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半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件簡(jiǎn)介
作者：郝旭帥 校對(duì)：陸輝
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)大量二值信息的半導(dǎo)體器件。在電子計(jì)算機(jī)以及其他一些數(shù)字系統(tǒng)的工作過(guò)程中，都需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。因此，存儲(chǔ)器也就成為了數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的組成部分。
由于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，運(yùn)算速度越來(lái)越快，這就要求存儲(chǔ)器具有更大的存儲(chǔ)容量和更快的存取速度。通常把存儲(chǔ)量和存取速度作為衡量存儲(chǔ)器性能的重要指標(biāo)。因?yàn)榘雽?dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元數(shù)目及其龐大而器件的引腳數(shù)目有限，所以在電路結(jié)構(gòu)上就不可能像寄存器那樣把每個(gè)存儲(chǔ)單元的輸入和輸出直接引出。為了解決這個(gè)矛盾，在存儲(chǔ)器中給每個(gè)存儲(chǔ)單元編了一個(gè)地址，只有被輸入地址代碼指定的那些存儲(chǔ)單元才能與公共的輸入/輸出引腳接通，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?/p>
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的種類很多，首先從存、取功能上可以分為只讀存儲(chǔ)器（read only memory 簡(jiǎn)稱ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（random access memory 簡(jiǎn)稱RAM）兩大類。
ROM：只讀存儲(chǔ)器（Read-Only Memory）是一種只能讀取資料的存儲(chǔ)器。在制造過(guò)程中，將資料以一特制光罩（mask）燒錄于線路中，其資料內(nèi)容在寫(xiě)入后就不能更改，所以有時(shí)又稱為“光罩式只讀內(nèi)存”（mask ROM）。此內(nèi)存的制造成本較低，常用于電腦中的開(kāi)機(jī)啟動(dòng)如啟動(dòng)光盤(pán)，在系統(tǒng)裝好的電腦上時(shí)，計(jì)算機(jī)將C盤(pán)目錄下的操作系統(tǒng)文件讀取至內(nèi)存，然后通過(guò)cpu調(diào)用各種配件進(jìn)行工作這時(shí)系統(tǒng)存放存儲(chǔ)器為RAM。
ROM：可編程只讀存儲(chǔ)器（Programmable ROM，PROM）之內(nèi)部有行列式的熔絲，是需要利用電流將其燒斷，寫(xiě)入所需的資料，但僅能寫(xiě)錄一次。PROM在出廠時(shí)，存儲(chǔ)的內(nèi)容全為1，用戶可以根據(jù)需要將其中的某些單元寫(xiě)入數(shù)據(jù)0。部分的PROM在出廠時(shí)數(shù)據(jù)全為0，則用 戶可以將其中的部分單元寫(xiě)入1， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)其“編程”的目的。PROM的典型產(chǎn)品是“雙極性熔絲結(jié)構(gòu)”，如果我們想改寫(xiě)某些單元，則可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時(shí)間，原 先的熔絲即可熔斷，這樣就達(dá)到了改寫(xiě)某些位的效果。另外一類經(jīng)典的PROM為使用“肖特基二極管”的PROM，出廠時(shí)，其中的二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，還 是用大電流的方法將反相電壓加在“肖特基二極管”，造成其永久性擊穿即可。
EPROM：可抹除可編程只讀存儲(chǔ)器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）可利用高電壓將資料編程寫(xiě)入，抹除時(shí)將線路曝光于紫外線下，則資料可被清空，并且可重復(fù)使用。通常在封裝外殼上會(huì)預(yù)留一個(gè)石英透明窗以方便曝光。
OTPROM ：一次編程只讀存儲(chǔ)器（One Time Programmable Read Only Memory，OTPROM）之寫(xiě)入原理同EPROM，但是為了節(jié)省成本，編程寫(xiě)入之后就不再抹除，因此不設(shè)置透明窗。
EEPROM ：電子式可抹除可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）之運(yùn)作原理類似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場(chǎng)來(lái)完成，因此不需要透明窗。
FLASH ：快閃存儲(chǔ)器（Flash memory）的每一個(gè)記憶胞都具有一個(gè)“控制閘”與“浮動(dòng)閘”，利用高電場(chǎng)改變浮動(dòng)閘的臨限電壓即可進(jìn)行編程動(dòng)作。
隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（英語(yǔ)：Random Access Memory，縮寫(xiě)：RAM），也叫主存，是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。它可以隨時(shí)讀寫(xiě)（刷新時(shí)除外），而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。RAM工作時(shí)可以隨時(shí)從任何一個(gè)指定的地址寫(xiě)入（存入）或讀出（取出）信息。它與ROM的最大區(qū)別是數(shù)據(jù)的易失性，即一旦斷電所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將隨之丟失。RAM在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)中用來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。
SRAM ： 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加門(mén)控管而構(gòu)成的。因此，它是靠觸發(fā)器的自保功能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。SRAM存放的信息在不停電的情況下能長(zhǎng)時(shí)間保留，狀態(tài)穩(wěn)定，不需外加刷新電路，從而簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。但由于SRAM的基本存儲(chǔ)電路中所含晶體管較多，故集成度較低，且功耗較大。
DRAM ：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）利用電容存儲(chǔ)電荷的原理保存信息，電路簡(jiǎn)單，集成度高。由于任何電容都存在漏電，因此，當(dāng)電容存儲(chǔ)有電荷時(shí)，過(guò)一段時(shí)間由于電容放電會(huì)導(dǎo)致電荷流失，使保存信息丟失。解決的辦法是每隔一定時(shí)間須對(duì)DRAM進(jìn)行刷新，使原處于邏輯電平“l”的電容上所泄放的電荷又得到補(bǔ)充，原處于電平“0”的電容仍保持“0”，這個(gè)過(guò)程叫DRAM的刷新。
上述簡(jiǎn)單介紹了各類存儲(chǔ)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理不在介紹，有興趣的讀者可以自己查閱資料。
集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比（基于鍺（Ge）的集成電路）和羅伯特·諾伊思（基于硅（Si）的集成電路）。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。
集成電路是20世紀(jì)50年代后期一60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的半導(dǎo)體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個(gè)管殼內(nèi)的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。集成電路技術(shù)包括芯片制造技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)，主要體現(xiàn)在加工設(shè)備，加工工藝，封裝測(cè)試，批量生產(chǎn)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力上。
ASIC即專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。
在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)后，在用量不大的情況下，設(shè)計(jì)和制造這樣的專用集成電路不僅成本很高，而且設(shè)計(jì)、制造的周期很長(zhǎng)。可編程邏輯器件（programmable logic device 簡(jiǎn)稱PLD）的研制成功為解決這個(gè)問(wèn)題提供了理想途徑。
PLD是做為一種通用集成電路產(chǎn)生的，他的邏輯功能按照用戶對(duì)器件編程來(lái)確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計(jì)一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計(jì)人員自行編程而把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上，而不必去請(qǐng)芯片制造廠商設(shè)計(jì)和制作專用的集成電路芯片了。
基于SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）的可重配置PLD（可編程邏輯器件）的出現(xiàn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者動(dòng)態(tài)改變運(yùn)行電路中PLD的邏輯功能創(chuàng)造了條件。PLD使用SRAM單元來(lái)保存配置數(shù)據(jù)。這些配置數(shù)據(jù)決定了PLD內(nèi)部的互連關(guān)系和邏輯功能，改變這些數(shù)據(jù)，也就改變了器件的邏輯功能。
下面我們介紹兩種常用的PLD器件：CPLD和FPGA；
CPLD：復(fù)雜可編程邏輯器件，CPLD主要由邏輯塊、可編程互連通道和I/O塊三部分構(gòu)成。CPLD中的邏輯塊類似于一個(gè)小規(guī)模PLD，通常一個(gè)邏輯塊包含4～20個(gè)宏單元，每個(gè)宏單元一般由乘積項(xiàng)陣列、乘積項(xiàng)分配和可編程寄存器構(gòu)成。每個(gè)宏單元有多種配置方式，各宏單元也可級(jí)聯(lián)使用， 因此可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜組合邏輯和時(shí)序邏輯功能。對(duì)集成度較高的CPLD，通常還提供了帶片內(nèi)RAM/ROM的嵌入陣列塊?？删幊袒ミB通道主要提供邏輯塊、宏單元、輸入/輸出引腳間的互連網(wǎng)絡(luò)。輸入/輸出塊（I/O塊）提供內(nèi)部邏輯到器件I/O引腳之間的接口。
FPGA ：FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA 器件屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效的解決原有的器件門(mén)電路數(shù)較少的問(wèn)題。FPGA 的基本結(jié)構(gòu)包括可編程輸入輸出單元，可配置邏輯塊，數(shù)字時(shí)鐘管理模塊，嵌入式塊RAM，布線資源，內(nèi)嵌專用硬核，底層內(nèi)嵌功能單元。由于FPGA具有布線資源豐富，可重復(fù)編程和集成度高，投資較低的特點(diǎn)，在數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。
圖1 ：FPGA的基本結(jié)構(gòu)圖
FPGA在安防，工業(yè)等領(lǐng)域有著比較廣泛的應(yīng)用，比如安防領(lǐng)域的視頻編碼解碼等協(xié)議在前端數(shù)據(jù)采集和邏輯控制的過(guò)程中可以利用FPGA處理。工業(yè)領(lǐng)域主要采用規(guī)模較小的FPGA，滿足靈活性的需求。另外，由于 FPGA具有比較高的可靠性，因此在軍工以及航天領(lǐng)域也有比較廣泛的應(yīng)用。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷完善，相關(guān)工藝將會(huì)完成升級(jí)改造，在諸多新型行業(yè)比如大數(shù)據(jù)等，F(xiàn)PGA將會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用前景。伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，會(huì)大量應(yīng)用FPGA，人工智能等新型的領(lǐng)域也會(huì)更多的用到FPGA。
目前用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列）來(lái)進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)是最為流行的方式之一，它們的共性是都具有用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程特性，都支持邊界掃描技術(shù)，但兩者在集成度、速度以及編程方式上具有各自的特點(diǎn)。
