)展存儲容量的連接方法存儲器擴(kuò)展存儲容量的連接方法半導(dǎo)體存儲器的功能及分類半導(dǎo)體存儲器的功能及分類利用存儲器設(shè)計(jì)組合邏輯電路利用存儲器設(shè)計(jì)組合邏輯電路8.1 8.1 概述概述隨機(jī)存儲器（隨機(jī)存儲器（Random Access Memory RAM）半導(dǎo)體存儲器能存儲大量二值信息，是數(shù)字系統(tǒng)不半導(dǎo)體存儲器能存儲大量二值信息，是數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的部分可缺少的部分.只讀存儲器（只讀存儲器（Read-Only M

2、emory ROM）種類種類:ROMROMv掩模掩模ROMv可編程可編程ROM：PROMv可擦除可編程可擦除可編程ROM：EPROM RAMRAMv靜態(tài)靜態(tài)RAM：SRAMv動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)RAM：DRAM由制造工藝分：由制造工藝分：v雙極型雙極型vMOS型型8.2 8.2 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAMRAM8.2.1 8.2.1 靜態(tài)隨機(jī)存儲器靜態(tài)隨機(jī)存儲器RAMRAM電路結(jié)構(gòu)地址輸入存儲矩陣行地址譯碼讀寫控制I/O地址譯碼器：行地址譯碼選出一行，列地址譯碼選出一列（或幾列）地址譯碼器：行地址譯碼選出一行，列地址譯碼選出一列（或幾列）列地址譯碼地址輸入CS R/WCSCS0 0 片選有效，可進(jìn)行讀寫片

3、選有效，可進(jìn)行讀寫R/wR/w1 1 執(zhí)行讀操作執(zhí)行讀操作R/wR/w0 0 執(zhí)行寫操作執(zhí)行寫操作2114RAM2114RAM（102410244 4位）位）8.3 8.3 只讀存儲器只讀存儲器ROMROM8.3.1 ROM8.3.1 ROM的結(jié)構(gòu)與原理的結(jié)構(gòu)與原理電路結(jié)構(gòu)地址輸入存儲矩陣地址譯碼器輸出緩沖器數(shù)據(jù)輸出地址譯碼器：將輸出的地址代碼翻譯成相應(yīng)的控制信號，把指地址譯碼器：將輸出的地址代碼翻譯成相應(yīng)的控制信號，把指定單元選定單元選 出，其數(shù)據(jù)送輸出緩沖器出，其數(shù)據(jù)送輸出緩沖器輸出緩沖器輸出緩沖器v提高存儲器帶負(fù)載的能力提高存儲器帶負(fù)載的能力v實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)三態(tài)控制，與系統(tǒng)總線連接實(shí)現(xiàn)輸出

4、狀態(tài)三態(tài)控制，與系統(tǒng)總線連接例例1: 2位地址輸入，位地址輸入，4位地址輸出，二極管存儲器位地址輸出，二極管存儲器A1A0：兩位地址代碼，能指定四個(gè)不同地址地址譯碼器：將四個(gè)地址譯成地址譯碼器：將四個(gè)地址譯成W0 W3四個(gè)高電平輸出信號四個(gè)高電平輸出信號W0 W1 W2 W3 0 10 00 01 11 01 00 01 10 01 11 10 00 01 10 00 00 01 10 00 00 00 00 0 A1 A0D3 D2 D1 D01 11 10 00 00 01 11 11 10 01 11 10 00 01 10 01 1存儲矩陣：二極管編碼器存儲矩陣：二極管編碼器 W0=1

5、 EN=0 W0=1 EN=0 W1=1 EN=0 W1=1 EN=0 W2=1 EN=0 W2=1 EN=0 W3=1 EN=0 W3=1 EN=0輸出緩沖器：提高帶負(fù)載能力輸出緩沖器：提高帶負(fù)載能力數(shù)據(jù)表為：數(shù)據(jù)表為：D3 D2 D1 D01 11 10 00 00 01 11 11 10 01 11 10 00 01 10 01 1 A1 A0 0 0 0 0 0 11 01 01 11 1位線地址線字線數(shù)據(jù)表為：D3 D2 D1 D01 11 10 00 00 01 11 1 1 10 01 11 1 0 00 01 10 01 1 W0=1 W0=1 W1=1W1=1 W2=1 W2

6、=1 W3=1 W3=1D3D2 D1D00 00 01 11 11 10 00 0 0 01 10 00 0 1 11 10 01 10 08.3.2 EPROM8.3.2 EPROM的實(shí)例的實(shí)例一、雪崩注入、雪崩注入MOSMOS管（管（FAMOSFAMOS）構(gòu)成的）構(gòu)成的EFROMEFROMFAMOSFAMOS結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖注入：注入：在漏極和源極間加高反壓，漏極與在漏極和源極間加高反壓，漏極與襯底間的襯底間的PNPN結(jié)擊穿，其耗盡層的電結(jié)擊穿，其耗盡層的電子在強(qiáng)磁場中高速射出，一部分被子在強(qiáng)磁場中高速射出，一部分被浮置柵浮獲，此部分負(fù)電荷在浮置柵浮獲，此部分負(fù)電荷在DSDS間間負(fù)電壓去除后

7、無放電回路，得以保負(fù)電壓去除后無放電回路，得以保存。存。擦除：用紫外線或用紫外線或X X射線照射射線照射FAMOSFAMOS管，使管，使SiOSiO2 2層中產(chǎn)生電子空穴對，為浮置層中產(chǎn)生電子空穴對，為浮置柵的負(fù)電荷提供放電通道。柵的負(fù)電荷提供放電通道。FAMOS構(gòu)成的存儲單元二、疊柵二、疊柵MOSMOS管（管（SIMOSSIMOS）構(gòu)成的）構(gòu)成的EPROMEPROMSIMOSSIMOS結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管在控制柵在控制柵G Ge e上加正常高電平時(shí)，上加正常高電平時(shí)，能在漏能在漏- -源間構(gòu)成導(dǎo)電通道，使源間構(gòu)成導(dǎo)電通道，使SIMOSSIMOS導(dǎo)通導(dǎo)通電荷注

8、入后，需要在電荷注入后，需要在G Ge e上加更高上加更高壓才能形成導(dǎo)電溝道壓才能形成導(dǎo)電溝道VVTHTH提提高高在漏在漏- -源間加高電壓，使雪崩擊源間加高電壓，使雪崩擊穿，同時(shí)在穿，同時(shí)在G Ge e上加高壓正脈沖，上加高壓正脈沖，則在柵極電場作用下，一部分穿則在柵極電場作用下，一部分穿過過SiOSiO2 2到達(dá)浮置柵，形成注入電到達(dá)浮置柵，形成注入電荷。荷。iDVGSV VTHTH注入電荷前注入電荷后用用SIMOSSIMOS構(gòu)成的構(gòu)成的EPROMEPROM2562561 1位的位的EPROMEPROM，排成，排成16161616的矩陣的矩陣讀出時(shí)：讀出時(shí)：將地址低四位加到列地址譯碼將地址

9、低四位加到列地址譯碼器上，器上，B Bi i=1=1，選中一列。，選中一列。將地址高四位加到行地址譯碼將地址高四位加到行地址譯碼器上，器上，W Wi i=1=1，選中一行；，選中一行；ENEN0 0時(shí)，此位數(shù)據(jù)傳到時(shí)，此位數(shù)據(jù)傳到D D（已（已注入電荷的注入電荷的SIMOSSIMOS不通，為不通，為1 1；未注入電荷的未注入電荷的SIMOSSIMOS通，為通，為0 0。E E2 2PROMPROM快閃存儲器快閃存儲器其它其它PROM:PROM:8.3.3 ROM8.3.3 ROM應(yīng)用應(yīng)用沒使用前，全部數(shù)據(jù)為沒使用前，全部數(shù)據(jù)為1 1要存入要存入0 0：找到要輸入找到要輸入0 0的單元地址，的單

10、元地址，輸入地址代碼，使相應(yīng)字輸入地址代碼，使相應(yīng)字線輸出高電平線輸出高電平在相應(yīng)位線上加高電壓脈在相應(yīng)位線上加高電壓脈沖，使沖，使D DZ Z導(dǎo)通，大電流使熔導(dǎo)通，大電流使熔斷絲熔斷斷絲熔斷肖特基勢壘肖特基勢壘穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管快速熔斷快速熔斷絲絲8.4 低密度可編程陣列邏輯低密度可編程陣列邏輯 8.4.1 PAL的基本電路結(jié)構(gòu)的基本電路結(jié)構(gòu)圖8.1 PAL基本結(jié)構(gòu)AABBCC或陣列固定()與陣列可編()F2F1F0PAL的幾種輸出電路結(jié)構(gòu)和反饋形式的幾種輸出電路結(jié)構(gòu)和反饋形式 PAL具有多種輸出結(jié)構(gòu)。組合邏輯常采用“專用輸出的基本門陣列結(jié)構(gòu)”，其輸出結(jié)構(gòu)如圖6.15所示。圖中, 若輸出部

11、分采用或非門輸出時(shí)，為低電平有效器件；若采用或門輸出時(shí)，為高電平有效器件。有的器件還用互補(bǔ)輸出的或門， 故稱為互補(bǔ)型輸出，這種輸出結(jié)構(gòu)只適用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。目前常用的產(chǎn)品有PAL10H8（10輸入，8輸出，高電平有效）、AL10L8(10輸入，8輸出，低電平有效)、PAL16C1（16輸入，1輸出，互補(bǔ)型)等。 圖圖8.2 專用輸出門陣列結(jié)構(gòu)專用輸出門陣列結(jié)構(gòu)輸入行FA PAL實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路功能時(shí)，其輸出結(jié)構(gòu)如圖實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路功能時(shí)，其輸出結(jié)構(gòu)如圖8.3所示，輸出部分采用了一個(gè)所示，輸出部分采用了一個(gè)D觸發(fā)器，其輸出通觸發(fā)器，其輸出通過選通三態(tài)緩沖器送到輸出端，構(gòu)成時(shí)序邏輯電路。過選通

12、三態(tài)緩沖器送到輸出端，構(gòu)成時(shí)序邏輯電路。ID QQOCCPQ 圖圖8.3 時(shí)序輸出結(jié)構(gòu)時(shí)序輸出結(jié)構(gòu)8.4.2 GAL 通用陣列邏輯GAL是Lattice 公司于1985年首先推出的新型可編程邏輯器件。GAL是PAL的第二代產(chǎn)品， 但它采用了ECMOS工藝，可編程的I/O結(jié)構(gòu)，使之成為用戶可以重復(fù)修改芯片的邏輯功能，在不到 1 秒鐘時(shí)間內(nèi)即可完成芯片的擦除及編程的邏輯器件， 按門陣列的可編程結(jié)構(gòu)， GAL可分成兩大類： 一類是與PAL基本結(jié)構(gòu)相似的普通型GAL器件,其與門陣列是可編程的， 或門陣列是固定連接的，如GAL16V8；另一類是與FPLA器件相類似的新一代GAL 器件， 其與門陣列及或門

13、陣列都是可編程的，如GAL39V18。 GALGAL的電路結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu) 如圖如圖8.4所示是所示是GAL16V8的邏輯電路圖，它的邏輯電路圖，它有有16 個(gè)輸入引腳（其中八個(gè)為固定輸入引腳）個(gè)輸入引腳（其中八個(gè)為固定輸入引腳）和八個(gè)輸出引腳。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由八和八個(gè)輸出引腳。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由八個(gè)輸入緩沖器，八個(gè)輸出反饋個(gè)輸入緩沖器，八個(gè)輸出反饋/輸入緩沖器，八輸入緩沖器，八個(gè)輸出三態(tài)緩沖器，八個(gè)輸出邏輯宏單元個(gè)輸出三態(tài)緩沖器，八個(gè)輸出邏輯宏單元OLMC， 88個(gè)與門構(gòu)成的與門陣列以及時(shí)鐘個(gè)與門構(gòu)成的與門陣列以及時(shí)鐘和輸出選通信號輸入緩沖器等組成。和輸出選通信號輸入緩沖器等組成。 每個(gè)每個(gè)OLMC

14、中有四個(gè)多路開關(guān)中有四個(gè)多路開關(guān)MUX, FIMUX用于用于控制第一乘積項(xiàng)；控制第一乘積項(xiàng)；TSMUX用于選擇輸出三態(tài)緩沖器用于選擇輸出三態(tài)緩沖器的選通信號；的選通信號；FMUX決定反饋信號的來源；決定反饋信號的來源；OMUX用于選擇輸出信號是組合邏輯的還是寄存邏輯的。用于選擇輸出信號是組合邏輯的還是寄存邏輯的。多路開關(guān)狀態(tài)取決于結(jié)構(gòu)控制字中的多路開關(guān)狀態(tài)取決于結(jié)構(gòu)控制字中的AC0和和AC1（n）位的值。位的值。 例如，例如，TSMUX的控制信號是的控制信號是AC0和和AC1（n）, 當(dāng)當(dāng)AC0AC1(n)=11時(shí)，表示多路開關(guān)時(shí)，表示多路開關(guān)TSMUX的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入端輸入端11被選通，表示

15、三態(tài)門的選通信號是第一乘被選通，表示三態(tài)門的選通信號是第一乘積項(xiàng)。表積項(xiàng)。表6.4列出有關(guān)控制信號與列出有關(guān)控制信號與OLMC的的配置關(guān)系。 圖8.4GAL16V8邏輯圖2OLMC（ 19）CK1983OLMC（ 18）18164OLMC（ 17）17245OLMC（ 16）16326OLMC（ 15）15407OLMC（ 14）14488OLMC（ 13 E1008162431OLMC（ 12）圖8.5 OLMC內(nèi)部結(jié)構(gòu)來 自 與 門01QD反饋101101001110010001VCC來自鄰頂輸出(m)I/O(n)CKOECKOEOMUXFMUXTSMUXFIMU

16、XFPGA是現(xiàn)場可編程門陣列（ Field Programmable Gate Array ）的簡稱，80年代中期由美國Xilinx公司首先推出，是一種大規(guī)?？删幊虜?shù)字集成電路器件它能使用戶借助計(jì)算機(jī)自行設(shè)計(jì)自己需要的專用集成電路芯片，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行功能仿真和實(shí)時(shí)仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整電路，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案8.6.1 FPGA簡介8.6 現(xiàn)場可編程陣列現(xiàn)場可編程陣列 FPGA 8.6.2 FPGA8.6.2 FPGA的基本機(jī)構(gòu)的基本機(jī)構(gòu) 1.CLB1.CLB：2.IOB2.IOB：分布于芯片中央，實(shí)現(xiàn)規(guī)模不大的組合、時(shí)序電路。分布于芯片四周，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯電路與芯片外部引腳的連接。3.IR3.IR

17、： 包括不同類型的金屬線、可編程的開關(guān)矩陣、可編程的連接點(diǎn)。圖8.7 FPGA的基本結(jié)構(gòu)框圖4.SRAM:存放編程數(shù)據(jù)。圖圖 8.6 FPGA內(nèi)內(nèi)SRAM單元單元QQT讀讀/寫寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)組態(tài)組態(tài)控制控制一、CLB和IOB 1.XC2000系列的CLB(1) 組合邏輯電路工作方式激勵(lì)信號 時(shí)鐘信號 CLK(同步)，或C、G(異步)。(2) 存儲電路(3) 控制電路電路組態(tài)；實(shí)現(xiàn)方法二、IR 1.金屬線(1)通用互連( General-Purpose Interconnect )(2)直接互連(Direct Interconnect)(3)(3)長線長線(Long Line)(Long Line)

18、2.開關(guān)矩陣(SM：Switching Matrices)3.可編程連接點(diǎn)(PIP：Programmable Interconnect Points)四變量的任意函數(shù)FGABCDQ(a) 四變量任意函數(shù)(b) 2個(gè)三變量任意函數(shù)三變量的任意函數(shù)FGABCDQ三變量的任意函數(shù)ABCDQ圖圖8.8 CLB8.8 CLB中組合邏輯電路的中組合邏輯電路的3 3種組態(tài)種組態(tài)(c) 五變量任意函數(shù)五變量任意函數(shù)三變量的任意函數(shù)FGABCDQ三變量的任意函數(shù)ACDQMUX(動(dòng)態(tài)選擇兩個(gè)三變量函數(shù))8.7 8.7 可編程邏輯器件的應(yīng)用可編程邏輯器件的應(yīng)用8 8片片102410241 1位的位的RAMRAM，構(gòu)成，構(gòu)成102410248 8位的位的RAMRAM7.4.2 7.4.2 字?jǐn)U展方式字?jǐn)U展方式4 4片片2562568 8位的位的