大規(guī)模集成電路全套ppt

第六章大規(guī)模集成電路

基本要求]、掌握RAM的電路結構、工作原理，了解靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM的存儲原理、使用方法:2、掌握各種ROM的工作原理和使用方法;3、掌握簡單PLD的結構、編程原理；4、掌握PAL、GAL的結構、工作原理；5、了解CPLD、FPGA、ISP-PLD等可編程邏輯器件的結構和編程原理；6、了解可編程邏輯器件的開發(fā)技術。6.1概述（summary）一、用SSI和MSI構成數(shù)字系統(tǒng)存在的問題體積大重量大功耗高

成本高可靠性差二、LSI的現(xiàn)狀和前景目前，在單塊硅片上集成十萬個元件、器件的大規(guī)模集成電路已廣泛應用到各種電子儀器和設備中。集成電路一進入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段，如實驗室用到的lattics公司的Flex10K10系列，等效門數(shù)為10000門，另外還有Flex10K100系列，等效門數(shù)為100000門。近年來，隨著電子設計自動化技術的發(fā)展，以及可編程邏輯器件的廣泛應用，使電子電路設計方法和手段都得到了不斷的改進和創(chuàng)新，也為大規(guī)模集成電路的應用開辟了新的途徑?？梢灶A見，大規(guī)模集成電路必將越來越廣泛地應用于通信技術、計算機技術、自動控制技術等領域中，PLD的原理和應用是每個電子工程師必備的一門技術。大規(guī)模集成電路的制造技術和應用技術都得到了飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）密度越來越高單片密度已達十萬、幾十萬、甚至幾百萬門，已進入超大規(guī)模和甚大規(guī)模階段。（2）用戶可編程且擁有多種編程技術（3）設計工具不斷完善現(xiàn)有的設計自動化軟件即支持功能完善硬件描述語言如VHDL、Verilog等作為文本輸入，又支持邏輯電路圖、工作波形圖等作為圖形輸入。如isp、icr。

從應用的角度分專用型：如芯片、電視機芯片從邏輯功能分存儲器PLD

CPU

單片機從制造工藝分三、LSI的分類通用型：如存儲器、微處理器、單片機雙極型單極型四、本章主要內(nèi)容1、存儲器：掌握靜態(tài)RAM的存儲原理、使用方法掌握各種ROM的工作原理、使用方法。2、掌握簡單PLD的結構和編程原理，為以后學習復雜可編程邏輯器件打下基礎。6.2存儲器（memory）存儲器的分類RAM

ROM雙極型單極型靜態(tài)動態(tài)ROMPROMEPROME2PROM閃速存儲器可讀可寫讀寫方便所存儲信息會因斷電而丟失6.2.1讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）用途：特點：常用來放一些采樣值、運算的中間結果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖和標志位等。存儲矩陣地址譯碼器片選及讀寫控制電路（1）存儲矩陣每個存儲單元能存放一位二值信息。存儲器的容量是指存儲單元的數(shù)目。存儲容量=存儲單元的數(shù)目=行數(shù)*列數(shù)=字數(shù)*位數(shù)1、RAM的結構

（2）地址譯碼一個RAM由若干字和位組成。通常信息的讀出和寫入是以字為單位進行的。為了區(qū)分不同的字，將存放同一個字的各個存儲單元編為一組，并賦予一個號碼，稱為地址。

地址的選擇是借助于地址譯碼器實現(xiàn)的。容量小的可以只用一個譯碼器，容量大的通常采用雙譯碼結構，即將輸入地址分為兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器進行譯碼。行列譯碼器的輸出即為存儲矩陣的字線和位線，由它們共同確定欲選擇的存儲單元。X1例如：1024*1的存儲器，可以排列成32*32的矩陣。A5A6A7A8A9A0A1A2A3A4行譯碼器列譯碼器（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）Y0Y31Y1Y2Y30X1例如：1024*2的存儲器，可以排列成32*64的矩陣。A5A6A7A8A9

A0A1A2A3A4行譯碼器列譯碼器（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（3)片選及讀寫控制電路輸出三態(tài)緩沖器已被選通時，它就具有I/O功能。4）具有異或功能及反饋的寄存器輸出。R//W線和片選信號線對應地并接在一起，而各個片子的輸入/輸出（I/O）作為字的各個位線。全定制電路：制造廠按用戶提出的邏輯要求，專門設計和制造的芯片。Quartus公司：Foundation常用來放一些采樣值、運算的中間結果，數(shù)據(jù)暫存、緩沖和標志位等。通用型：如存儲器、微處理器、單片機地址總線為12根，數(shù)據(jù)總線為8根。寫操作：在寫入數(shù)據(jù)時，首先應找出要寫入0的單元地址，并輸入相應的地址碼，使相應的字線輸出高電平，然后在相應的位線上按規(guī)定加入高電壓脈沖，使穩(wěn)壓管UZ導通，寫入放大器AW的輸出呈低電平、低內(nèi)阻狀態(tài)，相應存儲單元的三極管飽和導通，有較大的脈沖電流流過熔絲，并將其熔斷。00000000000000HPLD作為ASIC的一個重要分枝，其制造技術和應用技術都取得了飛速的發(fā)展：主要表現(xiàn)在以下方面（4）多種編程技術求出驅動方程后用PLA實現(xiàn)其中的組合邏輯電路。（5）設計工具的不斷完善1、存儲各種程序代碼；強調(diào)

CPU

讀：把存儲器里的數(shù)據(jù)讀到口線上；

CPU寫：把口線上的數(shù)據(jù)寫到存儲器里。例1024*4的RAM的結構圖2靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元=觸發(fā)器+控制電路3動態(tài)存儲單元利用MOS管柵極電容的電荷存儲效應來組成動態(tài)存儲器。優(yōu)點：單元電路簡單缺點：由于柵極電容的容量很小，通常只有幾個pF，且不可能沒有漏電流，所以，電荷的存儲時間有限?？朔霓k法：為了能及時的補充泄漏掉的電荷，以避免存儲信息的丟失，必須定時地給柵極電容補充電荷，把這種操作叫做刷新。1）讀操作程序A先加預充電脈沖，使CB、C/B充電至高電平B使X、Y同時為高電平2）寫操作程序使X、Y同時為高電平即可寫入。6.2.2只讀存儲器ROM定義：只讀存儲器ROM（Read—Onlymemory）是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息和數(shù)據(jù)寫入到存儲器中，在正常工作時它存儲的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，不能迅速寫入，故稱為只讀存儲器。特點：掉電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。按使用的器件的類型分：ROM的分類：二極管ROM雙極型三極管ROMMOS管ROM固定ROM：出廠時已完全固定下來，使用時無法再更改，也稱掩模編程ROM。PROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，但只能寫一次。EPROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入， 但操作復雜、費時。EEPROM：允許用戶根據(jù)需要寫入，可以擦除后重新寫入，操作比較簡便、快捷。閃速存儲器：仍是ROM，兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特點，既有存儲內(nèi)容非丟失性，又有快速擦 寫和讀取的特性。按數(shù)據(jù)的寫入方式分：ROM的用途：1、存儲各種程序代碼；2、實現(xiàn)多輸入、多輸出邏輯函數(shù)真值表；3、代碼的變換、符號和數(shù)字顯示等有關數(shù)字電路及存儲各種函數(shù)等。1、ROM的結構輸入驅動器：起著緩沖的作用，且生成互補的輸入信號。輸出緩沖器：既有緩沖作用，有可以提供不同的 輸出結構，如三態(tài)輸出、OC輸出等。（1）二極管ROM1）電路組成：具有兩位地址輸入碼和4位數(shù)據(jù)輸出的ROM的結構如下圖所示。二極管ROM2）讀操作程序使三態(tài)緩沖器的的/EN=0，從A1A0輸入指定的地址碼，則由地址所指定的存儲單元中存放的數(shù)據(jù)便出現(xiàn)在輸出數(shù)據(jù)線上。補充內(nèi)容：A：存儲容量的擴展（1）位數(shù)的擴展通常RAM芯片的字長多設計成1位、4位、8位等，當實際的存儲器系統(tǒng)的字長超過RAM芯片的字長時，需要對RAM實行位擴展。位擴展可以利用芯片的并聯(lián)方式實現(xiàn)，即將RAM的地址線、R//W線和片選信號線對應地并接在一起，而各個片子的輸入/輸出（I/O）作為字的各個位線。例2把1024*4的RAM擴展為1024*8的RAM例把1024*1的RAM芯片擴展成1024*8的RAM。首先要確定的是需要幾片1024*1的RAM。然后確定怎么連接。（2）字數(shù)的擴展字數(shù)的擴展可以利用外加譯碼器控制芯片的片選輸入端來實現(xiàn)。例1將1K*4的RAM芯片擴展為2K*4的存儲器系統(tǒng)。第一片的存儲容量為1K*4地址范圍是A10A9A8A7…A000000000000000H011111111113FFH第二片的存儲容量為1K*4地址范圍是A10A9A8A7…A010000000000400H111111111117FFH例2：將1K*4的RAM擴展為4K*8的存儲器系統(tǒng)。解：所需的芯片數(shù)量為4K*8/1K*4=8片地址總線為12根，數(shù)據(jù)總線為8根。具體連接如下：B、常用的靜態(tài)RAM電路有6116、6264、62128、62256。常用的EEPROM存儲器有2816、2864、2817。常用的EPROM存儲器有2716、2764。61162864其中A0—AI：地址輸入線O0—O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線/CE：片選信號輸入線/OE：讀選通信號輸入線/WE：寫允許信號輸入線2、EPROM

在研制一個數(shù)字系統(tǒng)的過程中，用戶常常希望能夠按照自己的需要對ROM進行編程，這樣的ROM叫做可編程ROM或EPROM。PROM在出廠時，制作的是一個完整的二極管或三極管存儲單元矩陣，相當于所有的存儲單元全部存入1。在每個單元的三極管發(fā)射極上都接有快速熔絲，它是用低熔點的合金或很細的多晶硅導線制成的。

寫操作：在寫入數(shù)據(jù)時，首先應找出要寫入0的單元地址，并輸入相應的地址碼，使相應的字線輸出高電平，然后在相應的位線上按規(guī)定加入高電壓脈沖，使穩(wěn)壓管UZ導通，寫入放大器AW的輸出呈低電平、低內(nèi)阻狀態(tài)，相應存儲單元的三極管飽和導通，有較大的脈沖電流流過熔絲，并將其熔斷。讀操作：先讀熔絲未熔斷的，相應字線為高電平，電路等效為（a）圖。再讀熔絲熔斷的，如圖（b）。VCCHH（a）HL（b）顯然，PROM的有關存儲單元的數(shù)據(jù)0一經(jīng)寫好后，就不能作任何更改，所以使用的靈活性受到一定限制。3、EPROM：采用浮柵型MOS器件作為存儲單元的一個元件，需紫外線照射才能擦除，大概需要10——30分鐘，可擦除上萬次。4、EEPROM：同樣采用浮柵工藝，但可利用一定寬度電脈沖擦除。6.3可編程邏輯器件

自２０世紀６０年代初集成電路誕生以來，經(jīng)歷了SSI、MSI、LSI的發(fā)展過程，目前已進入了超大規(guī)模（VLSI）和甚大規(guī)模（ULSI）階段，數(shù)字系統(tǒng)設計技術也隨之發(fā)生了嶄新的變化。

前已指出，數(shù)字系統(tǒng)是由許多子系統(tǒng)或邏輯模塊構成的。設計者可以根據(jù)各模塊的功能選擇適當?shù)腟SI、MSI以及LSI芯片拼接成預定的數(shù)字系統(tǒng)，也可把系統(tǒng)的全部或部分模塊集成在一個芯片內(nèi)，稱為專用集成電路ASIC。使用ASIC不僅可以極大的減少系統(tǒng)的硬件規(guī)模（芯片數(shù)、占用的面積及體積等），而且可以降低功好、提高系統(tǒng)的可靠性、保密性及工作速度。

ASIC（Applicationofspecialintegratecircuit）是一種由用戶定制的集成電路。又可以分為全定制電路和半定制電路。全定制電路：制造廠按用戶提出的邏輯要求，專門設計和制造的芯片。這類芯片專業(yè)性強，適合在大批量定性生產(chǎn)的產(chǎn)品中使用。常用的有電子表機芯、存儲器、中央處理器CPU芯片等。半定制經(jīng)歷了這樣兩個過程：首先由制造廠制成標準的半成品，然后由制造廠根據(jù)用戶提出的邏輯要求，再對半成品進行加工，實現(xiàn)預定的數(shù)字系統(tǒng)芯片。典型的半定制器件是20世紀70年代出現(xiàn)的門陣列（GateＡrray，GA）和標準單元陣列（StandardCellArray，SCA）。它們分別在芯片上集成了大量邏輯門和具有一定邏輯功能的邏輯單元，通過布線把這些硬件資源連接起來實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng).這兩種結構的ASICA布線（即編程都是由集成電路制造廠完成的。）隨著集成電路制造工藝和編程技術的提高，針對GA和SCA這兩類產(chǎn)品的設計和編程都離不開制造廠的缺點，從20世紀70年代末開始，發(fā)展了一種稱為可編程邏輯器件（PLD）的半定制芯片。PLD芯片內(nèi)的硬件資源和連線資源也是由制造廠生產(chǎn)好的，但用戶可以借助功能強大的設計自動化軟件（也稱設計開發(fā)軟件）和編程器，自行在實驗室內(nèi)、研究室內(nèi)，甚至車間等生產(chǎn)現(xiàn)場，按照下述的過程，進行設計編程，實現(xiàn)所希望的數(shù)字系統(tǒng)。算法設計和電路劃分圖形輸入和文本輸入編譯和邏輯仿真設計實現(xiàn)目標文件下載PLD作為ASIC的一個重要分枝，其制造技術和應用技術都取得了飛速的發(fā)展：主要表現(xiàn)在以下方面（1）電路結構PLDSPLDHDPLDCPLDEPLDFPGASPLD——兩級與或結構的單元電路。CPLD——有效擴展SPLD和吸取SCA的構思的基礎上構成的。其基本結構形式和PAL、GAL相似，由可編程的與陣列、固定的或陣列和邏輯宏單元組成，但集成規(guī)模比PAL和GAL大得多。FPGA——從GA的基礎上發(fā)展的。（2）高密度（3）工作速度高

（4）多種編程技術

（5）設計工具的不斷完善6.3.2PLD的基本組成

任何一個組合電路，總可以用一個或多個與或表達式來描述；任何一個時序電路總可以用輸出方程組和驅動（激勵）方程組來描述，而輸出方程和驅動（激勵）方程也都可以是與或表達式。如果PLD包含了實現(xiàn)與或表達式所需的兩個陣列——與門陣列和或門陣列，那就能夠實現(xiàn)組合邏輯，如果配置記憶元件還可以實現(xiàn)時序電路。SPLD就是根據(jù)此理構成的。下圖為SPLD的基本組成框圖。

輸入電路：起著緩沖作用，且生成互補的的輸入信號。輸出電路：既有緩沖作用，又可以提供不同的輸出結構，如三態(tài)（3S）輸出，OC輸出以及寄存器輸出等。6.3.3PLD的編程ABCD例如：或陣列可編程的示意圖圖（b）中，或陣列的耦合元件均串入了熔絲，從而構成可編程結構，因此輸出函數(shù)F1、F2、F3可在用戶編程時定義。通常所說的可編程還是不可編程就取決于陣列中輸入、輸出線交叉點處的耦合元件能否根據(jù)用戶要求連接（即接通熔絲）或不連接（即斷開熔絲）。根據(jù)與陣列和或陣列各自是否可編程以及輸出方式可否編程，SPLD可分為四大類型：6.3.5PLD中陣列的表示方法可編程只讀存儲器不僅可用作只讀存儲器，也可作可編程器件使用。特點：與陣列固定，或陣列可編程6.3.6可編程只讀存儲器例1用PROM實現(xiàn)如下函數(shù)解題思路：

1）寫出最小項表達式2）在PROM上實現(xiàn)

例2用PROM器件將4位二進制碼轉換為格雷碼。用PROM實現(xiàn)的缺點：每增加一個輸出變量，熔絲與陣列的大小就會成倍增加。1）列真值表輸入為B3、B2、B1、B0，輸出為G3、G2、G1、G02）寫出最小項表達式3）在PROM上實現(xiàn)解題思路（步驟基本同小規(guī)模或中規(guī)模）6.3.7可編程邏輯陣列PLA特點:與陣列或陣列均可編程例1：用PLA實現(xiàn)將四位二進制碼轉換為格雷碼。解題思路：1）列真值表輸入為B3、B2、B1、B0，輸出為G3、G2、G1、G02）寫出邏輯函數(shù)表達式并化簡3）在PLA上實現(xiàn)1）列真值表2）寫出表達式并化簡G0=X1+X2+X5+X6+X10+X13+X14G1=X2+X3+X4+X5+X10+X11+X12+X13G2=X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11G3=X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15用卡諾圖化簡結果如下：B3B2B1B0優(yōu)點：用PLA來實現(xiàn)用的內(nèi)存容量少。例2：用JK觸發(fā)器并附加PLA設計同步8421BCD碼的十進制計數(shù)器。提示：步驟同用小規(guī)模時序邏輯電路設計。求出驅動方程后用PLA實現(xiàn)其中的組合邏輯電路。解：1）列狀態(tài)轉換圖；2）狀態(tài)分配（狀態(tài)編碼）；3）選擇觸發(fā)器類型（在此選JK觸發(fā)器），作次態(tài)卡諾圖，求電路的狀態(tài)方程，得到一組驅動方程。J0=K0=1J1=/Q3Q0K1=Q0J2=K2=Q1Q0J3=Q2Q1Q0K3=Q34)畫出邏輯電路圖6.3.8可編程陣列邏輯PALPAL是在PLA之后出現(xiàn)的一種PLD。由于PLD的飛速發(fā)展，這類器件已用得不多，但它是后續(xù)出現(xiàn)的GAL以及更為強大的CPLD的基礎，這里僅介紹PAL的基本原理。PLA與其它PLD器件一樣包含一個與陣列和一個或陣列，主要特征是與陣列可編程，而或陣列固定不變。因而用PAL實現(xiàn)邏輯函數(shù)時，每個輸出是若干個乘積項之和，而乘積項的數(shù)目是固定的。PAL品種很多，可以滿足各種不同的需要。用戶可以根據(jù)使用要求，選擇其陣列結構大小、輸入輸出數(shù)目與方式，以實現(xiàn)各種組合邏輯和時序邏輯功能。一、根據(jù)輸出結構不同，可分為以下四種類型。1、與或輸出型其輸出也有三種類型1）型號中帶有字符H的芯片，如PAL10H8，輸出高電平有效。2）型號中帶有字符H的芯片，如PAL12L8，輸出低電平有效。3）型號中帶有字符C的芯片，如PAL20C1，輸出為互補輸出。2、可編程的輸入輸出結構除具有一般的與陣列和或陣列外，換具有三態(tài)輸出緩沖器以及由輸出反饋到輸入的特性。其特性是：1）可對與陣列編程來直接控制PAL的三態(tài)輸出緩沖器的控制端，以控制與或陣列的輸出端是作為輸出或是作為輸入，比如實驗中用到的FLE