大规模集成电路.ppt
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1、中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)第六章第六章 大规模集成电路大规模集成电路(LSI integrated circuit)6.1 概述(概述(summary)6.2 存储器(存储器(memory)可编程逻辑器件(可编程逻辑器件(PLD)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)基本要求基本要求 、掌握RAM的电路结构、工作原理,了解静态RAM和动态RAM的存储原理、使用方法:2、掌握各种ROM的工作原理和使用方法;3、掌握简单PLD的结构、编程原理;4、掌握PA
2、L、GAL的结构、工作原理;5、了解CPLD、FPGA、ISP-PLD等可编程逻辑器件的结构和编程原理;6、了解可编程逻辑器件的开发技术。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)6.1 概述(概述(summary)一、用一、用SSI和和MSI构成数字系统存在的问题构成数字系统存在的问题体积大体积大重量大重量大功耗高功耗高 成本高成本高可靠性差可靠性差中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)二、二、LSI的现状和前景的现状和前景 目前,在单块硅片上集成十万个元件、器件的
3、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lattics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了飞速发展,主要表现在以下几个方面
4、。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)(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(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。如isp、icr。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)从应用的角度分 专用型:如手机芯片、电视机芯片从逻辑功能分 存储器PLD CPU 单片机从制造工
5、艺分三、三、LSI的分类的分类通用型:如存储器、微处理器、单片机双极型单极型中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)四、四、本章主要内容本章主要内容1、存储器:掌握静态RAM的存储原理、使用方法掌握各种ROM的工作原理、使用方法。2、掌握简单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。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)6.2 存储器(存储器(memory)存储器的分类RAM ROM双极型单极型静态动态ROMPROMEPROME2PROM闪速存储
6、器中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)可读可写 读写方便 所存储信息会因断电而丢失6.2.1 读写存储器RAM(Random Access Memory)用途:特点:常用来放一些采样值、运算的中间 结果,数据暂存、缓冲和标志位等。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)存储矩阵地址译码器片选及读写控制电路(1)存储矩阵 每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容
7、量是指 存储单元的数目。存储容量=存储单元的数目=行数*列数=字数*位数1、RAM的结构中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)(2)地址译码 一个RAM由若干字和位组成。通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了区分不同的字,将存放同一个字的各个存储单元编为一组,并赋予一个号码,称为地址。地址的选择是借助于地址译码器实现的。容量小的可以只用一个译码器,容量大的通常采用双译码结构,即将输入地址分为两部分,分别由行译码器和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储矩阵的字线和位线,由它们共同确定欲选择的存储单元。中北大学电子信息工
8、程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)X1例如:1024*1的存储器,可以排列成32*32的矩阵。A5 A6 A7 A8 A9A0A1A2A3A4行 译 码 器列 译 码 器(0,0)(0,1)(0,2)(0,30)(0,31)(1,0)(1,1)(1,2)(1,30)(1,31)(2,0)(2,1)(2,2)(2,30)(2,31)(30,0)(30,1)(30,2)(30,30)(30,31)X0X30X2X31(31,0)(31,1)(3,2)(31,30)(31,31)Y0Y31Y1Y2Y30中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规
9、模集成电路(LSI integrated circuit)X1例如:1024*2的存储器,可以排列成32*64的矩阵。A5 A6 A7 A8 A9 A0A1A2A3A4行 译 码 器列 译 码 器(0,0)(0,1)(0,2)(0,3)(0,63)(0,64)(1,0)(1,1)(1,2)(1,3)(1,63)(1,64)(2,0)(2,1)(2,2)(2,3)(2,63)(2,64)(30,0)(30,1)(30,2)(30,3)(30,63)(30,64)X0X30X2X31(31,0)(31,1)(3,2)(31,3)(31,63)(31,64)Y0Y1Y2Y30Y31中北大学电子信息工
10、程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)(3)片选及读写控制电路片选及读写控制电路中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路
11、(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)强调 CPU 读:把存储器里的数据读到口线上;CPU写:把口线上的数据写到存储器里。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)例例 1024*4的的RAM的结构图的结构图中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)2 静态存储单元静态存储单元静态存储单元静态存储单元=触发触发器器+控制电路控制电路中北大学电子信息工程系数字电
12、子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)3 动态存储单元动态存储单元利用利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器。存储器。优点:单元电路简单优点:单元电路简单缺点:由于栅极电容的容量很小,通常只有几个缺点:由于栅极电容的容量很小,通常只有几个pF,且不可能没有漏电流,所以,电荷的存储时间,且不可能没有漏电流,所
13、以,电荷的存储时间有限。有限。克服的办法:为了能及时的补充泄漏掉的电荷,克服的办法:为了能及时的补充泄漏掉的电荷,以避免存储信息的丢失,必须定时地给栅极电容补以避免存储信息的丢失,必须定时地给栅极电容补充电荷,把这种操作叫做充电荷,把这种操作叫做刷新刷新。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)1)读操作程序)读操作程序A 先加预充电脉冲,使先加预充电脉冲,使CB、C/B充电至高电平充电至高电平B 使使X、Y同时为高电平同时为高
14、电平2)写操作程序)写操作程序使使X、Y同时为高电平即可写入。同时为高电平即可写入。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)6.2.2 只读存储器只读存储器ROM定义:定义:只读存储器ROM(ReadOnly memory)是存储固定信息的存储器件,即先把信息和数据写入到存储器中,在正常工作时它存储的数据是固定不变的,只能读出,不能迅速写入,故称为只读存储器。特点特点:掉电后存储的数据不会丢失。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)按使用的器件的类型分按使用的器件的
15、类型分:ROM的分类:的分类:二极管二极管ROM 双极型三极管双极型三极管ROM MOS管管ROM中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)固定固定ROM:出厂时已完全固定下来,使用时无法再更出厂时已完全固定下来,使用时无法再更 改,也称掩模编程改,也称掩模编程ROM。PROM:允许用户根据需要写入,但只能写一次。允许用户根据需要写入,但只能写一次。EPROM:允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写入,允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写入,但但 操作复杂、费时。操作复杂、费时。EEPROM:允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写
16、入,允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写入,操作比较简便、快捷。操作比较简便、快捷。闪速存储器:仍是闪速存储器:仍是ROM,兼有,兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特点,既有存储内容非丢失性,又有的特点,既有存储内容非丢失性,又有快速擦快速擦写和写和 读取的特性。读取的特性。按数据的写入方式分:按数据的写入方式分:中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)ROM的用途:的用途:1、存储各种程序代码;、存储各种程序代码;2、实现多输入、多输出逻辑函数真值表;、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
17、关数、代码的变换、符号和数字显示等有关数字电路及存储各种函数等。字电路及存储各种函数等。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)1、ROM的结构的结构输入驱动器:输入驱动器:起着缓冲的作用,且生成互补的输入起着缓冲的作用,且生成互补的输入信号。信号。输出缓冲器:输出缓冲器:既有缓冲作用,有可以提供不同的既有缓冲作用,有可以提供不同的 输出结输出结 构,如三态输出、构,如三态输出、OC输出等。输出等。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)(1)二极管)二极管ROM1)
18、电路组成:具有两位地址输入码和)电路组成:具有两位地址输入码和4位数据输位数据输出的出的ROM 的结构如下图所示。的结构如下图所示。二二极极管管ROM中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)2)读操作程序)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。补充内容:补充内容:A:存储容量的扩展:存储容量的扩展(1)位数的扩展 通常RAM芯片的字长多设计成1位、4位、8位等,当实际的存储器系统的字长超过RAM芯片的字长时,需要对RAM实行位扩展。位扩展可以利用
19、芯片的并联方式实现,即将RAM的地址线、R/W线和片选信号线对应地并接在一起,而各个片子的输入/输出(I/O)作为字的各个位线。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)例例2 把把1024*4的的RAM扩展为扩展为1024*8的的 RAM中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)例例 把把1024*1的的RAM芯片扩展成芯片扩展成1024*8的的RAM。首先要确定的是需要几片1024*1的RAM。然后确定怎么连接。中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路
20、(LSI integrated circuit)(2)字数的扩展)字数的扩展字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现。现。例例1 将将1K*4的的RAM芯片扩展为芯片扩展为2K*4的存储器系统。的存储器系统。第一片的存储容量为1K*4地址范围是A10 A9 A8 A7A0 0 0 0 00000000 000H 0 1 1 11111111 3FFH第二片的存储容量为1K*4地址范围是A10 A9 A8 A7A0 1 0 0 00000000 400H 1 1 1 11111111 7FFH中北大学电子信息工程系数字电子技术第六
21、章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)例例2:将将1K*4的的RAM扩展为扩展为4K*8的存储的存储器系统。器系统。解:所需的芯片数量为解:所需的芯片数量为4K*8/1K*4=8片片地址总线为地址总线为12根,数据总线为根,数据总线为8根。根。具体连接如下:具体连接如下:中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)B、常用的静态常用的静态RAM 电路有电路有6116、6264、62128、62256。常用
22、的常用的EEPROM存储器有存储器有2816、2864、2817。常用的常用的EPROM存储器有存储器有2716、2764。61162864中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)其中其中A0AI :地址输入线:地址输入线 O0O7:双向三态数据线双向三态数据线/CE :片选信号输入线:片选信号输入线/OE:读选通信号输入线:读选通信号输入线/WE:写允许信号输入线:写允许信号输入线中北大学电子信息工程系数字电子技术第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)2、EPROM 在研制一个数字系统的过程中,用
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