FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)系列精選：半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件簡介

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半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件簡介

作者：郝旭帥??校對：陸輝

半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲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)的工作過程中，都需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。因此，存儲器也就成為了數(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)量越來越大，運(yùn)算速度越來越快，這就要求存儲器具有更大的存儲容量和更快的存取速度。通常把存儲量和存取速度作為衡量存儲器性能的重要指標(biāo)。因?yàn)榘雽?dǎo)體存儲器的存儲單元數(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)存儲單元的輸入和輸出直接引出。為了解決這個(gè)矛盾，在存儲器中給每個(gè)存儲單元編了一個(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)體存儲器的種類很多，首先從存、取功能上可以分為只讀存儲器（read only memory 簡稱ROM）和隨機(jī)存儲器（random access memory 簡稱RAM）兩大類。

ROM：只讀存儲器（Read-Only Memory）是一種只能讀取資料的存儲器。在制造過程中，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，常用于電腦中的開機(jī)啟動(dòng)如啟動(dòng)光盤，在系統(tǒng)裝好的電腦上時(shí)，計(jì)算機(jī)將C盤目錄下的操作系統(tǒng)文件讀取至內(nèi)存，然后通過cpu調(diào)用各種配件進(jìn)行工作這時(shí)系統(tǒng)存放存儲器為RAM。

ROM：可編程只讀存儲器（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，寫入所需的資料，但僅能寫錄一次。PROM在出廠時(shí)，存儲的內(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入1， 以實(shí)現(xiàn)對其“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器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）可利用高電壓將資料編程寫入，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 ：一次編程只讀存儲器（One Time Programmable Read Only Memory，OTPROM）之寫入原理同EPROM，但是為了節(jié)省成本，編程寫入之后就不再抹除，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來完成，因此不需要透明窗。

FLASH ：快閃存儲器（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)存取存儲器（英語：Random Access Memory，縮寫：RAM），也叫主存，是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲器。它可以隨時(shí)讀寫（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)中用來暫時(shí)存儲程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

SRAM ：?靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加門控管而構(gòu)成的。因此，它是靠觸發(fā)器的自保功能存儲數(shù)據(jù)的。SRAM存放的信息在不停電的情況下能長時(shí)間保留，狀態(tài)穩(wěn)定，不需外加刷新電路，從而簡化了外部電路設(shè)計(jì)。但由于SRAM的基本存儲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)存儲器（DRAM）利用電容存儲電荷的原理保存信息，電路簡單，集成度高。由于任何電容都存在漏電，因此，當(dāng)電容存儲有電荷時(shí)，過一段時(shí)間由于電容放電會導(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DRAM進(jìn)行刷新，使原處于邏輯電平“l(fā)”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)過程叫DRAM的刷新。

上述簡單介紹了各類存儲器，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)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過氧化、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。可編程邏輯器件（programmable logic device 簡稱PLD）的研制成功為解決這個(gè)問題提供了理想途徑。

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器件編程來確定。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電路數(shù)較少的問題。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)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（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的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲在存儲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，隨著技術(shù)的不斷完善，相關(guān)工藝將會完成升級改造，在諸多新型行業(yè)比如大數(shù)據(jù)等，F(xiàn)PGA將會有更為廣泛的應(yīng)用前景。伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，會大量應(yīng)用FPGA，人工智能等新型的領(lǐng)域也會更多的用到FPGA。

目前用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和 FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）來進(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)。