数字电路逻辑设计第7章-半导体存储器和可编程逻辑器件

《数字电路逻辑设计》1第7章半导体存储器和可编程逻辑器件7.1半导体存储器7.1.1半导体存储器的类型、特点和技术指标7.1.2顺序存储器（SAM）7.1.3只读存储器（ROM）7.1.4随机存储器（RAM）7.2可编程逻辑器件7.2.1PLD的基本结构7.2.2可编程逻辑阵列（PLA）7.2.3可编程阵列逻辑（PAL）7.2.4通用阵列逻辑（GAL）7.2.5现场可编程阵列（FPGA）27.1半导体存储器7.1.1半导体存储器的类型、特点和技术指标7.1.2顺序存储器（SAM）7.1.3只读存储器（ROM）7.1.4随机存储器（RAM）半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路。它具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低廉、存储速度快、外围电路简单且易于接口、便于自动化批量生产等特点。半导体存储器主要用于电子计算机和某些数字系统中，用来存放程序、数据、资料等。因此，半导体存储器就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。37.1.1半导体存储器的类型、特点和技术指标分类标准分类特点制造工艺双极型工作速度快、功耗大、价格较高；主要用于对速度要求较高的场合。MOS型集成度高、功耗小、工艺简单、价格低；主要用于大容量存储系统中。存取方式顺序存取存储器（SAM）对信息的存取按顺序进行。即：“先入先出（FIFO）”或“先入后出（FILO）”随机存取存储器（RAM）随时随机地对任意一个单元直接存取信息。缺点：数据易失，一旦掉电，数据全部丢失。（静态存储器SRAM和动态存储器DRAM）只读存储器（ROM）内容只能读出不能写入。存储的数据不会因断电而消失，即具有非易失性。（固定ROM、PROM、EPROM等。）表7-1半导体存储器的类型和特点（P258）47.1.1半导体存储器的类型、特点和技术指标表7-2半导体存储器的技术指标（P259）主要技术指标说明存储容量是指存储器存放信息的多少，存储容量越大，说明它能存储的信息越多。位（bit）：存储器最基本的存储单元，可以存储一个0或一个1。字（byte）：若干个基本存储单元排列在一起组成一个字。存储容量＝字数×位数存取时间是用来表征存储器工作速度的高低，一般用读（或写）周期来描述。读（或写）周期短，即存取时间短，存储器的工作速度就越高。连续两次读取（或写入）操作所间隔的最短时间称为读（或写）周期。57.1.2顺序存储器（SAM）顺序存储器（P259）SAM（SequentialAccessMemory）由动态移存器组成；动态移存器由动态移存单元串接而成；动态移存单元由两个传输门和CMOS反相器串接而成。动态移存器电路简单，适合大规模集成。它利用MOS管栅极和源级（基片）之间的电容（栅电容）来暂存信息。由于MOS管的输入电阻极大，在栅电容上冲入电荷后，电荷经输入电阻的自然泄漏（放电）比较缓慢，至少可以保持几毫秒，如果移位脉冲（CP）的周期在微秒数量级，则在一个周期内栅电容上的电荷基本不变，栅极电位也基本不变。若长时间没有移位脉冲的推动，存放在栅电容上的二值信息就会随着电荷的泄漏而消失。因此，它只能在移位脉冲的推动下，也就是在动态中运用。故称它为动态移存器。2.5CMOS门电路CMOS反相器（P66）A0VVGSN0VGS(th)N截止GSPDDDDGS(th)PVAVVV导通SDDSRoffonRVDDFRon«RoffDDDDoffonRoffFVVRR62.5CMOS门电路CMOS反相器（P66）DDAVVGSNA0VDDVGS(th)N导通GSPDDGS(th)PVAV0V截止SDDSRonoffRVDDFRon«RoffDDoffonRonFV0VRR77.1.2顺序存储器（SAM）动态CMOS反相器（P259）TGCPCPGGSDDSVCVT2VT1vOvICR图7-1动态CMOS反相器为了长期保持C上的1信号，需要每隔一定时间对C补充一次电荷，使信号得到“再生”，通常称这一操作过程为“刷新”。CP周期不能太长，一般要小于1ms。动态CMOS反相器能够暂存信息，并且在不断刷新的前提下，长期储存信息。87.1.2顺序存储器（SAM）动态CMOS移存单元（P259）InTG1CPCPGGSDDSVCVT1VT2C1TG2OutCPCPGGSDDSVCVT3VT4C2图7-2动态CMOS移存单元主动态CMOS反相器从动态CMOS反相器1位910InTG1CPCPGGSDDSVCVT1VT2C1TG2OutCPCPGGSDDSVCVT3VT4C2图7-2动态CMOS移存单元当CP＝1时，主动态反相器接收信息；从动态反相器保持原存信息。当CP＝0时，主动态反相器保持原存信息；从动态反相器跟随主动态反相器变化。经过一个CP的推动，数据即可向右移动一位。7.1.2顺序存储器（SAM）1024位动态移存器（P259）0121023……串入串出CPCP图7-31024位动态移存器1位动态移存单元11图7-41024×1位FIFO型SAM7.1.2顺序存储器（SAM）1024×1位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片选＝0封锁封锁封锁开放工作方式：循环刷新12图7-41024×1位FIFO型SAM7.1.2顺序存储器（SAM）开放封锁开放1024×1位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片选＝1写/循环＝1封锁读＝0工作方式：写入13图7-41024×1位FIFO型SAM7.1.2顺序存储器（SAM）开放开放开放1024×1位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片选＝1写/循环＝1封锁读＝1工作方式：写入＋读取14图7-41024×1位FIFO型SAM7.1.2顺序存储器（SAM）封锁封锁封锁1024×1位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片选＝1写/循环＝0开放读＝0工作方式：循环刷新15图7-41024×1位FIFO型SAM7.1.2顺序存储器（SAM）封锁开放封锁1024×1位FIFO（First-In-First-Out）型SAM（P260）片选＝1写/循环＝0开放读＝1工作方式：读取＋循环刷新167.1.2顺序存储器（SAM）1024×1位FILO（First-In-Last-Out）型SAM（P260）读/写＝0工作截止SL/SR＝0图7-51024×1位FILO型SAM177.1.2顺序存储器（SAM）1024×1位FILO（First-In-Last-Out）型SAM（P260）读/写＝1截止工作SL/SR＝1图7-51024×1位FILO型SAM18197.1.3只读存储器（ROM）只读存储器（P261）只读存储器简称ROM（ReadOnlyMemory），它是各种存储器中结构最简单的一种。ROM是一种固定存储器，它把需要长期存放的程序、表格、函数以及常数、符号等数据固定于这种存储器内，所存内容在断电时也不丢失，具有非易失性。正常工作时只能读出，不能写入。ROM可分为：①固定ROM②可编程ROM（PROM）：ProgrammableReadOnlyMemory③可擦除可编程ROM（EPROM）：ErasableProgrammableReadOnlyMemory④电可擦可编程ROM（EEPROM，E2PROM）：ElectronicsErasableProgrammableReadOnlyMemory207.1.3只读存储器（ROM）1、固定ROM（P261）固定ROM又称为掩模ROM，这种ROM出厂时其内部存储的信息由生产厂家采用掩模工艺固化在里面（即厂家编程）。它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存放固定数据、固定程序和函数表等。217.1.3只读存储器（ROM）1、固定ROM（P261）图7-6ROM的基本结构字线位线存储容量：2n×m位22地址译码器W0W1W2W3存储矩阵RRRRA10A输出缓冲器三态控制D’D’D’D’3210D3D2D1D0图7-74×4位二极管固定ROM（P262）4×4位二极管固定ROM（P262）地址数据A1A0D3D2D1D0001001010111101110110101表7-34×4位ROM数据表W0W12WW3R图7-8二极管或门233D’2D’WW30212302W0A1A0D0W0W1W3D1W1W2W1A1A0DWWWW2A1A0DWW3W3A1A011A10A＆＆＆＆≥1D3≥1≥1D2D1≥1D0W0W1W2W3图7-9图7-7所示ROM的与或阵列图247.1.3只读存储器（ROM）2、可编程ROM（PROM）（P262）PROM在出厂时，存储的内容为全0（或全1），用户根据需要，可将某些单元改写为1（或0）。这种ROM采用熔丝或PN结击穿的方法编程，由于熔丝烧断或PN结击穿后不能再恢复，因此PROM只能改写一次。图7-10熔丝型PROM的存储单元WiDiV1V2DiWi25(a)(b)图7-11PN结击穿法PROM的存储单元267.1.3只读存储器（ROM）3、可擦除的可编程ROM（EPROM）（P263）EPROM利用浮栅MOS管进行编程，ROM中存储的数据可以进行多次擦除和改写。最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM（Ultra-VioletErasableProgrammableRead-OnlyMemory,简称UVEPROM）。随后出现了用电信号可擦除的可编程ROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,简称EEPROM或E2PROM）。近年来已广泛使用的快闪存储器（FlashMemory）也是一种用电信号擦除的可编程ROM。目前用紫外线照射擦除的EPROM已被EEPROM和FLASH所代替。7.1.3只读存储器（ROM）EPROM的存储单元WiYj位线N＋N＋P型硅衬底SDG控制栅浮栅SiO2叠层栅MOS管图7-12EPROM的存储单元结构27287.1.3只读存储器（ROM）EPROM的存储单元编程在漏源极间加高压（+25V），沟道内形成雪崩击穿，而控制栅加正脉冲（25V/50ms），吸引部分高能电子穿透SiO2绝缘层，被浮栅俘获并聚集于浮栅，当去掉高压电源后，由于包围浮栅的SiO2的高绝缘性能，被俘获电子难以泄漏并将长期保存，使浮栅带上负电，该负电压的存在，必须施加比阈值电压VGS(th)更高的控制栅电压才能抵消浮栅上负电荷的作用，而形成导电沟道。正常工作时＋5V的控制栅电压不能再使管子导通，说明该存储单元被长期写入0。如此，可将全部该写0的单元写0，实现用户编程。7.1.3只读存储器（ROM）EPROM的存储单元擦除若要擦除所写入的数据，可将其置于EPROM擦除器产生的强紫外光照射之下，并持续一定时间（几到十几分钟），浮栅上的电子通过紫外光获得光子能量，而穿透绝缘层回到衬底中，芯片又恢复到全部存储单元为1的初始状态。该芯片又可以再一次被用户改写编程（用户多次编程），数据可保存约10年。为区别于固定ROM，这些可编程单元在阵列图中的交叉点上用“×”表示，而不再用圆点。Wi29Yj×7.1.3只读存储器（ROM）EEPROM的存储单元（P263）图7-13EEPROM的存储单元30317.1.3只读存储器（ROM）EEPROM的特点（P263）一般EEPROM集成片允许擦写1000~100000次，擦写共需时间几十毫秒左右，数据可保存5~10年。早期的E2PROM集成芯片如2815、2817等需用高电压脉冲擦写，一般需用专用编程器来完成。而新型E2PROM如28l6A、2864A等内部设置了升压电路、使擦、写、读都在5V电源下进行，不需要编程器，而是在用户系统中用读／写端的逻辑电平