《数字电路ppt课件第七章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路ppt课件第七章.ppt（58页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,存储器、复杂可编程逻辑器 和现场可编程门阵列,7.1 只读存储器,7.2 随机存取存储器,7.3 复杂可编程逻辑器件,*7.4 现场可编程门阵列,*7.5 用EDA技术和可编程器件的设计例题,教学基本要求：,掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址等基本概念。掌握RAM、ROM的工作原理及典型应用。了解存储器的存储单元的组成及工作原理。了解CPLD、FPGA的结构及实现逻辑功能的编程原理。,概 述,半导体存贮器能存放大量二值信息的半导体器件。,可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由用户通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵活、处理速度快、可靠性高等优点。,存储器的主要性能指标,
2、取快速度存储时间短,存储数据量大存储容量大,7.1 只读存储器,7.1.1 ROM的 定义与基本结构,7.1.2 两维译码,7.1.3 可编程ROM,7.1.4 集成电路ROM,7.1.5 ROM的读操作与时序图,7.1.6 ROM的应用举例,存储器,RAM(Random-Access Memory),ROM(Read-Only Memory),RAM(随机存取存储器):在运行状态可以随时进行读或写操作。存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电,数据全部丢失。,ROM(只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息（如程序、常数等）。,固定ROM,可编程RO
3、M,PROM,EPROM,E2PROM,7.1 只读存储器,几个基本概念：,存储容量（M)：存储二值信息的总量。,字数：字的总量。,字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，字的位数称为字长。,存储容量（M)字数位数,地址：每个字的编号。,字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）,只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。(Read-Only Memory),ROM的分类,按写入情况划分,固定ROM,可编程ROM,PROM,EPROM,E2PROM,按存贮单元中器件划分,二极管ROM,三极管ROM,MOS管ROM,7.1.1 ROM的 定义与基本结构,存储矩阵,
4、7.1.1 ROM的定义与基本结构,地址译码器,存储矩阵,输出控制电路,1）ROM（二极管PROM）结构示意图,存储矩阵,位线,字线,输出控制电路,M=44,地址译码器,字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管相当存1，无二极管相当存0,字线,存储矩阵,位线,字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有MOS管相当存0，无MOS管相当存1。,7.1.2 两维译码,该存储器的容量=?,7.1.3 可编程ROM（256X1位EPROM）,256个存储单元排成1616的矩阵,行译码器从16行中选出要读的一行,列译码器再从选中的一行存储单元中选出要读的一列的一个存储单元。,如选中的存储单元的MO
5、S管的浮栅注入了电荷，该管截止，读得1；相反读得0,7.1.4 集成电路ROM,AT27C010，,128K8位ROM,7.1.5 ROM的读操作与时序图,（2）加入有效的片选信号,（3）使输出使能信号 有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；,（4）让片选信号 或输出使能信号 无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。,（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；,（1）用于存储固定的专用程序,（2）利用ROM可实现查表或码制变换等功能,查表功能 查某个角度的三角函数,把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(
6、角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。,码制变换 把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。,7.1.6 ROM的应用举例,用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路,C=A4,I3 I2 I1 I0=A3A2A1A0,O3O2O1O0=D3D2D1D0,用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路,7.2 随机存取存储器（RAM）,7.2.1 静态随机存取存储器(SRAM),7.2.2 同步静态随机存取存储器（SSRAM）,7.2.4 存储器容量的扩展,7.2.3 动态随机存取存储器,7.2 随机存取存储器（RAM）,7.2.1 静态随机存取存储器
7、(SRAM),1 SRAM 的本结构,高阻,输入,输出,高阻,SRAM 的工作模式,1.RAM存储单元,静态SRAM(Static RAM),双稳态存储单元电路,来自列地址译码器的输出,来自列地址译码器的输出,1.RAM存储单元,静态SRAM(Static RAM),T5、T6导通,T7、T8均导通,Xi=1,Yj=1,触发器的输出与数据线接通，该单元通过数据线读取数据。,触发器与位线接通,（a）,（b）,3.SRAM的读写操作及时序图,读操作时序图,3.SRAM的写操作及时序图,写操作时序图,7.2.2 同步静态随机存取存储器（SSRAM）,SSRAM是一种高速RAM。与SRAM不同,SSR
8、AM的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。,寄存地址线上的地址,寄存要写入的数据,ADV=0:普通模式读写ADV=1:丛发模式读写,寄存各种使能控制信号，生成最终的内部读写控制信号；,2位二进制计数器,处理A1A0,ADV=0:普通模式读写,片选无效,普通模式读写模式:在每个时钟有效沿锁存输入信号,在一个时钟周期内,由内部电路完成数据的读(写)操作。,ADV=1:丛发模式读写,丛发模式读写模式：在有新地址输入后,自动产生后续地址进行读写操作,地址总线让出,在由SSRAM构成的计算机系统中，由于在时钟有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到SSRAM内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均
9、在时钟作用下，由SSRAM内部控制完成。此时，系统中的微处理器在读写SSRAM的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个系统的工作速度。,SSRAM的使用特点：,1、动态存储单元及基本操作原理,T,存储单元,写操作:X=1=0,T导通，电容器C与位线B连通,输入缓冲器被选通，数据DI经缓冲器和位线写入存储单元,如果DI为1，则向电容器充电，C存1;反之电容器放电,C存0。,7.2.3 动态随机存取存储器,读操作:X=1=1,T导通，电容器C与位线B连通,输出缓冲器/灵敏放大器被选通，C中存储的数据通过位线和缓冲器输出,每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此时刷新控制R也为高电平，则读出的数据又
10、经刷新缓冲器和位线对电容器C进行刷新。,7.2.4 存储器容量的扩展,位扩展可以利用芯片的并联方式实现。,1.字长（位数）的扩展-用4KX4位的芯片组成4KX16位的存储系统。,7.2.4 RAM存储容量的扩展,2.字数的扩展用用8KX8位的芯片组成32KX8位的存储系统。,芯片数=4,系统地址线数=15,系统:A0 A14,A13 A14?,芯片:A0 A12,32K8位存储器系统的地址分配表,字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端来实现。,7.3 复杂可编程逻辑器件(CPLD),7.3.1 CPLD的结构,7.3.2 CPLD编程简介,7.3 复杂可编程逻辑器件(CPLD)
11、,与PAL、GAL相比，CPLD的集成度更高，有更多的输入端、乘积项和更多的宏单元；,每个块之间可以使用可编程内部连线(或者称为可编程的开关矩阵)实现相互连接。,CPLD器件内部含有多个逻辑块，每个逻辑块都相当于一个GAL器件;,7.3.1 CPLD的结构,更多成积项、更多宏单元、更多的输入信号。,通用的CPLD器件逻辑块的结构,Xilinx XG500:90个36变量的乘积项,宏单元36个,Altera MAX7000:80个36变量的乘积项,宏单元16个,XG500系列乘积项分配和宏单元,可编程数据分配器,可编程数据选择器,宏输出,可编程内部连线,可编程内部连线的作用是实现逻辑块与逻辑块之
12、间、逻辑块与I/O块之间以及全局信号到逻辑块和I/O块之间的连接。,连线区的可编程连接一般由E2CMOS管实现。,当E2CMOS管被编程为导通时，纵线和横线连通；未被编程为截止时，两线则不通。,I/O单元是CPLD外部封装引脚和内部逻辑间的接口。每个I/O单元对应一个封装引脚，对I/O单元编程，可将引脚定义为输入、输出和双向功能。,I/O单元,数据选择器提供OE号。OE=1,I/O引脚为输出,7.3.2 CPLD编程简介,编程过程（Download或Configure）：将编程数据写入这些单元的过程。,用户在开发软件中输入设计及要求。,检查、分析和优化。完成对电路的划分、布局和布线,编程的实现
13、：由可编程器件的开发软件自动生成的。,生成编程数据文件,写入CPLD,计算机根据用户编写的源程序运行开发系统软件，产生相应的编程数据和编程命令，通过五线编程电缆接口与CPLD连接。,将电缆接到计算机的并行口，通过编程软件发出编程命令，将编程数据文件（*JED）中的数据转换成串行数据送入芯片。,编程条件,（1）专用编程电缆；（2）微机；（2）CPLD编程软件。,将多个CPLD器件以串行的方式连接起来，一次完成多个器件的编程。这种连接方式称为菊花链连接。,多个CPLD器件串行编程,FPGA和CPLD的内部结构稍有不同。通常，FPGA中的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统；CPLD中
14、组合逻辑资源比较丰富，适合组合电路较多的控制应用。在这两类可编程逻辑器件中，CPLD提供的逻辑资源较少，而FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和极高的性能，已经在通信、消费电子、医疗、工业和军事等各应用领域当中占据重要地位。目前生产FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等，生产的FPGA品种和型号繁多。尽管这些FPGA的具体结构和性能指标各有特色，但它们都有一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块，从而实现不同的设计。,7.4 现场可编程门阵列,7.4.1 FPGA中编程实现逻辑功能的基本原理,
15、目前绝大部分FPGA都采用查找表（Look Up Table，LUT）技术，如Altera的ACEX、APEX、Cyclone、Stratix系列，Xilinx的Spartan、Virtex系列等。这些FPGA中的最基本逻辑单元都是由LUT和触发器组成的。,查找表简称为LUT（Look-Up Table)，本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个
16、地址进行查表，找出该地址对应的内容，然后输出即可。,由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的。而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，因此需要外加一片专用的配置芯片。在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，FPGA就可以正常工作。,典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互连资源，基本结构如图所示。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括
17、各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异。,7.4.2 FPGA的结构,XC4000系列FPGA基本结构,1.可编程逻辑模块CLB,FPGA器件XC4000系列的CLB结构,CLB与互连资源的互连关系,XC4000的IOB结构,2.输入输出模块IOB,3.可编程布线资源,FPGA中有多种布线资源，包括局部布线资源、通用布线资源、I/O布线资源、专用布线资
18、源和全局布线资源，它们分别承担了不同的连线任务。,7.4.3 FPGA编程简介,1.配置（编程）数据,2.配置数据的装入,随着微电子技术、EDA技术、以及应用系统需求的发展，FPGA正在逐渐成为数字系统开发的平台，并将在以下方面继续完善和提高：（1）高集成度、大容量、低成本、低电压、低功耗；（2）资源多样化；（3）适用于片上系统：处理器、高速串行I/O、DSP等等；（4）深亚微米工艺的使用。目前基于90nm工艺的FPGA已经商用，正在向65nm挺进；（5）各种软硬IP库的发展和完善；（6）动态可重构技术实用化。,FPGA技术的发展趋势,7.5 用EDA技术和可编程器件的设计例题,例7.5.1 设计一个定时器,例7.5.2 设计一个具有时、分、秒计时的电子钟电路,
