第7章新.ppt
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1、概 述,第 7 章 大规模集成电路,本章小结,随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),可编程逻辑器件(PLD),7.1 概 述,主要要求:,了解半导体存储器的作用、类型与特点。,一、用SSI和MSI构成数字系统存在的问题,从前几章所学的知识我们知道,用中规模器件实现电路比用小规模实现电路简单,但要构成一个较复杂的数字系统时,仍需多片SSI和MSI器件,因而存在着设备体积大、重量大、功耗高、成本高、可靠性差等缺点。若能把系统的全部或部分模块集成在一个芯片内,就可以有效地改善电子线路的性能。随着集成电路制造工艺的不断改进和完善,大规模集成电路也就应运而生了。,二、LSI的现状和前景,目前,
2、在单块硅片上集成十万个元件、器件的大规模集成电路已广泛应用到各种电子仪器和设备中。集成电路一进入超大规模和甚大规模阶段,如实验室用到的Altera公司的Flex10K10系列,等效门数为10000门,另外还有Flex10K100系列,等效门数为100000门。,近年来,随着电子设计自动化技术的发展,以及可编程逻辑器件的广泛应用,使电子电路设计方法和手段都得到了不断的改进和创新,也为大规模集成电路的应用开辟了新的途径。可以预见,大规模集成电路必将越来越广泛地应用于通信技术、计算机技术、自动控制技术等领域中,PLD的原理和应用是每个电子工程师必备的一门技术。大规模集成电路的制造技术和应用技术都得到
3、了飞速发展,主要表现在以下几个方面。,(1)密度越来越高,单片密度已达十万、几十万、甚至几百万门,已进入超大规模和甚大规模阶段。,(2)用户可编程且拥有多种编程技术 如isp(in-system programmable)、icr(In-Circuit Reconfigurability,在电路可重配置)。,(3)设计工具不断完善,现有的设计自动化软件即支持功能完善硬件描述语言如VHDL、Verilog等作为文本输入,又支持逻辑电路图、工作波形图等作为图形输入。,从制造工艺分,专用型:如手机芯片、电视机芯片,从逻辑功能分,PLD,CPU,单片机,三、 LSI的分类,通用型:如存储器、微处理器、
4、单片机,存储器,双极型,单极型,从应用的角度分,四、 本章主要内容 1、存储器 掌握静态RAM(SRAM)的存储原理、 使用方法。 掌握各种ROM的工作原理、使用方法。 2、了解简单PLD的结构和编程原理,为以后学习复杂可编程逻辑器件打下基础。,存储器的分类 RAM 双极型 单极型 静态 动态 ROM ROM PROM EPROM E2PROM 闪速存储器:不能取代RAM,例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在 ROM 中的。计算机接通电源后,首先运行它,对计算机硬件系统进行自检和初始化,自检通过后,装入操作系统,计算机才能正常工作。,二、半导体存储器的类型与特点,RAM 既能读出信息又
5、能写入信息。它用于存放需经常改变的信息,断电后其数据将丢失。常用于存放临时性数据或中间结果。,例如 计算机内存就是 RAM,ROM 在工作时只能读出信息而不能写入信息。它用于存放固定不变的信息,断电后其数据不会丢失。常用于存放程序、常数、表格等。,一、半导体存储器的作用,存放二值数据,主要要求:,了解 ROM 的类型和结构,理解其工作原理。,了解集成 EPROM 的使用。,理解字、位、存储容量等概念。,6.2 只读存储器,一、ROM 的类型及其特点,其存储数据在制造时确定,用户不能改变。用于批量大的产品。,其存储数据由用户写入。但只能写一次。,写入的数据可用紫外线擦除,用户可以多次改写存储的数
6、据。,E2PROM的一种,写入的数据可电擦除,用户可以多次改写存储的数据。使用方便。,1988年引入的闪存EEPROM满足了工程师对高密度、低成本、易于编程和擦除的存储器的要求。 闪存器件能够成块的进行电擦除,而不是逐字节擦除,并且不采用高电压,显著缩短了擦除时间。这种基于块的擦除方法使器件可以共享模块中的擦除电路,从而减小了管芯尺寸,降低了成本。80年代后期以来,闪存器件的密度成指数增长,供应商支持的存储容量高达8G字节。 目前2GB的flash闪存芯片正在大范围应用,而价格却不到100元,256M的芯片在MP3行业已失去身影,32G的芯片已可以量产。,闪存是一种长寿命的非易失性(在断电情况
7、下仍能保持所存储的数据信息)的存储器, 数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位,区块大小一般为256KB到20MB。 闪存是电可擦除只读存储器(EEPROM)的变种,EEPROM与闪存不同的是,它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写,这样闪存就比EEPROM的更新速度快。由于其断电时仍能保存数据,闪存通常被用来保存设置信息,如在电脑的BIOS、PDA、数码相机中保存资料等。 另一方面,闪存不像RAM一样以字节为单位改写数据,因此不能取代RAM。,ROM的用途:,1、存储各种程序代码; 2、实现多输入、多输出逻辑函数真值表; 3、代码的变换、符号和数字显示等有关数字电路及
8、存储各种函数等。,二、ROM 的结构和工作原理,(一) 存储矩阵,由存储单元按字 (Word)和位(Bit)构成的距阵,由存储距阵、地址译码器(和读出电路)组成,图7.2.1 ROM的电路结构框图,字线与位线的交叉点即为存储单元。,每个存储单元可以存储 1 位二进制数。,当某字线被选中时,相应存储单元数据从位线 D3 D0 输出。 请看演示,1 0 1 1,1 0 1 1,从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长,即字长 = 位数。,W3,1. 存储矩阵的结构与工作原理,2. 存储容量及其表示,用“M”表示“1024 K”,即 1 M = 1024 K = 210
9、 K = 220 。,2. 存储容量及其表示,指存储器中存储单元的数量,例如,一个 32 8 的 ROM,表示它有 32 个字, 字长为 8 位,存储容量是 32 8 = 256。,对于大容量的 ROM 常用“K”表示“1024”,即 1 K = 1024 = 210 ;,例如,一个 64 K 8 的 ROM,表示它有 64 K 个字, 字长为 8 位,存储容量是 64 K 8 = 512 K。,一般用“字数 字长(即位数)”表示,3. 存储单元结构,3. 存储单元结构,(1) 固定 ROM 的存储单元结构,(2) PROM 的存储单元结构,PROM 出厂时,全部熔丝都连通,存储单元的内容为
10、全 1(或全 0) 。用户可借助编程工具将某些单元改写为 0 (或 1) ,这只要将需储 0(或 1)单元的熔丝烧断即可。,熔丝烧断后不可恢复,因此 PROM 只能一次编程。,(3) 可擦除 PROM 的存储单元结构,EPROM 利用编程器写入数据,用紫外线擦除数据。其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后,必须用不透光胶纸将石英窗口密封,以免破坏芯片内信息。 E2PROM 可以电擦除数据,并且能擦除与写入一次完成,性能更优越。,用一个特殊的浮栅 MOS 管替代熔丝。,刚才介绍了ROM中的存储距阵, 下面将学习ROM中的地址译码器。,(二)地址译码器,(二) 地址译码器,从
11、ROM 中读出哪个字由地址码决定。地址译码器的作用是:根据输入地址码选中相应的字线,使该字内容通过位线输出。,例如,某 ROM 有 4 位地址码,则可选择 24 = 16 个字。 设输入地址码为 1010,则字线 W10 被选中,该 字内容通过位线输出。,存储矩阵中存储单元的编址方式,适用于小容量存储器。,适用于大容量存储器。,又称单译码编址方式或单地址寻址方式,1. 单地址译码方式,一个 n 位地址码的 ROM 有 2n 个字,对应 2n 根字线,选中字线 Wi 就选中了该字的所有位。,32 8 存储矩阵排成 32 行 8 列,每一行对应一个字,每一列对应 32 个字的同一位。32 个字需要
12、 5 根地址输入线。当 A4 A0 给出一个地址信号时,便可选中相应字的所有存储单元。,例如,当 A4 A0 = 00000 时,选中字线 W0,可将 (0,0) (0,7) 这 8 个基本存储单元的内容同时读出。,基本单元为 存储单元,又称双译码编址方式或双地址寻址方式,地址码分成行地址码和列地址码两组,2. 双地址译码方式,基本单元 为字单元,例如 当 A7 A0 = 00001111 时,X15 和 Y0 地址线均 为高电平,字W15 被选中,其存储内容被读出。,若采用单地址译码方式,则需 256 根内部地址线。,256 字存储器需要 8 根地址线,分为 A7 A4 和 A3 A0 两组
13、。A3 A0 送入行地址译码器,产生 16 根行地址线 ( Xi ) ; A7 A4 送入列地址译码器,产生 16 根列地址线 ( Yi ) 。存储矩阵中的某个字能否被选中,由行、列地址线共同决定。,图7.2.2 二极管ROM的电路结构图,具有两位地址输入码和4位数据输出的ROM 的结构如下图所示,组成:,读操作程序,使三态缓冲器的的/EN=0,从A1A0输入指定的地址码,则由地址所指定的存储单元中存放的数据便出现在输出数据线上。,2. EPROM,图7.2.5 PROM管的结构原理图,写操作:在写入数据时,首先应找出要写入0的单元地址,并输入相应的地址码,使相应的字线输出高电平,然后在相应的
14、位线上按规定加入高电压脉冲,使稳压管UZ导通,写入放大器AW的输出呈低电平、低内阻状态,相应存储单元的三极管饱和导通,有较大的脉冲电流流过熔丝,并将其熔断。,读操作: 先读熔丝未熔断的,相应字线为高电平,电路等效为(a)图。 再读熔丝熔断的,如图(b)。,(b),3 EPROM:采用浮栅型MOS器件作为存储单元的一个元件,需紫外线照射才能擦除,大概需要1030分钟,可擦除上万次。 4 EEPROM:同样采用浮栅工艺,但可利用一定宽度电脉冲擦除。,三、集成 EPROM 举例,27 系列 EPROM 是最常用的 EPROM,型号从 2716、2732、2764 一直到 27C040。存储容量分别为
15、 2K 8、4K 8一直到 512K 8。下面以 Intel 2716 为例,介绍其功能及使用方法。,A10 A0 为地址码输入端。,D7 D0 为数据线,工作时为数据输出端,编程时为写入数据输入端。,VCC 和 GND:+5 V 工作电源和地。,VPP 为编程高电平输入端。编程时加 +25 V 电压,工作时加 +5 V 电压。,(一) 引脚图及其功能,存储容量为 2 K 字,下面将根据二极管 ROM 的 结构图加以说明 (已编程二极管 PROM 的 结构与之同理) :,四、用 PROM 实现组合逻辑函数,1. 为什么用 PROM 能实现组合逻辑函数?,地址译码器能译出地址码的全部最小项 图中
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