存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列(第).ppt

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1、第第第第7 7章章章章 存储器、复杂可编程存储器、复杂可编程存储器、复杂可编程存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列学习要点：学习要点：半导体存储器的分类方法半导体存储器的分类方法ROM、RAM的电路结构和工作原理的电路结构和工作原理CPLD和和FPGA的基本结构的基本结构7.1 只读存储器（只读存储器（ROM）7.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.3 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLD）7.4 现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（FPGA）第第第第7 7章章章章 存储器、复杂可编程存储器、复杂可编

2、程存储器、复杂可编程存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列器件和现场可编程门阵列退出退出7.1 只读存储器只读存储器（ROM）7.1.1 ROM的定义与基本结构的定义与基本结构7.1.2 二维译码二维译码7.1.3 可编程可编程ROM7.1.4 集成电路集成电路ROM7.1.5 ROM的读操作与定时图的读操作与定时图7.1.6 ROM应用举例应用举例退出退出存储器的分类存储器的分类RAM：在工作时既能从中读出（取出）信息，又能随时：在工作时既能从中读出（取出）信息，又能随时 写入（存入）信息，但断电后所存信息消失。写入（存入）信息，但断电后所存信息

3、消失。ROM：在工作时只能从中读出信息，不能写入信息，且：在工作时只能从中读出信息，不能写入信息，且断电后其所存信息在仍能保持。断电后其所存信息在仍能保持。根据使用功能不同，可分为：根据使用功能不同，可分为：根据存储机理不同，根据存储机理不同，RAM又可分为：又可分为：静态静态RAM（SRAM)和和动动态态RAM(DRAM)ROM器件根据器件根据制造工艺制造工艺不同分为：不同分为：二极管二极管ROM、双极型、双极型ROM和和MOS型型ROMROM器件根据存储内容的器件根据存储内容的存入方式存入方式不同分为：不同分为：固定固定ROM和可编程和可编程ROM(PROM)可编程可编程ROM又可分为：又

4、可分为：一次可编程存储器一次可编程存储器PROM光可擦除可编程存储器光可擦除可编程存储器EPROM电可擦除可编程存储器电可擦除可编程存储器E2PROM快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)IC卡、存储卡、卡、存储卡、U盘、盘、MP3等等7.1.1 ROM的定义与基本结构的定义与基本结构存储阵列存储阵列地地址址译译码码器器输出控制电路输出控制电路地地址址输输入入控制信号输入控制信号输入数据输出数据输出由大量存储单元由大量存储单元构成的矩阵构成的矩阵用以决定访问用以决定访问哪个字单元哪个字单元控制输出控制输出三态缓冲电路三态缓冲电路的状态的状态读出数据读出数据的通道的通道A1A0Y0Y1

5、Y2Y32线线-4线线译码器译码器+5VRRRRA1A0D3D2D1D0OE字线字线字线字线位线位线位线位线存储阵列存储阵列输出控制电路输出控制电路ROM结构示意图结构示意图001 0 1 1011 1 0 1100 1 0 0111 1 1 01高高高高 阻阻阻阻0地址地址译码器译码器7.1.2 二维译码二维译码A3A2A1A0Y0Y14线线|16线线译译码码器器+VDDRRRRD0A7A6A5A4Y14Y15 S3S2S1S0I15I14I1I0A3I15I14I1I016线线-1线数据选择器线数据选择器YA2A1A0000100010 00 00 00 00 00 00 01 10 00

6、 00 01 1用用MOS管构成存储单元的管构成存储单元的ROM结构示意图结构示意图7.1.3 可编程可编程ROMROM器件根据存储内容的存入方式不同分为：器件根据存储内容的存入方式不同分为：固定固定ROM和可编程和可编程ROM可编程可编程ROM又可分为：又可分为：一次可编程存储器一次可编程存储器PROM（存储阵列由带金属熔丝的二极管（存储阵列由带金属熔丝的二极管构成）构成）光可擦除可编程存储器光可擦除可编程存储器EPROM（存储阵列由（存储阵列由SIMOS管构成）管构成）电可擦除可编程存储器电可擦除可编程存储器E2PROM（存储阵列由（存储阵列由Flotox MOS管管构成）构成）快闪存储器

7、（存储阵列由快闪叠栅快闪存储器（存储阵列由快闪叠栅MOS管构成）管构成）固定固定ROM是利用掩模技术把数据写入存储器中（即构建存是利用掩模技术把数据写入存储器中（即构建存储阵列中字线与位线交叉处二极管的有、无），一旦制成，储阵列中字线与位线交叉处二极管的有、无），一旦制成，存储数据无法改写存储数据无法改写快闪存储器快闪存储器ROMEPROME2PROM非易失性非易失性是是是是是是是是高密度高密度是是是是是是否否否否单管存储单元单管存储单元是是是是是是否否否否在系统可写在系统可写是是否否否否否否否否是是几种几种ROM性能比较性能比较7.1.4 集成电路集成电路ROMX译码译码Y译译码码控制逻辑控

8、制逻辑存储阵列存储阵列Y选通选通输出缓冲器输出缓冲器OECEPGMA16A0D7D0VCCGNDVPPAT27C010内部结构框图内部结构框图工作模式工作模式CEOEPGMA16A0VPPD7D0读读00Ai数据输出数据输出输出无效输出无效1高阻高阻等待等待1Ai高阻高阻快速编程快速编程010AiVPP数据输入数据输入编程校验编程校验001AiVPP数据输出数据输出AT27C010的工作模式的工作模式AT27C010的读操作定时图的读操作定时图7.1.5 ROM的读操作与定时图的读操作与定时图地址存取时间地址存取时间片选存取时间片选存取时间输出使能时间输出使能时间输出保持时间输出保持时间输出失

9、效时间输出失效时间7.1.6 ROM应用举例应用举例用用ROM实现二进制码与实现二进制码与格雷码相互转换电路格雷码相互转换电路A4A3A2A1A0CEOE C I3 I2 I1 I0D3D2D1D0O3O2O1O0ROMC(A4)I3 I2 I1 I0(A3 A2 A1 A0)二进制码二进制码O3 O2 O1 O0(D3 D2 D1 D0)格雷码格雷码C(A4)I3 I2 I1 I0(A3 A2 A1 A0)二进制码二进制码O3 O2 O1 O0(D3 D2 D1 D0)格雷码格雷码00000000000000000 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0

10、 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 01 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 011111111111111110 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11

11、1 1 01 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 10 1 1 00 1 0 00 1 0 11 1 1 11 1 1 01 1 0 01 1 0 11 0 0 01 0 0 11 0 1 11 0 1 0ROM中的内容中的内容7.2 随机存取存储器随机存取存储器（RAM）7.2.1 静态随机存取存储器静态随机存取存储器退出退出7.2.2 同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器7.2.3 动态随机存取存储器动态随机存取存储器7.2.4 存储容量的扩展存储容量的扩展7.2.1 静态随机存取存储器静态随机存取存储器存储阵列存储阵列列译码列译码I/O电

12、路电路行行译译码码I/O0I/Om1Ai+1An1CEWEOEAiA0 1、SRAM的基本结构及输入输出的基本结构及输入输出RAM的结构框图的结构框图工作模式工作模式CEWEOEI/O0 I/Om1保持保持(微功耗微功耗)1高阻高阻读读010数据输出数据输出写写00数据输入数据输入输出无效输出无效011高阻高阻SRAM的工作模式的工作模式2 2、SRAM存储单元存储单元D数数据据线线Yj（列选择线）（列选择线）位位线线数数据据线线Xi（行选择线）（行选择线）DBB位位线线VDDVGGT1T2T5T6T3T4T7T8存储存储单元单元SRQQ7.2.2 同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器

13、1、SSRAM的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理7.2.3 动态随机存取存储器动态随机存取存储器1、DRAM存储单元存储单元动态存储单元及基本操作原理动态存储单元及基本操作原理+C刷新缓冲器刷新缓冲器输出缓输出缓冲器冲器/灵敏放大器灵敏放大器位位线线B输入缓输入缓冲器冲器刷新刷新R行选线行选线XDO读读/写写WEDI存储存储单元单元2 2、DRAM的基本结构和操作时序的基本结构和操作时序DRAM的基本结构的基本结构存储阵列存储阵列输入输入/输出输出缓冲器及灵缓冲器及灵敏放大器敏放大器行行译译码码列列译译码码数数据据选选择择器器刷新刷新计数器计数器行地址行地址寄存器寄存器刷新控制刷新控制及

14、定时及定时列地址列地址寄存器寄存器行地址选通行地址选通RAS列地列地址选通址选通CAS读读/写写WE输出使能输出使能OE地址地址A RAM是是由由许许许许多多多多的的基基本本寄寄存存器器组组合合起起来来构构成成的的大大规规模模集集成成电电路路。RAM中中的的每每个个寄寄存存器器称称为为一一个个字字，寄寄存存器器中中的的每每一一位位称称为为一一个个存存储储单单元元。寄寄存存器器的的个个数数（字字数数）与与寄寄存存器器中中存存储储单单元元个个数数（位位数数）的的乘乘积，叫做积，叫做RAM的容量。的容量。按按照照RAM中中寄寄存存器器位位数数的的不不同同，RAM有有多多字字1位位和和多多字字多多位位

15、两两种种结结构构形形式式。在在多多字字1位位结结构构中中，每每个个寄寄存存器器都都只只有有1位位，例例如如一一个个容容量量为为10241位位的的RAM，就就是是一一个个有有1024个个1位位寄寄存存器器的的RAM。多多字字多多位位结结构构中中，每每个个寄寄存存器器都都有有多多位位，例例如如一一个个容容量量为为2564位位的的RAM，就就是是一一个个有有256个个4位位寄寄存存器器的的RAM。容量为容量为2564 RAM的存储矩阵的存储矩阵存储单元存储单元1024个存储单元排成个存储单元排成32行行32列的矩阵列的矩阵每根行选择线选择一行每根行选择线选择一行每根列选择线选择一个字列每根列选择线选

16、择一个字列Y11，X21，位于，位于X2和和Y1交叉处的交叉处的字单元可以进行读出或写入操作，而字单元可以进行读出或写入操作，而其余任何字单元都不会被选中。其余任何字单元都不会被选中。地地址址的的选选择择通通过过地地址址译译码码器器来来实实现现。地地址址译译码码器器由由行行译译码码器器和和列列译译码码器器组组成成（即即双双译译码码结结构构）。行行、列列译译码码器器的的输输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。2564 RAM存储矩阵中，存储矩阵中，256个字需要个字需要8位地址码位地址码A7A0。其中高其中高3位位A7A5用于列

17、译码输入，低用于列译码输入，低5位位A4A0用于行译码输用于行译码输入。入。A7A0=00100010时，时，Y1=1、X2=1，选中，选中X2和和Y1交叉的字交叉的字单元。单元。43210000101 0 0I/OR/WG1G2G3G5G4DDCS输入输入/输出控制电路输出控制电路当当CS=1时，时，G5、G4输出为输出为0，三态门，三态门G1、G2、G3处于高阻处于高阻状态，状态，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作写操作当当CS=0时，该存储器被选通，则根据时，该存储器被选通，则根据R/W进行读进行读/写操作写操作当当R/W=1时，时，G

18、5输出高电平，输出高电平，G3被打开，对被选中的单元进被打开，对被选中的单元进行读操作；行读操作；当当R/W=0时，时，G4输出高电平，输出高电平，G1、G2被打开，对被选中的单被打开，对被选中的单元进行写操作；元进行写操作；1101001100010 07.2.4 存储容量的扩展存储容量的扩展将地址线、读写线和将地址线、读写线和片选线对应地并联在一起片选线对应地并联在一起输入输出（输入输出（I/O）分开）分开使用作为字的各个位线使用作为字的各个位线位位扩扩展展由由8片片1K1实现实现1K8字字扩扩展展输入输出（输入输出（I/O）线并联）线并联要增加的地址线要增加的地址线A10A12与译码器的

19、输入相连，与译码器的输入相连，译码器的输出分别接至译码器的输出分别接至8片片RAM的片选控制端的片选控制端由由8片片1K4实现实现8K4随随机机存存取取存存储储器器（RAM）可可以以在在任任意意时时刻刻、对对任任意意选选中中的的存存储储单单元元进进行行信信息息的的存存入入（写写入入）或或取取出出（读读出出）操操作作。与与只只读读存存储储器器ROM相相比比，RAM最最大大的的优优点点是是存存取取方方便便，使使用用灵灵活活，既既能能不不破破坏坏地地读读出出所所存存信信息息，又又能能随随时时写写入入新新的的内内容容。其其缺缺点点是是一一旦旦停停电电，所存内容便全部丢失。所存内容便全部丢失。RAM由由存存储储矩矩阵阵、地地址址译译码码器器和和输输入入输输出出控控制制电电路路组组成成。实实际际上上RAM是是由由许许许许多多多多的的基基本本寄寄存存器组合起来构成的大规模集成电路。器组合起来构成的大规模集成电路。当当单单片片RAM不不能能满满足足存存储储容容量量的的要要求求时时，可可以以把把若若干干片片RAM联联在在一一起起，以以扩扩展展存存储储容容量量，扩扩展展的的方方法法有有位位扩扩展展和和字字扩扩展展两两种种，在在实实际际应应用用中中，常常将将两两种方法相互结合来达到预期要求。种方法相互结合来达到预期要求。本节小结本节小结