第6章存储器和可编程逻辑器件

第6章存储器和可编程逻辑器件数字逻辑器件通常分为三类：第一类是目前广泛使用的由基本逻辑门和触发器构成的中小规模集成逻辑器件。例如，在前面章节中介绍的各种TTL或CMOS逻辑门、触发器、译码器、计数器等，均属这一类，这一类逻辑器件通常称为标准产品。逻辑器件的标准产品批量大，成本抵，价格便宜，器件速度也很快，是数字系统传统设计中使用的主要逻辑器件，但是，这类器件的密度不高，用它构成的数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，致使系统可靠性降低，功耗增大，第二类是由软件配置的大规模集成器件，如各种微处理器和单片微型计算机芯片等。这一类器件密度高，其逻辑功能可由软件重新配置，用它构成数字系统可大大缩小硬件规模，提高系统的灵活性。但这类器件的工作速度不够高，不能直接用于对速度要求特别高的场合。另外这类器件通常要用若干标准集成芯片构成外围电路才能工作。第三类器件称为专用集成电路（ASIC-ApplicationSpecificIntegratedCircuit）。ASIC是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，它的密度一般都很高，一片ASIC芯片就能取代一块由若干中小规模集成电路芯片构成的电路板，甚至一个完整的系统也能用一片ASIC芯片实现，因此使用ASIC能大大减少系统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统的可靠性、保密性和工作速度。ASIC的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的某种缺点。ASIC是一种用户定制电路（CustomdesignIC）。它包括全定制和半定制两种类型。所谓全定制电路（FullcustomdesignIC）是指半导体生产厂家根据用户的特定要求专门设计并制造的。集成电路的设计和制造过程比较复杂，一般都要经过电路设计、逻辑模拟、版图设计和集成电路制造的各道生产工序。这是一个周期长、费用高，并带有很大风险性的过程。因此，全定制专用集成电路只在大批量定型产品中使用。半定制电路（Semi－customdesignIC）是指先由制造厂生产出标准的半成品芯片，再跟据用户要求由工厂或用户对半成品芯片进行再加工，昀终实现所需逻辑功能的一类器件。昀常见的半定制ASIC有两种，一种为门列阵（GateArray），门列阵是在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它们整齐地排成阵列，这种半成品的芯片称为母片。这种母片通用性强，可以大批量生产，因而单片成本较低。当用户需要制造满足特定要求的ASIC芯片时，可根据设计需要和所选用母片的结构，由用户或器件生产厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家经过金属连线等简单工序，制成成品电路。因此，这种半定制电路ASIC与全定制ASIC相比，当生产量不是很大时，它的设计和生产周期短，成本低，风险也小的多。但由于门列阵的设计和制造，仍离不开生产厂家，用户主动性较差，使用不方便。另一种半定制电路为可编程逻辑器件（PLD—ProgrammableLogicDevice），这是一种较为新型的大规模逻辑器件。PLD芯片上的电路和金属引线都事先由器件生产厂做好，但其逻辑功能在出厂时没有确定，用户可以根据需要，借助PLD开发工具（一般包括微型计算机、专用开发软件、编程器）对其编程，来确定器件的功能。因此，使用PLD器件，不必通过生产厂家，用户自己就能设计符合要求的各种ASIC芯片。多数PLD器件都能重复编程，具有加密功能，并兼有集成度高、速度快、灵活性好等优点，在目前得到了越来越广泛的应用。本章在介绍存储器的基础上，将重点介绍PLD器件的工作原理及应用。由于PLD器件的阵列连接规模庞大，所以在PLD器件的描述中常使用一种简化的方法。1．PLD器件的连接表示法PLD器件的连接表示法如图6.1所示。×可编程连接(接通)不连接图6.1PLD的连接表示法图中，“固定连接”用交叉点上的‘•’表示。这与传统表示法是相同的，可以理解为“焊死”的连接点。“可编程连接”用交叉点I的‘×’表示，这表明行线和列线通过耦合元件接通。交叉点处无任何标记则表示“不连接”。2.门电路表示法图6.2给出了在PLD器件中常用的三种门电路的传统表示法和PLD表示法。11AAA&F(a)ABC&(b)≥1FABC≥1(c)图6.2PLD的门表示法(a)反向缓冲器;(b)与门;(c)或门AA图6.2（a）为输入缓冲器，它的两个输出分别是输入的原码和反码。图6.2（b）、(c)分别为与“门”和“或”门的表示法。因为PLD器件中的与和或门输入端很多，传统画法已不适用，而PLD表示法更适合于“阵列图”。3.阵列图为简化图形，PLD器件图一般画成“阵列图”形式。图6.3是有3个输入的“与”阵列图，注意到与门输出E=0AABBCC⋅⋅⋅⋅⋅=，此与门的输入与输入A、B、C的3对互补输出都是接通的，该乘积项总为逻辑0，这种状态称为与门的缺省（Default）状态。为了画图方便，对于这种全部输入项都连通的缺省状态，可简单地在对应的与门符号中用×来代替所有输入项所对应的编程连接符号×，如与门F所表示的那样，门G与任何输入都不连通，表示门G输出总为逻辑1。１１＆＆＆＆1G=图6.3阵列图ABCCBD⋅=0FAABBCC=⋅⋅⋅⋅⋅=0EAABBCC=⋅⋅⋅⋅⋅=6.1存储器存储器是一种通用的大规模集成电路（LSI），是用来存放程序和数据的器件。存储器按功能又可分为只读存储器（ROM—Read-OnlyMemory）和随机存取存储器（RAM—RandomAccessMemory）两种。6.1.1只读存储器（ROM）ROM是一种存放固定信息的半导体件，ROM中存储的信息是制造时由生产厂家一次写入的。这种器件在正常工作时只能读出信息，而不能写入信息，即使切断电源，器件中的信息也不会消失。所以，ROM通常用来存储那些不经常改变的信息。6.1.1.1ROM的结构ROM的基本结构如图6.4所示。主要由地址译码器和存储阵列两部分组成。图中，A0~An-1为n位地址输入线，地址译码器是全译码器，有W0~W共条译码输出线。当给定一个地址输入码时，译码器只有一个输出W21n−2n1被选中，这个被选中的线可以在存储阵列中取得m位的二进制信息，使其呈现在数据输出线F0~Fm-1上，这m位的二进制信息称为一个“字”。因而中每一条线又称为“字线”，F021~nWW−0~Fm-1又称为“位线”，字的位数称为“字长”。对于有n条地址输入线、m条位线的ROM，能存储个字的信息，每个字有m位，每位可存储一个“0”或一个“1”的信息，整个存储阵列的存储容量用字数乘位数来表示。对于图6.4所示ROM的存储容量为×m。2n2niii1F0F1mF−2nm×地址译码器存储阵列字线位线图6.4ROM基本结构框图A0A1An-1W0W1W2n-1iii衡量存储容量时，1K表示1024。例如1K×4的存储器，其存储容量为1024×4位；2K×8的存储器，其存储容量为2048×8位。存储器中能存储一位二进制信息的电路称为“基本存储单元”，它位于存储阵列的字线和位线的交叉处。而一个字所对应的m位基本存储单元的总体称为“存储单元”。ROM中的基本存储单元虽然写入不用触发器，而是用半导体二极管或三极管或MOS管组成。这种基本存储单元虽然写入不方便，但电路结构简单，有利于提高集成度。为简便起见，我们用图6.5所示电路来分析ROM的工作原理。11&&&&0A1A0W1W2W3W0F1F2F3F(a)地址译码器地址数据0F1F2F3F1A0A000110110100100101100010(b)图6.5二极管ROM图6.5是4×4ROM。图6.5（a）是用半导体二极管作基本存储单元的电路结构，图6.5（b）是该电路的真值表。由图6.5（a）可知，当地址输入A1A0=00时，只有字线100wAA=为1（即高电平），W1、W2、W3均为低电平。因此只有与W相连的二极管导通，所以此时数据输出00123FFFF。=0100。同理，可得其它地址输入时的数据输入值，如图6.5（b）所示。可见，在图6.5（a）所示ROM中，共存有四个字，分别为0100，1001，0110和0010，这是一个容量为22×4的ROM。在图6.5（a）中，字线和位线的每个交叉点都是一个基本存储单元，交叉点处接有二极管时，相当于存储“1”信息，没有接二极管时相当于存储“0”信息。交叉点处的二极管也称为存储管。由图6.5（b）所示真值表可以得到输出数据与输入地址变量之间的逻辑关系。10010112101103FAAFAAAAFAAAAFAA==+=+=00这是一组组合逻辑函数的表达式，因此，用ROM可以实现组合逻辑函数。图6.5（a）所示电路的阵列图如图6.6所示。其中与阵列表示译码器，或阵列表示存储阵列。与阵列和或阵列均为固定连接。&&&&≥1≥1≥1≥1iiiiiiii110A1A与阵列图6.6ROM的阵列图iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiF0F1F2F36.1.1.2可编程只读存储器（PROM）固定ROM中的信息是制造时存入的，产品出厂后用户无法改动。然而用户经常希望根据自己的需要来确定ROM的存储内容，满足这种要求的器件称为可编程只读存储器。可编程只读存储器有多种类型：1.PROM（ProgrammableRead-OnlyMemory）PROM为能进行一次编程的ROM。PROM的结构和ROM的结构基本相同，只是PROM在出厂时，每个基本存储单元都接有储存管，只是每个存储管的一个电极上都分别通过一根易熔的金属丝接到相应的位线上，如图6.7所示。用户对PROM编程（写入）是逐字逐位进行的。根据需要写入的信息，通过字线和位线选择某存储管，通过规定的宽度和幅度的脉冲电流，把和该存储管相连接的熔丝熔断，被熔断的基本单元代表一种逻辑状态，而未被熔断的基本单元代表另一种逻辑状态。熔丝一旦熔断，不可恢复，因此编程只允许进行一次。目前编程工作大都由和PC机相连的编程器来完成。2.EPROM（ErasablePrgrammableRead-onlyMemory）EPROM是一种可擦除、可重新编程的只读存储器。对已写入信息的EPROM，如想改写，可用专用的紫外线灯照射芯片上的受光窗口，经过10~20min时间，就能将芯片中的原有信息擦除掉，又可以重新写入需要的信息。EPROM器件的基本存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管（简称FAMOS管）电路。FAMOS管的栅极全部被二氧化硅绝缘层包着，没有引出线，如悬浮状态，所以称作“浮栅”，FAMOS有P沟道和N沟道两种结构。图6.8是N沟道FAMOS作基本存储单元的电路。原始状态的浮栅不带电荷，FAMOS管不导通，位线上是高电平，存储信息是“1”。当FAMOS管的源极S与衬底接地电位，漏极D接较高正电压（大于正常工作电压）时，漏极PN结反向击穿产生“雪崩”现象，使浮栅积累正电荷，FAMOS管处于导通状态，位线被钳位在低电平，存储信息为“0”。由于浮栅被绝缘的二氧化硅包着，电荷不易丢失，信息也就不会丢失。熔丝字线位线图6.7PROM结构原理字线位线DSFAMOSDDV图6.8FAMOS基本存储单元如果用紫外线或者X射线照射FAMOS管，可以使二氧化硅层中产生电子——空穴对，对浮栅上的电荷提供临时泄放通道，使之放电，待栅极上的电荷消失后，FAMOS管又恢复到截止状态，这个过程称为擦除。为了便于擦除，在器件的外壳上装有透明的石英盖板，便于用紫外线或者X射线照射。图6.9给出了一个型号为Intel2716的EPROM集成电路引脚图。它的容量为2K×8位。图中：A10~A0是地址输入线；D7~D0是数据线。正常工作时作数据输出，编程写入时写入数据的输入端；VCC和GND分别接工作电源电压+5V和地；CE是芯片允许（片使能）输入端；Intel27162120191817161514131211109876543CCV8A9AppVCEOE10A7D6D5D4D3D7A6A5A4A3A2A1A0A0D1D2DGND图6.9Intel2716引脚排列图OE是数据输出允许（输出使能）输入端；VPP是编程写入电源输入端。芯片的