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1第8章半导体存储器和可编程逻辑器件本章课时：5学时第8章半导体存储器和可编程逻辑器件2目录8.1概述8.2半导体存储器8.2.1存储器的主要技术指标8.2.2随机存取存储器8.2.3只读存储器8.2.4存储器扩展8.2.5综合应用第8章半导体存储器和可编程逻辑器件3目录8.3可编程逻辑

器件8.3.1低密度PLD8.3.2高密度PLD8.3.3PLD设计流程第8章半导体存储器和可编程逻辑器件4作业8-3,8-8,8-9,8-13,1K8改为2K8第8章半导体存储器和可编程逻辑器件58.1概述随着集成电路设计和制

造工艺的不断改进和完善，集成电路产品不仅在提高开关速度、降低功耗等方面有了很大的发展，电路的集成度也得到了迅速的提高，大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI已得到了广泛的应用。在分析和设计逻辑系统时，应把LSI和VLSI作为一个功

能模块来进行使用。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件6LSI分为通用型和专用型两大类。通用型LSI是指已被定型的标准化、系列化产品。各种型号的存储器、微处理器等均属此类。专用型LSI是指为某种特殊用途而专门设计制作的功能块，只

能使用在一些专用场所或设备中。本章仅简要介绍存储器和可编程逻辑器件。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件78.2半导体存储器半导体存储器（简称存储器）是一种能存储大量二值信息或数据的半导体器件。它可

以存储用户程序以及实时数据等多种信息。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件8存储器分类按读写功能分为：只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）和随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）。按在计算机系统中的作用分为：主存储器（内存）、辅助存储器（外

存）和高速缓冲存储器。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件9按信息的可保存性分为：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器在系统关闭时会失去存储的信息，它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的RAM都属于此类。非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息，如ROM半导体存储器、

磁介质或光介质存储器。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件10半导体存储器按读写功能分类时的详细情况如下图所示：半导体存储器ROM固定ROM（又称掩膜ROM）可编程ROM可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）电子可擦除EPROM（E2P

ROM）快闪存储器RAM静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）第8章半导体存储器和可编程逻辑器件11对存储器的操作（也称为访问）通常分为两类：读操作和写操作。读操作是从存储器中取出其存储信息的过程；写操作是把信息存入到存储器的过程。

第8章半导体存储器和可编程逻辑器件128.2.1存储器的主要技术指标存储器的技术指标包括存储容量、存取速度、可靠性、功耗、工作温度范围和体积等。其中存储容量和存取速度为其主要指标。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件1

31.存储容量1.存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量，单位为位或比特（bit）。存储器中的一个基本存储单元能存储1bit的信息，也就是可以存入一个0或一个1，所以存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。第8章半导体存储

器和可编程逻辑器件14一个内有8192个基本存储单元的存储器，其存储容量为8Kbit（1K=210=1024）；这个存储器如果每次可以读（写）8位二值码，说明它可以存储1K个字，每字为8位，这时的存储容量也

可以用1K8位来表示。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件152.存取速度存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始，到取出或存入数据为止所需的时间，其上限值称为最大存取时间。存取时间的大小反映了存储速度的快慢。存取时间越短，则存取速度越快。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件1

68.2.2随机存取存储器随机存取存储器RAM，又称为读写存储器。在工作过程中，既可从RAM的任意单元读出信息，又可以把外部信息写入任意单元。因此，它具有读、写方便的优点，但由于具有易失性，所以

不利于数据的长期保存。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件17根据存储单元工作原理的不同，RAM可分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类。SRAM的数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能保存，但其集成度受到限制。DRAM一般采用MOS管的栅极电容来存储信息，必须

由刷新电路定期刷新，但集成度高。SRAM速度非常快，但其价格较贵。DRAM的速度比SRAM慢，不过它比ROM快。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件181.RAM的结构RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路3部分组成，其结构框图如图所示。第8章半导体存

储器和可编程逻辑器件19存储矩阵由若干个存储单元组成。在译码器和读/写控制电路的控制下，既可以对存储单元写入信息，又可以将存储单元的信息读出，完成读/写操作。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件20地址译码器包括行地址

译码器和列地址译码器。行地址译码器从存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器从存储矩阵中选中列存储单元，从而使得行与列均被选中线的交叉处的存储单元与输入/输出线接通。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件21读/写控制电路用于对

电路的工作状态进行控制。当读/写控制信号为高电平时，执行读操作；当读/写控制信号为低电平时，执行写操作。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件22下图所示为2114RAM的结构框图。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件232114RAM的工作模式第8章半导体存储器和可编程

逻辑器件242.静态存储单元RAM的存储单元分为静态存储单元和动态存储单元两种。静态存储单元是在静态触发器的基础上附加控制电路而构成的。由于使用的器件不同，静态存储单元又分为MOS型和双极型两类。由于CMOS集成电路最显著的特点是静态功耗小，因此

其存储单元在RAM中得到了广泛应用。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件256管CMOS静态存储单元V1、V2和V3、V4组成的基本RS触发器，用以存储二值信息。V5、V6、V7和V8为门控管。当X、Y都为1时，门控管导通，此单元被

选中，并与数据线接通，可以执行读/写操作。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件263.动态存储单元静态存储单元存在的问题：1）是靠触发器来存储数据的，功耗较大。2）由于每个单元要用多个管子，芯片的面积较大。为提高集成度、减小芯片尺寸、降低功耗，常利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来

组成动态存储器，以构成动态MOS存储单元。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件274管动态存储单元（1）电路组成数据信息以电荷的形式存储在栅极电容C1和C2上，它们的电压控制V1和V2的导通和截止，以决定存储单元存储1或存储0。V5、V6是位线上分布电容预充

电的门控开关。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件28（2）工作原理1）读操作读操作开始时，在V5、V6管的栅极上加预充电脉冲，则充电到高电平。,BBCC当X、Y同时为高电平时，则V3、V4、V7和V8同时导通。

第8章半导体存储器和可编程逻辑器件29假设存储单元为0状态，即V1导通，V2截止，D1输出为0，D2输出为1，这时CB放电，使位线B变为低电平。同时，另一位线保持高电平不变。这样，就把存储单元的状态数据线D上。位线的预充电非常重要。00第8

章半导体存储器和可编程逻辑器件302）写操作写操作时，当X、Y同时为高电平，数据线上的数据通过V7和V8管传到位线上，再经过V3、V4管将数据存入C1和C2中。11100第8章半导体存储器和可编程逻辑器件318.2.3只读存储器只读存储器ROM是存

储固定信息的存储器件，在正常工作时ROM存储的数据固定不变，只能读出，不能随时写入，故称为只读存储器。ROM为非易失性器件，当器件断电时，所存储的数据不会丢失。只读存储器按数据的写入方式分为固定ROM、可编程ROM（PROM）

和可擦除可编程ROM（EPROM）。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件32固定ROM所存储的数据已由生产厂家在制造时用掩模板确定，用户无法进行更改，所以也称掩模编程ROM。可编程ROM在出厂时，存储内容全为1或全为0，用户根据自己的需要进行编

程，但只能写入一次，一旦写入则不能再修改。EPROM具有较强的灵活性，它存储的内容既可按用户需要写入，也可以擦除后重新写入。包括用紫外线擦除的PROM、电信号擦除PROM和快闪存储器。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件331.ROM的结构

ROM具有与RAM相似的电路结构，一般而言，它由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器3部分组成。ROM存储单元可以由二极管、双极型晶体管或者MOS管构成。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件34（1）二极管ROM的电路组成具有2位地址输入和4位字长数据输出的二极管ROM电

路如图所示。D0～D3：位线（数据线）A1、A0：地址线W0～W3：字线输出端采用三态缓冲器第8章半导体存储器和可编程逻辑器件35（2）二极管ROM读操作存储数据表00W0=1D’0=1D’3=0第8章半导体存储器

和可编程逻辑器件36在存储矩阵中字线与位线的每一个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接有二极管相当于存储1，没有接二极管则相当于存储0，经输出缓冲器后状态被反相。在存储矩阵中，交叉点的数目也就是存储单元数，即为存储容量。图8-6

中存储器的存储容量为22×4。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件372.可编程ROMPROM出厂时，制作的是一个完整的二极管或晶体管存储矩阵，图中所有的存储单元相当于全部存入1。在编程时，如果需要某存储单元存

入0，可通过编程器熔化该存储单元的熔丝。PROM为一次性编程器件，一旦编程后不可再进行修改。PROM的原理框图第8章半导体存储器和可编程逻辑器件383.EPROM当需要对ROM进行多次编程时，可采用的器件为可擦除可编

程ROM，即EPROM。EPROM一般指用紫外线擦除的可编程ROM（UVEPROM）EPROM芯片的封装外壳通常装有透明的石英盖板。不装透明石英盖板EPROM，只能写入一次，也称一次性编程存储器OTPROM。第8章半导体存储器和可编程逻

辑器件394.E2PROMUVEPROM其擦除操作复杂、需离线进行，并且擦除速度慢。E2PROM可以用电信号擦除，而可在线重新写入，并且也具有非易失性。E2PROM其擦除和写入的时间仍很长，芯片正常工作时仍只能用作ROM。第8章半导体存储器和可编

程逻辑器件405.快闪存储器闪存是目前最常见的EPROM，它已广泛用于计算机主板、显卡及网卡等扩展卡的BIOS存储器上。而现在各种邮票尺寸的存储卡，包括CF，SM，MMC，MS，还有各种钥匙链大小的USB移动硬盘/USBDrive/优盘，内部用的都是闪存。闪存采用快闪

叠栅MOS管作为存储单元。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件416.ROM的应用举例由于ROM是一种组合逻辑电路，因此可以用它来实现各种组合逻辑函数，特别是多输入、多输出的逻辑函数。设计方法1)列出

其真值表或将表达式转换成最小项的和的形式2)将ROM地址线作为输入，数据线作为输出，根据表达式接入存储器件。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件42例8-1用ROM实现以下多输出函数，并画出其存储矩阵连接图。0123YACABCDYAB

CBCDABCDYABCABCDYCDABC第8章半导体存储器和可编程逻辑器件43（1）选用合适的ROM多输出函数：4个输入变量和4个输出变量选用24×4位的ROM来实现该电路。0123YACABCDYABCBCDABCDYABCABCDYCDABC

第8章半导体存储器和可编程逻辑器件44（2）将函数表示成最小项的和的形式02367111234712211415337891115(,,,)()(,,,)()(,,,)()(,,,)()Y

ABCDmmmmmYABCDmmmmmYABCDmmmYABCDmmmmmm第8章半导体存储器和可编程逻辑器件45（3）画出ROM存储矩阵连接图02367111234712211415337891115(,,,)()(,,,)()(,

,,)()(,,,)()YABCDmmmmmYABCDmmmmmYABCDmmmYABCDmmmmmm以圆点代替存储器件，当接入存储器件时代表存入1，未接入器

件代表存入0。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件468.2.4存储器扩展当存储器的存储容量不能满足设计要求时，则需要对存储器进行扩展。存储器扩展包括位扩展和字扩展两种方式。位扩展是对数据线数目进行扩展。字扩展是对地址线数目进行扩展。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件471.存储器位扩展

当存储器数据位数不满足要求时，需对其进行位扩展，即增加I/O线数量。位扩展方法1）将其读/写信号控制线、片选线和地址线连接在一起。2）将数据线并行输出。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件48例8-2276

4为8K×8位EPROM。试用2764存储器设计一片8K×16位的EPROM。两者具有相同数量的地址线后者的数据线比前者多1倍。因此采用2片2764进行位扩展，便可获得所需要的EPROM。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件492片2764EPROM实现位扩展接线图第8

章半导体存储器和可编程逻辑器件502.存储器字扩展当存储器的地址线数量不能满足设计要求时，可采用字扩展方式，即增加地址线数量。字扩展方法1）将各芯片数据线、读/写控制线、低位地址线连接在一起2）要增加的高位地址线，通过译码电路进行译码后分别接至各片的片选控制端3)位线连接在一起第8章半导体存储

器和可编程逻辑器件51例8-3试用图2764设计一片16K×8位EPROM。扩展电路接线图第8章半导体存储器和可编程逻辑器件523.存储器字和位同时扩展当存储器的地址线和数据线数量均不能满足设计要求时，可同时对其进行字和位的扩展。例8-42114是1K×4位

SRAM。试用该器件设计一片2K×8的SRAM。所设计的SRAM地址线和数据线比2114都分别多一根。因此，需进行字和位的同时扩展。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件534片2114实现字和位扩展的接线图2114：1K×4如何设计4K×4第8章半导体存储器和可编程逻辑器件54

8.2.5存储器的综合应用EPROM在数字系统设计中多用来作为程序存储器，RAM多用作数据存储器。下图为某脉冲计数控制器的原理框图。采用单片机作为CPU采用6位数码管显示计数或设置的脉冲数E2PROM被用于记录设置的参数。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件55系统首先从存

储器中读取设置的数据，并转存到内部RAM中实时计数输出的脉冲，并与设置值进行比较，当计数脉冲到达设置的数据时，输出口输出控制脉冲（或电平）。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件568.3可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）是一种由用户编程以实现某种逻辑功

能的逻辑器件。PLD先后出现了PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA等多种品种。用PLD设计的数字系统具有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点，目前很多数字系统都采用了PLD器件。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件57分类根据集成

度，PLD分为低密度PLD和高密度PLD两大类。低密度PLD的集成密度一般小于每片700个等效门，它主要包括PROM、PLA、PAL和GAL等器件；高密度PLD一般指集成度大于1000门/片的PLD，如EPLD，CPLD和FPGA。第8章

半导体存储器和可编程逻辑器件588.3.1低密度PLD低密度PLD的基本电路结构框图输入电路为输入缓冲器与阵列产生乘积项；或阵列产生乘积项之和形式的函数；输出电路用于驱动负载，同时构成反馈。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件59输出

结构输出结构可以是组合结构、时序结构和可编程结构，以实现各种组合逻辑和时序逻辑功能。类型阵列输出方式与或PROM固定可编程固定PLA可编程可编程固定PAL可编程固定固定GAL可编程固定可编程第8章半导体存储器和可编程逻辑器件601.可编程逻辑阵列PLAPLA具有体积小、速

度快的优点，但编程周期较长，而且是一次性的。由于这种器件的资源利用率低，现在已经不常使用了。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件612.可编程阵列逻辑PALPAL由可编程与阵列和固定的或阵列以及输出逻辑3部分组成。PAL具有4

种输出方式第8章半导体存储器和可编程逻辑器件623.通用阵列逻辑GAL采用了电擦除、电可编程的E2PROM工艺制作。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC，通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式。第8章半导体

存储器和可编程逻辑器件63GAL16V8电路结构它内部包含一个3264位的可编程与逻辑阵列，8个输出逻辑宏单元，10个输入缓冲器，8个三态输出缓冲器和8个反馈/输入缓冲器。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件64OLMC的结构框图OLMC中的或门完成或操作，有8个输入

端，固定接收来自“与”逻辑阵列的输出，门输出端只能实现不大于8个乘积项的与或逻辑函数；或门的输出信号送到一个受XOR（n）信号控制的异或门，完成极性选择第8章半导体存储器和可编程逻辑器件658.3.2高密度PLD高密度PLD一般是指复杂可编程器件（ComplexPro

grammableLogicDevice，CPLD）和现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件661.CPLDCPLD包括高密度CPLD和低密度CPLD两种。在系统可编程逻辑器件（ispPLD）将编程器的写

入和擦除控制电路以及高压脉冲发生电路集成到了PLD芯片内部，这样编程时就不需要编程器，只需要一根连接芯片和计算机的电缆，通过计算机软件，就可以把熔丝图文件写入芯片，实现在系统编程。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件67ISP器件分为低密度ISP和高密度ISP两大类。性能参数isp

LSI1016ispLSI1024ispLSI1032ispLSI1048PLD门数2000400060008000宏单元数6496256192寄存器数96144192288输入/输出数365472106/110第8章半导体存储器

和可编程逻辑器件68ispLSI的电路结构ispLSI1016是以下部分组成：16个通用逻辑块32个输入输出单元集总布线区2个可编程输出布线区编程控制电路第8章半导体存储器和可编程逻辑器件69ispLSI

的引脚图典型的CPLD器件除了有Lattice的ISP器件外，还有Altera公司的MAX9000系列等器件。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件702.FPGA现场可编程门阵列FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件，其集成密度达1000万门/片

以上，系统速度可达300MHz。由于FPGA器件具有集成度高、编程速度快、设计灵活及可再配置等特点，因此，在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件71FPGA基本结构图FPGA由以下3部分组成：可配置逻辑块（CLB）输入/

输出模块（IOB）互连资源（IR）第8章半导体存储器和可编程逻辑器件723.FPGA和CPLD的开发应用选择1)根据对芯片速度的要求进行选择。2)根据对器件功耗的要求进行选择。3)根据产品规模的不同进行选择。4)从使用方便角度进行选择。5)根据加密要求

进行选择。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件738.3.3PLD设计流程基于PLD器件的系统设计主要包括设计分析、设计输入、设计处理、设计仿真、器件编程等几个主要步骤。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件74设计分析：根据PLD开发环境及设计要求进行分析，选择合适的设计方案和器件型号。设

计输入是指将设计的方案输入到计算机的开发软件中的过程。设计处理是对设计输入文件进行编译、优化和综合、分配等的处理，最后以生成供PLD器件下载编程或配置使用的数据下载文件。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件75设计

仿真：对上述逻辑设计进行功能仿真和时序仿真，以验证设计逻辑是否满足设计要求。器件编程是将设计处理生成的文件下载到器件，以完成设计要求。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件76补充：硬件描述语言硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，HDL)是一种对数字电路

和系统进行性能描述和模拟的语言。HDL的设计和仿真，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的缺陷。第8章半导体

存储器和可编程逻辑器件77两种被普遍使用的语言：VHDL（VeryhighspeedICHardwareDescriptionLanguage）／，Verilog－HDL。VHDL诞生于1982年，1987年底被IE

EE和美国国防部确认为标准硬件描述语言，1992年该标准被修订为IEEE1076标准。目前，VHDL得到众多EDA公司的支持。VHDL参见教材附录B。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件78VHDL语言的基本结构一个相对完整的VH

DL设计由以下几个部分组成：（1）库(LIBRARY)，程序包（PACKAGE)；（2）实体(ENTITY)；（3）结构体(ARCHITECTURE)；（4）配置(CONFIGURATION)。四个部分中，只有一个

实体和相对应的结构体是必须的。第8章半导体存储器和可编程逻辑器件79LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.all;USEieee.std_logic_arith.all;ENTITYadderISPORT(op1,op2:INUNSIG

NED(7downto0);result:OUTINTEGER);ENDadder;ARCHITECTUREmaxpldOFadderISBEGINresult<=CONV_INTEGER(op1+op2);ENDmaxpld;库实体结构体第8章半导体存储器和可编程逻辑器件80本

章小结半导体存储器的分类及主要特点存储器主要技术指标：存储容量（地址线、数据线）。存储器存储容量的扩展：字扩展、位扩展、字位扩展。用存储器实现组合逻辑函数了解PLD及VHDL