大规模集成电路优秀课件.ppt
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1、大规模集成电路第1页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1 9.1 集成存储器集成存储器 9.2 9.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 第2页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1 环境工程与计算机概况 集成存储器是数字系统中记忆大规模信息的部件,其功能是用于存放固定程序的操作指令及需要计算、处理的数据等,相当于数字系统存储信息的仓库。集成存储器分为只读存储器和随机存取存储器两类。第3页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.1 只读存储器(ROM)只读存储器是存储固定信息的存储器。即事先将存储的信息或数据写入到存储器中,在正常工作时,只能重复读取所存储的信
2、息代码,而不能随意改写存储信息内容,故称只读存储器,简称ROM(Read Only Memory)。ROM电路按存储信息的写入方式一般可分为固定ROM、可编程ROM(PROM)和可擦除可编程ROM(EPROM)。第4页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.1.1 ROM的结构 ROM由地址译码器和存储体构成,其结构如图9-1所示,其中An-1、An-2、.A1、A0为n位地址输入线,通过地址译码器可译出2n个地址,每一个地址中固定存放着由m位二进制数码构成的信息“字”。把存储器中每存储1位二进制数的点称为存储单元,而存储器中总的存储单元的数量称为存储容量。对于一个存储体来说,总的
3、存储容量为字线数2n位线数m。若存储器有10条地址线,则对应有210条字线,若位线数为8条,则总的存储容量为2108=10248个存储单元,简称1k8位=8k(bit)。第5页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路图9-1 ROM的结构 第6页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 图9-2 二极管掩膜ROM 第7页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.1.2 固定ROM 固定ROM内部所存储的信息是由生产者在制造时,采用掩模工艺予以固定的。图9-2表示了最简单的44位存储容量的二极管固定ROM,由图可知,2条地址线A1、A0经译码器译出4条字线(字选线)W3W0,每
4、条字线存储4位二进制数D3D0(称为位线)。译码器采用二极管与与门矩阵电路组成,并由片选信号CS控制。当CS=1时,译码器可工作,表示该片ROM 被选中,允许输出存储内容。存储体为一个二极管或或门矩阵电路,每一位线(数据线)Di实质上为二极管或或门电路,只有当Wi=1的字线上的二极管能导通,使该位数据输出Di=1。而Wi=1字线上无二极管的位线对应的输出数据Di=0。例如当地址码A1A0=00时,则W0=1,而W1=W2=W3=0,在字线W0上挂有二极管的位线D3=D0=1,无二极管的位线D2=D1=0,这时输出数码为D3D2D1D0=1001;当A1、A0地址码改变后,则输出数码也相应改变,
5、如表9-1中所示。第8页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 固定ROM适用于产品数量较大或有特殊要求的少量产品,由于需要专门制作掩膜板,成本高且制作周期长,因此不经济。表9-1 字线及其位输出 图9-3 三极管掩膜PROM存储单元 第9页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.1.3 可编程ROM(PROM)可编程ROM是用户根据需要,将需存储的信息一次写入PROM中,一旦写入就不能再更改,故称可编程只读存储器,简称PROM(Programmble ROM)。双极型熔丝结构的PROM存储单元的结构原理图如图9-3所示。出厂状态的存储矩阵中,字线和位线的各个交叉处,均以图9
6、-3所示的三极管发射极及与位线相连的快速熔丝作为存储单元,熔丝通常用低熔点的合金或很细的多晶硅导线制成。在编程存入信息时,如果使熔丝烧断则表示存储单元信息为0,熔丝不烧断表示为1。PROM可实现一次编程需要,由于熔丝烧断后,不能恢复,存储器中存储的信息已被固化,故只可写入一次。如果在编程过程中出错或研制过程中需要修改内容,只能更换新的PROM,给使用者带来不便。第10页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.1.4 可擦除可编程ROM(EPROM)可擦除可编程只读存储器也是由用户根据需要将信息代码写入存储单元内。与PROM不同的是,如果要重新改变信息,只需用紫外线(或X射线)或用电
7、擦除原先存入的信息后,可再行写入信息。将可用紫外线擦除的只读存储器简称为EPROM(Erasable PROM),也可称为UVEPROM;用电擦除的只读存储器称为EEPROM或E2PROM(Electrically PROM)。第11页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 EPROM集成芯片通常用于程序开发、样机研制或者用于程序、数据经常变更的数字系统中,它是数字控制和计算机系统中不可缺少的数字器件。典型的EPROM存储器芯片型号、容量和引脚数如表9-2所示。表9-2 典型的EPROM芯片 第12页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.2 9.1.2 随机存取存储器(随机
8、存取存储器(RAMRAM)随机存取存储器是一种随时可以选择任一存储单元进行存入或取出数据的存储器,由于它既能读出又能写入数据,因此又称为读/写存储器,简称RAM(Random Access Memory)。RAM采用与ROM不同的电路结构,读写方便,使用灵活;缺点是一旦存储器断电,存储的数据信息全部丢失,所以不利于数据的长期保存。9.1.2.1 RAM的结构 典型的RAM结构框图如图9-4所示,由地址译码器、存储矩阵和读写控制电路部分构成。第13页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路图9-4 RAM的结构 第14页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 (1)存储矩阵 它是由大量
9、存储单元构成的,每个存储单元能存储着由若干位二进制数码组成的一组信息,存储容量用(字线数)(位线数)表示。存储单元在存储矩阵中排列成若干行、若干列。例如,存储容量为10241的存储器,其存储单元可排列成32行32列的矩阵。基本存储电路主要由RS触发器构成,其两个稳态分别表示存储内容为“1”或“0”。(2)地址译码器 地址译码器根据外部输入的地址,唯一地找到存储器中相应的一个存储单元,在读写控制器的配合下数据通过输入/输出(I/O)电路写入存储器或从存储器中读出。第15页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 (3)读写控制器 读写控制器决定数据是按指定地址存入存储矩阵、还是从存储矩阵中取
10、出。每个存储单元在读出数据时()能维持原数据状态不变;而在写入数据时()可以清除原存储数据,并输入新的数据。数据的输入输出通道是共用的,读出时作为输出端,写入时作为输入端。(4)输入/输出(I/O)电路 输入/输出(I/O)电路是数据进、出存储矩阵的通道。通常数据先经缓冲放大器放大再进入存储单元;输出数据经缓冲放大后输出。输入、输出缓冲器常采用三态电路,便于多片存储器的I/O电路并联,以扩展存储容量。第16页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 (5)片选控制 :对于大容量的存储系统,需要多片RAM组成,而在读写时只对其中一片进行信息的存取。片选控制 使该片选中时,才进行数据的读写操作
11、,其余未被选中的各片RAM的I/O线呈高阻状态,不能进行读写操作。RAM存储单元有双极型和单极型两种不同类型的电路,前者速度高;后者功耗低、容量大,在RAM中得到广泛应用。第17页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.2.2 静态RAM集成芯片简介 典型的静态RAM集成芯片的型号、容量、引脚数如表9-3所示。表9-3 典型RAM芯片 图9-5 2114静态RAM的外引线端子图 第18页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路 2114静态RAM的存储容量为1K4位,其外引线端子如图9-5所示,外形为18脚双列直插式结构,地址线为A9A0,在片选信号 和读写控制信号 的控制下,
12、信息由四条双向传输线I/O4I/O1进行写入或读出操作。表9-4 2114静态RAM的工作方式选择 第19页,本讲稿共41页大规模集成电路大规模集成电路9.1.2.3 RAM 存储容量的扩展 在计算机或数字系统中,有时需要存储器有较大的存储容量,而实际的单片存储器的存储容量是有限的。因此,在使用中可通过对存储器的字数和位数的扩展,将若干片存储器组合起来使用,以满足对存储容量的要求。(1)位扩展方式 位扩展,就是用现有的RAM经适当的连接,组成位数更多而字数不变的存储器。扩展方法为:将K片RAM 所有的地址线并联、读写控制端()并联、片选端()并联;每片的数据输入或输出(I/O)端各自独立,就可
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