【正文】 第七章 可編程邏輯器件 王瑩 博士 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院 本章內(nèi)容 ROM（ Read Only Memory:只讀存儲(chǔ)器 ） PLA、 PAL、 GAL EPLD （ Erasable PLD：可擦除的可編程邏輯器件） CPLD/FPGA FPGA PLD的組成 可編程邏輯器件（ Programmable Logic Device，簡(jiǎn)稱PLD ），它的組成為： ? 邏輯單元 ? 互連線單元 ? 輸入 /輸出單元 各單元的功能及相互連接關(guān)系都可經(jīng)編程設(shè)置。借助 EDA（ Electronic Design Automation）工具軟件，PLD可為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供靈活而強(qiáng)大的處理能力。 ROM （ 2） 一次性可編程 ROM（ PROM） 。 出廠時(shí) ， 存儲(chǔ)內(nèi)容全為 1（ 或全為 0） ， 用戶可根據(jù)自己的需要編程 ， 但只能編程一次 。 一 ． ROM的分類 按照數(shù)據(jù)寫入方式特點(diǎn)不同 ， ROM可分為以下幾種： （ 1） 固定 ROM。 廠家把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中 ， 用戶無法進(jìn)行任何修改 。 （ 3） 光可擦除可編程 ROM（ EPROM） 。 采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲(chǔ)器 。 其內(nèi)容可通過紫外線照射而被擦除 ， 可多次編程 。 （ 5） 快閃存儲(chǔ)器 （ Flash Memory） 。 也是采用浮柵型 MOS管 ， 存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進(jìn)行的 ， 數(shù)據(jù)寫入方式與 EPROM相同 ，一般一只芯片可以擦除 /寫入 100次以上 。 （ 4） 電可擦除可編程 ROM（ E2PROM） 。 也是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程 ROM， 但是構(gòu)成其存儲(chǔ)單元的是隧道 MOS管 ， 是用電擦除 ， 并且擦除的速度要快的多 （ 一般為毫秒數(shù)量級(jí) ） 。 E2PROM的電擦除過程就是改寫過程 ， 它具有 ROM的非易失性 ， 又具備類似 RAM的功能 ， 可以隨時(shí)改寫 （ 可重復(fù)擦寫 1萬次以上 ） 。 1. ROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由地址譯碼器和存儲(chǔ)矩陣組成 。 ROM由若干存儲(chǔ)單元（字）組成，每一單元存儲(chǔ)了 m個(gè)二進(jìn)制位（例如 8位）。輸入給 ROM的為 n條地址線（例如 10條），地址線經(jīng)地址譯碼器給出 2n條字線，每條字線 (Wi)尋址一個(gè)存儲(chǔ)單元。被尋址的存儲(chǔ)單元通過 m條位線（ Dj）將存儲(chǔ)的 0、 1信息送出 ROM。 0單 元1單 元i單 元單元2 － 1nWWWWD D D01in2 － 101b － 1位線存儲(chǔ)單元...............字線輸出數(shù)據(jù)輸1AA器...地入址譯0n － 1地碼址A... 圖 一個(gè) n= m=4的CMOSROM的結(jié)構(gòu)。圖中可見 2n＝ 4個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的 0信息和 MOS管的有、無的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 ROM中存儲(chǔ)的信息可由制造廠家一次性制作進(jìn)去，也可由用戶寫入，后者稱為PROM （ Programmable ROM）。 W1 W0 地 址 譯 碼 器 +VDD 字線 Wi 位線 Dj D3 D2 D1 D0 A0 A1 0111 1010 1100 0011 W2 W3 地址線 圖 CMOSROM的結(jié)構(gòu)示例例 存儲(chǔ)單元 0 存儲(chǔ)單元 1 存儲(chǔ)單元 2 存儲(chǔ)單元 3 CS 片選 ROM的工作原理 由地址譯碼器和或門存儲(chǔ)矩陣組成 。 ROM中的地址譯碼器用 2n條輸出字線表達(dá) n位地址線上變量的編碼 ， 譯碼的規(guī)則是每條字線 （ Wi） 對(duì)應(yīng) n位地址變量的一個(gè)最小項(xiàng) ， 它給出 n位地址變量的全部最小項(xiàng) （ Wi ， i=0～ 2n1） 。 在任何時(shí)刻 ， 各 Wi中必有一個(gè) 、 只有一個(gè)有效 。 這個(gè)與運(yùn)算陣列在 ROM中是固定制備的 。 010 AAW ??011 AAW ??012 AAW ??013 AAW ??各存儲(chǔ)單元中具有相同位權(quán)的存儲(chǔ) MOS管的漏極輸出連接在同一條輸出數(shù)據(jù)線（位線 Dj）上。同一位線上的各存儲(chǔ)位呈或運(yùn)算關(guān)系。 由于 ROM存儲(chǔ)的 0、 1信息可根據(jù)需要制作進(jìn)入或由用戶寫入，因而說 ROM中的存儲(chǔ)矩陣是一個(gè)可編程的或運(yùn)算陣列。 D0 = W0﹒ 1 + W1﹒ 0 + W2﹒ 0 + W3﹒ 1 D1 = W0﹒ 1 + W1﹒ 1 + W2﹒ 0 + W3﹒ 1 D2 = W0﹒ 1 + W1﹒ 0 + W2﹒ 1 + W3﹒ 0 D3 = W0﹒ 0 + W1﹒ 1 + W2﹒ 1 + W3﹒ 0 ROM是一種 與運(yùn)算固定 ， 或運(yùn)算可編程 的器件 ， 可作為 PLD用于實(shí)現(xiàn) n個(gè)輸入變量的多輸出 （ 最多 m個(gè) ）組合函數(shù) 。 在實(shí)現(xiàn)組合函數(shù)時(shí) ， 將函數(shù)式整理為最小項(xiàng)表達(dá)式并由此決定 ROM存儲(chǔ)單元的內(nèi)容 ， 將函數(shù)變量輸入到ROM的地址線 ， 由 ROM的每條數(shù)據(jù)線得到一個(gè)函數(shù)輸出 。 二進(jìn)制碼 A3 A2 A1 A0 循環(huán)碼 D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 [例 ] 用 ROM實(shí)現(xiàn)四位 自然 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換電路 解：四位二進(jìn)制碼 A3A2A1A0與循環(huán)碼D3D2D1D0的轉(zhuǎn)換真值表如表 71。 可用 4位地址、 4位數(shù)據(jù)的 ROM實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換的電路。將二進(jìn)制碼A3A2A1A0連接 ROM的地址線，由ROM的輸出數(shù)據(jù)線得到循環(huán)碼D3D2D1D0 。 D0 = ∑ m(1， 2， 5， 6， 9， 10， 13， 14) D1 = ∑ m(2， 3， 4， 5， 10， 11， 12， 13) D2 = ∑ m(4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 11) D3 = ∑ m(8， 9， 10， 11， 12， 13， 14，15） 為表示方便 ， 通常用陣列圖描述可編程邏輯器件 （ PLD）的結(jié)構(gòu)和編程信息 。 圖 接關(guān)系 。 A A 緩沖門 A A B C 固定連接 編程連接 不連接或 待編程連接 A B C F=A+B+C 圖 PLD陣列圖中的邏輯門及連接關(guān)系 與門 或門 地址譯碼器 與運(yùn)算陣列 m0 m2 m4 m6 m8 m10 m12 m14 m1 m3 m5 m7 m9 m11 m13 m15 A3 A2 A1 A0 D3 D1 D0 D2 存儲(chǔ)矩陣 或運(yùn)算陣列 圖 實(shí)現(xiàn) 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換的 ROM的陣列圖 依據(jù)結(jié)構(gòu)和編程寫入方式的不同， ROM有多個(gè)種類。 ROM的種類 （ 1） 熔絲型和反熔絲型 PROM 一次編程性 ROM，數(shù)據(jù)一經(jīng)寫入便不能更改 。 在 PROM出廠時(shí)，多發(fā)射極晶體管的各發(fā)射極所連的熔絲呈連接狀態(tài)，相當(dāng)于各存儲(chǔ)位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“ 1”。在寫入信息時(shí)，對(duì)需要寫“ 0”的位控制其晶體管發(fā)射極使其流過較大的電流，使與發(fā)射極連接的熔斷絲燒斷。 ＋ Vcc 位線 CS Dm1 Dm2 D0 熔絲 地 址 譯 碼 器 W0 W1 W2n1 字線 A0 A1 An1 地址線 圖 PROM 圖 。反熔絲相當(dāng)于生長(zhǎng)在 n＋ 擴(kuò)散層和多晶硅（兩個(gè)導(dǎo)電材料層）之間的介質(zhì)層，這一介質(zhì)層在器件出廠時(shí)呈現(xiàn)很高的電阻，使兩個(gè)導(dǎo)電層間絕緣。當(dāng)編程需要連接兩個(gè)導(dǎo)電層時(shí)，在介質(zhì)層施加高脈沖電壓（ 18V）使其被擊穿，使兩個(gè)導(dǎo)電層連通。連通電阻小于1KΩ。 反熔絲占用的硅片面積較小，適宜做高集成度可編程器件中的編程單元。 N+ 多晶硅 擴(kuò)散層 介質(zhì)層 氧化物 圖 T1 圖 MOS管 圖 D S G2 P 襯底 N＋ N＋ D S G2 G1 SiO2 窗口 浮柵 G1 Y T2 Di 字線 位線 X （ 2） EPROM(Erasable PROM 可改寫 PROM) EPROM可經(jīng)紫外線照射擦除所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，擦除后可再次寫入，因而又稱為 UV－ EPROM（ UltraViolet EPROM）。 （ 3） EEPROM（ Electrical Erasable PROM 可電擦除PROM） EEPROM使用電信號(hào)完成擦改工作，無需紫外線照射。這給使用者帶來了方便，也給 ISP（ In System Programmability 在系統(tǒng)編程）建立了基礎(chǔ)。EEPROM的結(jié)構(gòu)可類比 EPROM。 （ 4） Flash Memory （ 閃速存儲(chǔ)器 ） 閃速存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與 EPROM、 EEPROM相似 ， 也為雙柵極 MOS管結(jié)構(gòu) 。 兩個(gè)柵極為控制柵和浮置柵 。 閃速存儲(chǔ)器的隧道氧化物層較 EEPROM的更薄 。