第 8 章 半导体存储器与可编程器件

1. 第8章 半导体存储器与可编程器件 8.1 半导体存储器 8.2 可编程器件

2. 8.1 半导体存储器 • 半导体存储器是能够存储大量二值信息的半导体器件，具有容量大、存取速度快、耗电低、体积小、使用寿命长等优点而被广泛应用。 • 根据存取功能的不同，半导体存储器可分为只读存储器（Read Only Memory，简称ROM）和随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）。 • 根据制造工艺的不同，存储器分为双极型和MOS型。 • 衡量存储器性能的指标包括存储容量和存取时间。存储容量一般用存储的字数和每个字所含位数的乘积表示；存取时间反映存储器工作速度的快慢。

3. 8.1.1 只读存储器ROM • 只读存储器的特点是只能读出、不能写入。ROM分为掩模ROM（masked ROM）、可编程ROM（Programmable ROM，简称PROM）、可擦除的可编程ROM（Erasable Programmable ROM，简称EPROM）。 • 1.掩模ROM • 掩模ROM是采用掩模工艺制成的ROM。包括存储矩阵、地址译码器、输出缓冲器三部分组成。

4. 存储矩阵由存储单元组成，一个存储单元可以存放一位二进制代码。存储单元可以由二极管、双极型三极管或MOS管构成。存储矩阵由存储单元组成，一个存储单元可以存放一位二进制代码。存储单元可以由二极管、双极型三极管或MOS管构成。 • 地址译码器将输入的地址转换为相应的控制信号，并以此从存储矩阵指定单元中选出数据送至输出缓冲器。 • 输出缓冲器在提高存储器带负载能力的同时，实现对输出状态的三态控制。 • 下图为二极管组成的ROM电路，具有两位地址输入、四位数据输出。地址译码器由二极管与门构成，存储矩阵由二极管组成的编码器构成。输出一个代码称为一个“字”。

5. 字线与位线的交叉点都存放了 • 数据。接有二极管的交叉点存 • 放1，未接二极管的交叉点存放 • 0。交叉点的数目就是存储单元 • 数。用存储单元的数目表示存 • 储器的存储量（容量），表示成 • “字数╳位数”的形式。为了简化 • 作图，也可以画出存储矩阵的结 • 点连接图，在存储矩阵的交叉点 • 上画一个圆点，代替存储器件。

6. 2.可编程ROM • 以双极型PROM为例，它有两种结构：熔丝烧断型PROM和PN结击穿型PROM。 • 下图为熔丝烧断型PROM存储单元原理图，由三极管和熔丝组成。在写入数据时只需将要存入0的存储单元上的熔丝烧断即可。 • 熔丝一经烧断，不能再恢复，所以它只能写入一次，仍无法满足经常修改存储单元内容的需要，这就产生了可以擦除重写的ROM。

7. 3．可擦除的可编程ROM • 可擦除的可编程ROM，即EPROM。EPROM可分为：紫外线擦除的可编程ROM（Ultra Violet Erasable Programmable ROM，简称UVEPROM）、电可擦除的可编程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，简称EEPROM或E2PROM）。 • UVEPROM写入新信息之前必须进行擦除，而且是整体擦除，无法对单个存储单元分别进行擦除，擦除速度较慢、操作复杂。 • EEPROM的存储单元采用了浮栅隧道氧化层MOS管（Floatiing gate Tunnel Oxide，简称Flotox管），存储单元的工作状态状态可以分为读出、写入、擦除三种，根据Flotox管中浮置栅Gf上是否有存储电荷来区分。 • 由于EEPROM擦除和写入时需要加高电压信号（20V，正常高电平5V），同时存储单元仍然使用两只MOS管，工作时间较长、限制了集成度的进一步提高。 • 快闪存储器具有结构简单、编程可靠、擦除快捷、集成度高的优点。

8. 8.1.2 随机存储器RAM • 随机存储器也称为随机读/写存储器，工作时可以随时从指定地址读出数据、或将数据写入指定存储单元中。读写方便、使用灵活。但一旦掉电，存储的数据将丢失。 • RAM可以分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。 • SRAM由存储矩阵、地址译码器、读/写控制电路组成。

9. 8.1.3 存储器容量的扩展 • （1）位扩展 将4片1024（210）×1位的RAM连接，组成1024×4位的RAM。

10. （2）字扩展 一片RAM的容量是256（28）×8位，需要1024（210）×8位的容量时，需将4片RAM连接。

11. 字扩展后RAM的地址分组

12. 8.1.4 存储器实现组合逻辑函数 • 【例8．1】利用ROM完成8421BCD码到余3码的转换。 解 设8421BCD码为A3A2A1A0，余3码为Y3Y2Y1Y0，二者之间的对应关系见表8.2 。根据此表，列出余3码四位输出的最小项之和表达式。 具体实现电路如下

14. 8.2 可编程器件 • 早期PLD主要用于解决数字系统中的存储问题，后来逐渐扩大到数字逻辑应用。主要经历了以下发展过程： • （1）早期可编程逻辑器件。 • （2）稍复杂的可编程芯片。PLD组成框图如下 • 这一阶段的主要产品主要包括：可编程逻辑阵列（简称PLA）、可编程阵列逻辑（简称PAL）、通用阵列逻辑（简称GAL）。以上各种器件内部与阵列、或阵列编程的情况如表8.3所示。

15. （3）上世纪80年代中期，出现了类似于PAL结构的复杂可编程逻辑器件（简称CPLD）和与标准门阵列类似的现场可编程门阵列（简称FPGA）。它们体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、应用范围广；兼容了PLD和通用门阵列的特点，可以实现大规模电路，替代几十甚至上百IC芯片，可以实现方便编程工作。在数字系统设计领域占据了重要位置，广泛应用于产品设计过程中。（3）上世纪80年代中期，出现了类似于PAL结构的复杂可编程逻辑器件（简称CPLD）和与标准门阵列类似的现场可编程门阵列（简称FPGA）。它们体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、应用范围广；兼容了PLD和通用门阵列的特点，可以实现大规模电路，替代几十甚至上百IC芯片，可以实现方便编程工作。在数字系统设计领域占据了重要位置，广泛应用于产品设计过程中。 • 由于PLD阵列规模较大，在对PLD内部电路进行描述时若采用通常的逻辑电路表示方法会带来许多不便，所以在描述PLD时采用简化的方法，见下图。 • 同时PLD中由于与项较多，也经常使用简化表示方法如下

16. 8.2.1 可编程阵列逻辑（PAL） • PAL与阵列可编程、或阵列固定。下图为3输入、3输出的PAL的基本结构图。它具有3个输入端、3个输出端、6个乘积项。可以实现一组三个3变量的逻辑函数。

17. 对PAL与阵列编程实现一组函数：

18. 1．PAL器件的输出及反馈结构 • （1）固定输出结构 固定输出结构是最简单的一种输出结构，可以实现简单的组合逻辑电路功能。 • （2）异步I/O输出结构 固定输出结构只能实现简单的组合逻辑电路，如果输出端同时能够作为输入端使用，需要采用异步I/O输出结构。 • （3）带异或门的输出结构 异或门电路具有一个特点：当一个输入为0时，电路输出等于另一个输入；当一个输入固定为1时，电路输出为另一个输入的“非”。所以，当一个逻辑函数的与项较多时，若使用其反函数来实现，则与项个数较少。这种输出结构的引入，使用原函数较难实现的电路可用反函数实现。 • 除此之外，还有寄存器输出结构、运算选通反馈结构等等。

19. 2．PAL器件的命名及使用举例 • 一般PAL器件可根据输入/输出端数和输出结构、封装形式进行分类，如： • PAL16 L 8 -2 C J • ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ • ①：阵列输入数，即输入端个数。 • ②：输出方式。→ • ③：输出管脚数。 • ④：速度/功耗。→ • ⑤：温度。 • ⑥：封装形式。→

20. 【例8．2】利用PAL实现表8.4所示的2—4线译码功能。【例8．2】利用PAL实现表8.4所示的2—4线译码功能。 • 解 根据真值表可知，这是一个输出低电平有效、带使能端的2—4线译码器。 • 译码器正常工作时， ， ， ， 。 • 选用PAL16L8实现该译码功能，实现电路如下

21. 8.2.2 通用阵列逻辑（GAL） • 1．GAL器件的分类 （1）普通型GAL器件。与阵列可编程、或阵列固定。主要型号包括：GAL16V8、GAL20V8、GAL16V8B、GAL20V8A、GAL20V8B等。 • （2）通用型GAL器件。该类GAL器件与普通型GAL器件相比，简化了输出逻辑宏单元结构，扩大了阵列规模，向用户提供了两个专用乘积项（异步复位乘积项、同步置位乘积项）。使用较普通性GAL器件更加灵活。主要型号包括：GAL18V10、GAL22V10、GAL26CV12。 • （3）异步型GAL器件。其中的每一个输出逻辑宏单元OLMC中都有8个乘积项，其中的4个用于实现与或逻辑函数，另外4个作为异步复位、异步置位、时钟、输出使能。适用于实现异步时序逻辑。主要型号GAL20RA10。 • （4）FPLA型GAL器件。该类GAL器件使用了高性能的EECMOS技术，采用了FPLA（现场可编程逻辑阵列、Field PLA）结构，与阵列、或阵列均可编程。主要型号GAL6001。 • （5）在线可编程型GAL器件。具有在线编程和诊断能力，使用更加灵活。主要型号ispGAL16Z8。

22. 2．GAL器件的基本结构 • GAL16V8型GAL器件的外引线功能图如下 • GAL由以下几部分组成： （1）输入端。（2）与阵列。（3）输出宏单元。宏单元包含四部分： a．或门。实现器件的或逻辑；b．异或门。实现逻辑极性变换； c．数据选择器。共4个，可以通过编程实现器件的各种输出结构； PTMUX：乘积项多路开关。OMUX：输出多路开关。 TSMUX：三态多路开关。FMUX：反馈多路开关。 d．D触发器。储存异或门的输出信号，满足时序电路的需要。 （4）系统时钟。（5）输出三态控制端。

23. 3．GAL器件的开发工具 • 典型GAL设计流程 • GAL器件的开发工具包括硬件开发工具和软件开发工具。 硬件开发工具指编程写入器，主要作用是将开发软件生成的熔丝图文件按照JEDEC格式的标准代码写入GAL器件，实现预定的逻辑功能。可分为两类： (1)脱机式编程器；(2)扩展卡式编程器。 GAL编程软件主要包括：FM(Fast Map)、PALASMZ、ABEL、VHDL等等。ABEL是简单的硬件描述语言，支持逻辑方程、真值表逻辑描述，可进行计数器、译码器、运算电路、比较器的功能描述；VHDL语言是行为描述语言，具有较强的逻辑描述和仿真能力。

24. 8.2.3 CPLD与FPGA • 1.复杂可编程逻辑器件（CPLD） • AMD公司最早生产的带有宏单元的PAL22V10成为区分PLD的界限：若可编程逻辑器件包含的门数大于PAL22V10包含的门数，就可以认为是复杂PLD。1985年，美国Altera公司在EPROM和GAL器件的基础上，推出了可擦除可编程逻辑器件（简称EPLD），其结构与PAL、GAL器件类似，但集成度比GAL器件高的多。随之各公司纷纷推出自己的EPLD产品，并形成系列。一般来说，EPLD可以包括GAL、EEPROM、FPGA、ispLSI、ispEPLD等器件。随器件密度的增大，原来的EPLD产品已经称为CPLD。将集成度达到某一要求的PLD产品都称为CPLD。 CPLD的基本结构由可编程逻辑宏单元、可编程I/O控制模块、可编程内部连线三部分组成。 （1）可编程逻辑宏单元 （2）可编程I/O单元 （3）可编程内部连线

25. 2.现场可编程门阵列（FPGA） • 以Xilinx公司生产的FPGA为例，进行简单介绍。 • FPGA由可编程逻辑块（简称CLB）、输入/输出模块（简称IOB）、可编程互连资源（简称PIR）三种可编程电路和一个SRAM结构的配置存储单元构成。FPGA的基本结构图如下。

26. 8.2.4 在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD） • ISP（In-System Programmable）技术是Lattice公司首先提出的能够在产品设计、制造过程中和产品定型之后，仍然能够对其中的器件、电路及整个系统逻辑功能进行组态或重组的新技术。它的出现，使电子系统的工程实现中，实现了硬件设计的软件化，系统硬件可以随时进行功能修改，是可编程技术质的飞跃。ISP技术具有以下特点。 • （1）ISP技术在设计中的优越性 • （2）ISP技术在生产制造技术中的优越性 • （3）ISP器件采用了先进的EECMOS工艺 • （4）ISP技术在广泛的电子技术领域得到应用

27. 2．ISP器件分类 • 在系统可编程逻辑器件主要包括三类：ispLSI、ispGAL、ispGDS。 （1）ispLSI器件 ispLSI器件是最早问世的ISP器件，速度达180MHz，门密度可达25000个PLD门。该类产品共包括4个系列。 ispLSI器件型号描述如下所示。 ××××（××）1016××××××× ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ （2）ispGAL器件 • （2）ispGAL器件 ispGAL器件是ISP技术与GAL技术相结合的数字电路产品。ispGAL器件型号描述如下。 ××××××××××××× ① ② ③ ④ ⑤

28. （3）ispGDS器件 ispGDS（ISP Generic Didital Switch）器件的出现，意味着ISP技术已经从系统逻辑可编程领域扩展到系统互联可编程领域。它是一种ISP技术与开关矩阵结合的产品，在不拨动机械开关、不改变系统硬件的情况下，快速设置与改变电路板的连接关系。这种高性能、低功耗的可编程数字开关器件具有多种矩阵尺寸和封装形式，提供了独特的系统灵活性。利用ISP的系统编程能力和GDS开关的功能，用户可用一套电路实现多套电路的逻辑功能。 ispGDS器件型号描述见图8.20。 ×××××××××××× ① ② ③ ④