第 9 章 大规模集成电路

概述第9章大规模集成电路本章小结随机存取存储器(RAM)只读存储器(ROM)主要要求：了解ROM的类型和结构，理解其工作原理。了解集成EPROM的使用。理解字、位、存储容量等概念。9.1只读存储器了解半导体存储器的作用、类型与特点。例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在ROM中的。计算机接通电源后，首先运行它，对计算机硬件系统进行自检和初始化，自检通过后，装入操作系统，计算机才能正常工作。二、半导体存储器的类型与特点只读存储器(ROM，即Read-OnlyMemory)随机存取存储器(RAM，即RandomAccessMemory)RAM既能读出信息又能写入信息。它用于存放需经常改变的信息，断电后其数据将丢失。常用于存放临时性数据或中间结果。例如计算机内存就是RAMROM在工作时只能读出信息而不能写入信息。它用于存放固定不变的信息，断电后其数据不会丢失。常用于存放程序、常数、表格等。一、半导体存储器的作用存放二值数据按数据写入方式不同分掩模ROM可编程ROM(ProgrammableROM，简称PROM)可擦除EPROM(ErasablePROM，简称EPROM)电可擦除E2PROM(ElectricallyEPROM，简称E2PROM)一、ROM的类型及其特点写入的数据可电擦除，用户可以多次改写存储的数据。使用方便。其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。其存储数据由用户写入。但只能写一次。写入的数据可用紫外线擦除，用户可以多次改写存储的数据。二、ROM的结构和工作原理44二极管ROM的结构和工作原理动画演示(一)存储矩阵由存储单元按字(Word)和位(Bit)构成的距阵由存储距阵、地址译码器(和读出电路)组成44存储矩阵结构示意图W3W2W1W0D3D2D1D0字线位线字线与位线的交叉点即为存储单元。每个存储单元可以存储1位二进制数。交叉处的圆点“”表示存储“1”；交叉处无圆点表示存储“0”。当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线D3~D0输出。单击鼠标请看演示10111011从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长=位数。W31.存储矩阵的结构与工作原理2.存储容量及其表示用“M”表示“1024K”，即1M=1024K=210K=220。2.存储容量及其表示指存储器中存储单元的数量例如，一个328的ROM，表示它有32个字，字长为8位，存储容量是328=256。对于大容量的ROM常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210；例如，一个64K8的ROM，表示它有64K个字，字长为8位，存储容量是64K8=512K。一般用“字数字长(即位数)”表示3.存储单元结构3.存储单元结构(1)固定ROM的存储单元结构二极管ROMTTL-ROMMOS-ROMWiDjWiDjVCCWiDj+VDD1接半导体管后成为储1单元；若不接半导体管，则为储0单元。(2)PROM的存储单元结构PROM出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为全1(或全0)。用户可借助编程工具将某些单元改写为0(或1),这只要将需储0(或1)单元的熔丝烧断即可。熔丝烧断后不可恢复，因此PROM只能一次编程。二极管ROMTTL-ROMMOS-ROMWiDjWiDjVCCWiDj+VDD1熔丝熔丝熔丝(3)可擦除PROM的存储单元结构EPROM利用编程器写入数据，用紫外线擦除数据。其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。E2PROM可以电擦除数据，并且能擦除与写入一次完成，性能更优越。用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。刚才介绍了ROM中的存储距阵，下面将学习ROM中的地址译码器。(二)地址译码器(二)地址译码器（P264）从ROM中读出哪个字由地址码决定。地址译码器的作用是：根据输入地址码选中相应的字线，使该字内容通过位线输出。例如，某ROM有4位地址码，则可选择24=16个字。设输入地址码为1010，则字线W10被选中，该字内容通过位线输出。存储矩阵中存储单元的编址方式单译码编址方式双译码编址方式适用于小容量存储器。适用于大容量存储器。又称单译码编址方式或单地址寻址方式D1≈D7≈地址译码器0,01,031,031,10,11,1A0A1A431,70,71,7W0W1W31D0≈…………单地址译码方式328存储器的结构图1.单地址译码方式一个n位地址码的ROM有2n个字，对应2n根字线，选中字线Wi就选中了该字的所有位。328存储矩阵排成32行8列，每一行对应一个字，每一列对应32个字的同一位。32个字需要5根地址输入线。当A4~A0给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。例如，当A4~A0=00000时，选中字线W0，可将(0，0)~(0，7)这8个基本存储单元的内容同时读出。基本单元为存储单元A5≈A7≈行地址译码器W0W1W15W31W16W17A0A1A3W255W240W241X0X1X15A4≈………双地址译码方式256字存储器的结构图A2列地址译码器A6Y1Y15Y0又称双译码编址方式或双地址寻址方式地址码分成行地址码和列地址码两组2.双地址译码方式基本单元为字单元例如当A7~A0=00001111时，X15和Y0地址线均为高电平，字W15被选中，其存储内容被读出。若采用单地址译码方式，则需256根内部地址线。256字存储器需要8根地址线，分为A7~A4和A3~A0两组。A3~A0送入行地址译码器，产生16根行地址线(Xi)；A7~A4送入列地址译码器，产生16根列地址线(Yi)。存储矩阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。三、集成EPROM举例27系列EPROM是最常用的EPROM，型号从2716、2732、2764一直到27C040。存储容量分别为2K8、4K8一直到512K8。下面以Intel2716为例，介绍其功能及使用方法。VCCIntel2716A8A9VPPOEA10CSD7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112242322212019181716151413A10~A0为地址码输入端。D7~D0为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入端。VCC和GND：+5V工作电源和地。VPP为编程高电平输入端。编程时加+25V电压，工作时加+5V电压。(一)引脚图及其功能CS有两种功能：(1)工作时为片选使能端，低电平有效。CS=0时，芯片被选中，处于工作状态。(2)编程时为编程脉冲输入端。OE为允许数据输出端，低电平有效。OE=0时，允许读出数据；OE=1时，不能读出数据。存储容量为2K字(二)由CS、OE和VPP的不同状态，确定2716的下列5种工作方式(1)读方式：当CS=0、OE=0，并有地址码输入时，从D7~D0读出该地址单元的数据。(2)维持方式：当CS=1时，数据输出端D7~D0呈高阻隔离态，此时芯片处于维持状态，电源电流下降到维持电流27mA以下。(3)编程方式：OE=1，在VPP加入25V编程电压，在地址线上输入单元地址，数据线上输入要写入的数据后，在CS端送入50ms宽的编程正脉冲，数据就被写入到由地址码确定的存储单元中。(4)编程禁止：在编程方式下，如果CS端不送入编程正脉冲，而保持低电平，则芯片不能被编程，此时为编程禁止方式，数据端为高阻隔离态。(5)编程检验：当VPP=+25V，CS和OE均为有效电平时，送入地址码，可以读出相应存储单元中的数据，以便检验。主要要求：了解RAM的类型、结构和工作原理。了解RAM和ROM的异同。9.3随机存取存储器一、RAM的结构、类型和工作原理地址译码器存储矩阵读/写控制电路2nmRAM的结构图A0A0An-1………I/O0I/O1I/Om-1R/WCSRAM与ROM的比较相同处★都含有地址译码器和存储矩阵★寻址原理相同相异处★ROM的存储矩阵是或阵列，是组合逻辑电路。ROM工作时只能读出不能写入。掉电后数据不会丢失。★RAM的存储矩阵由触发器或动态存储单元构成，是时序逻辑电路。RAM工作时能读出，也能写入。读或写由读/写控制电路进行控制。RAM掉电后数据将丢失。RAM分类静态RAM(即StaticRAM，简称SRAM)动态RAM(即DynamicRAM，简称DRAM)DRAM存储单元结构简单，集成度高，价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较慢，且需要刷新及读出放大器等外围电路。DRAM的存储单元是利用MOS管具有极高的输入电阻，在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。SRAM存储单元结构较复杂，集成度较低，但速度快。二、集成RAM举例A0~A9为地址码输入端。4个I/O脚为双向数据线，用于读出或写入数据。VDD接+5V。R/W为读/写控制端。当R/W=1时，从I/O线读出数据；当R/W=0时，将从I/O线输入的数据写入RAM。VDDIntel2114A7A8A9I/OI/OI/OI/OR/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND1234567891817161514131211101K4位SRAMIntel2114引脚图信号与TTL电平兼容。CS为片选控制端，低电平有效。CS=1时，读/写控制电路处于禁止状态，不能对芯片进行读/写操作。当CS=0时，允许芯片读/写操作。存储矩阵有1K个字，每个字4位。1K=1024=210，故需10根地址输入线。主要要求：了解可编程逻辑器件的基本结构与类型。9.2可编程逻辑器件简介一、可编程逻辑器件的概念与特点是由编程来确定其逻辑功能的器件。ProgrammableLogicalDevice，简称PLD●逻辑电路的设计和测试均可在计算机上实现，设计成功的电路可方便地下载到PLD，因而研制周期短、成本低、效率高，使产品能在极短时间内推出。特点●用PLD实现的电路容易被修改。这种修改通过对PLD重新编程实现，可以不影响其外围电路。因此，其产品的维护、更新都很方便。PLD使硬件也能象软件一样实现升级，因而被认为是硬件革命。●较复杂的数字系统能用1片或数片PLD实现，因而，应用PLD生产的产品轻小可靠。此外，PLD还具有硬件加密功能。●应用PLD设计电路时，需选择合适的软件工具。二、可编程逻辑器件的基本结构PLD的基本结构图输入电路与阵列输出电路或阵列输入项乘积项或项输入输出二、可编程逻辑器件的基本结构输入缓冲电路用以产生输入变量的原变量和反变量，并提供足够的驱动能力。输入缓冲电路(a)一般画法(b)PLD中的习惯画法(a)(b)AAAAAA由多个多输入与门组成，用以产生输入变量的各乘积项。例如CABCCABBAW7=ABCABCW0=与阵列PLD的基本结构图输入电路与阵列输出电路或阵列输入项乘积项或项输入输出二、可编程逻辑器件的基本结构PLD器件中连接的习惯画法固定连接可编程连接断开连接PLD中与门和或门的习惯画法(a)(b)YCABCBAACBYYYCBA≥1由多个多输入与门组成，用以产生输入变量的各乘积项。PLD的基本结构图输入电路与阵列输出电路或阵列输入项乘积项或项输入输出CABCCABBAW7=ABCABCW0=●●●●●●与阵列的PLD习惯画法二、可编程逻辑器件的基本结构由图可得Y1=ABC+ABC+ABCY2=ABC+ABCY3=ABC+ABC例如ABC●●●Y3Y2Y1●●●●●●●●●●●●●与阵列或阵列PLD的基本结构图输入电路与阵列输出电路或阵列输入项乘积项或项输入输出由多个多输入或门组成，用以产生或项，即将输入的某些乘积项相加。二、可编程逻辑器件的基本结构由PLD结构可知，从输出端可得到输入变量的乘积项之和，因此可实现任何组合逻辑函数。再配以触发器，就可实现时序逻辑函数。PLD的基本结构图输入电路与阵列输出电路或阵列输入项乘积项或项输入输出PLD的输出回路因器件的不同而有所不同，但总体可分为固定输出和可组态