第七章 大规模集成电路
集成电路规模的大小，经常用其所包含的晶体管或
逻辑门的数量来区分，如 1000个元件或 100个门以上的
称为大规模集成电路。而我们讲过的编码器、译码器、
计数器为中规模电路，反相器、与非门为小规模电路。
随着集成电路制造工艺的飞速发展，集成度不断提
高因此划分的标准也不断提高，几十 ~几百门、几百 ~几
千门、几千 ~几万门成为小、中、大的划分标准。
大规模集成电路的结构不一定是中小规模电路的简
单集成，它通常常常作为一个相对独立的数字系统，完
成某一方面的功能。典型的大规模集成电路有：微处理
器、存储器、可编程逻辑器件等。
从应用角度来看，大规模集成电路可分为通用型和
专用型两类。通用型由生产厂家设计制作，力求满足大
多数用户的需要；专用型是根据某一用户的特殊要求而
专门设计制作的。
设计专用集成电路有以下几种形式：
专用集成电路 ASIC （ Application Specific
Integrated Circuits） 先由用户提出设计要求，或给出
设计的软件，再由厂家制作。前期投入较大，适于大批
量生产。
可编程逻辑器件 PLD （ Programmable Logic
Device ） 由用户自己完成设计和编程。单片成本相
对较高，但几乎不需要前期投入，综合成本完全可以接
受，适于小批量使用。
由于课时有限，我们不准备按书上的顺序讲解，而
是就几个重点问题加以说明。
一、随机存储器（ RAM）基本结构
随机存储器可以随时写入新的数据，可以读出保存
的数据，当切断电源后，数据将丢失。
随机存储器有两大类。
随机 静态 存储器：在不断电的条件下，数据一经写
入,可以长期保持,属于触发器结构。
随机 动态 存储器：在不断电的条件下，数据写入后
要定时刷新,否则数据可能丢失，基于 MOS管栅极寄生
电容的充放电效应。
1、
六
管
静
态
存
储
单
元
2、
四
管
动
态
存
储
单
元
二、只读存储器（ ROM）基本结构
只读存储器是指正常情况下，只能读出数据，不能
写入新数据的一类存储器。写入数据需要专门的方法。
只读存储器有几种形式：
ROM,由厂家在制造时写入数据，不可更改。
PROM,由用户自己写入数据，但只能写一次。
EPROM：用专用编程器写入数据，可用紫外线擦
除，因此可重复使用。写入有次数限制。
E2PROM：可以象 RAM一样在线读写，不需要特殊
的编程手段，但写入次数有限。
几种 ROM的基本结构是一样的，一个 固定的与阵列
（地址译码）和一个 可编程或阵列 （数据内容）。
1、
ROM
二
极
管
结
构
MOS
型
ROM
简
化
画
法
2、
PROM
熔
丝
结
构
3,EPROM
利用 叠层栅管的雪崩效应，在漏源级之间加高压形成
雪崩，产生很多高能电子，在控制栅也加高压，使浮栅带
电；加紫外线浮栅放电。
4,E2PROM 利用叠层栅管的隧道效应
D1接地,G1接高压俘获电子； G1接地,D1接高压
释放电荷。用高压脉冲，
不用紫外线。
快闪存储器 （ FLASH）
用雪崩效应写入、用隧道效应擦除。
擦除时将所有单元同时擦除。单管集成度很高。
5、利用 ROM实现组合逻辑函数
由 ROM的结构特点我们可以发现：
“与阵列”给出了输入 A0~An的全部最小项组合。
“或阵列”的每个输出位 Di都是一个大或门的输出，
大或门的输入可任选所有最小项。
因此，每个输出位 Di就是一个逻辑函数。多个输出
位可以同时实现多个逻辑函数。用 ROM实现多输出逻辑
函数是很方便的，如 BCD七段显示译码器。
三、可编程逻辑器件
EPROM,E2PROM都是可编程器件，可以实现组合
逻辑函数，但它们的主要用途是存储数据，所以将它们
单列出去。
通常我们所说的可编程逻辑器件主要由以下几种：
可编程逻辑阵列（ PLA） ——“与阵列”、“或阵
列”都可编程，更加灵活，“与阵列”可有选择地提供
部分最小项，有利于简化电路。 一次性编程 。
可编程阵列逻辑（ PAL） ——“与阵列”可编程，
“或阵列”固定，输出形式多种多样可选：三态、反馈、
触发器，但不可全部兼得。 一次性编程 。
通用阵列逻辑（ GAL） ——“与阵列”可编程，
“或阵列”固定（个别型号可编程），采用 E2PROM和
CMOS静态 RAM技术，可以有限次重复使用。
GAL的输出采用逻辑宏单元，包括所有输出形式。
不用选择不同类型的芯片。
以上三种属于早期的小规模的 PLD器件，内部结构
简单，工作速度快，适于完成较简单的逻辑功能。
现场可编程门阵列（ FPGA,Field Programmable
Gates Array) —— 在 PAL,GAL的基础上发展起来的，
规模较大，外部引脚多，内部资源丰富，有的包含几十
万个逻辑门，可以构成一个独立的子系统。 内部包含
RAM结构，上电下载，掉电丢失。便于修改逻辑设计。
复杂的可编程逻辑器件（ CPLD,Complex Progra-
mmable Logic Device ) —— 与 FPGA类似
1,PLA可编程逻辑阵列（与或阵列均可编程）
四条与输出线，也可以解
决三变量逻辑问题。
2,PAL可编程阵列逻辑
熔丝结构，与阵列可编程，或阵列固定。
3,GAL通用阵列逻辑
GAL从阵列结构上分有两类：
PAL型 ---与阵列可编程，或阵列固定，与 PAL一致。
PLA型 ---与、或阵列均可编程，与 PLA一致。
GAL的电路特点是：
GAL采用 E2PROM的浮栅技术，可以电擦除重复使用。
GAL采用逻辑宏单元（ LMC），将输出、输入的多种
形式集于一身，可通过编程选择，使芯片型号种类减少。
GAL的编程方式有两类,用专用编程器或在线编程。
GAL目前仍然在广泛应用，主要用于综合几种逻辑
门电路，不规则译码器，实现专用逻辑功能等。
常用的 GAL芯片有 GAL16V8,GAL20V8等，下面
我们简单介绍一下 GAL的内部结构。 以 GAL16V8为例。
GAL内部输出逻辑宏单元的内部结构
GAL的编程有相应的软件，可以用逻辑图的形式给
出，也可以用特定格式的表达式描述。
无论用什么方式描述逻辑功能，最终都要编译成对
应交叉点通断的编程文件，最后用编程器写入就可以了。
GAL设有加密位，加密后不能读出内部的编程状态。
但目前有解密的方法，所以不可靠。
集成电路规模的大小，经常用其所包含的晶体管或
逻辑门的数量来区分，如 1000个元件或 100个门以上的
称为大规模集成电路。而我们讲过的编码器、译码器、
计数器为中规模电路，反相器、与非门为小规模电路。
随着集成电路制造工艺的飞速发展，集成度不断提
高因此划分的标准也不断提高，几十 ~几百门、几百 ~几
千门、几千 ~几万门成为小、中、大的划分标准。
大规模集成电路的结构不一定是中小规模电路的简
单集成，它通常常常作为一个相对独立的数字系统，完
成某一方面的功能。典型的大规模集成电路有：微处理
器、存储器、可编程逻辑器件等。
从应用角度来看，大规模集成电路可分为通用型和
专用型两类。通用型由生产厂家设计制作，力求满足大
多数用户的需要；专用型是根据某一用户的特殊要求而
专门设计制作的。
设计专用集成电路有以下几种形式：
专用集成电路 ASIC （ Application Specific
Integrated Circuits） 先由用户提出设计要求，或给出
设计的软件，再由厂家制作。前期投入较大，适于大批
量生产。
可编程逻辑器件 PLD （ Programmable Logic
Device ） 由用户自己完成设计和编程。单片成本相
对较高，但几乎不需要前期投入，综合成本完全可以接
受，适于小批量使用。
由于课时有限，我们不准备按书上的顺序讲解，而
是就几个重点问题加以说明。
一、随机存储器（ RAM）基本结构
随机存储器可以随时写入新的数据，可以读出保存
的数据，当切断电源后，数据将丢失。
随机存储器有两大类。
随机 静态 存储器：在不断电的条件下，数据一经写
入,可以长期保持,属于触发器结构。
随机 动态 存储器：在不断电的条件下，数据写入后
要定时刷新,否则数据可能丢失，基于 MOS管栅极寄生
电容的充放电效应。
1、
六
管
静
态
存
储
单
元
2、
四
管
动
态
存
储
单
元
二、只读存储器（ ROM）基本结构
只读存储器是指正常情况下，只能读出数据，不能
写入新数据的一类存储器。写入数据需要专门的方法。
只读存储器有几种形式：
ROM,由厂家在制造时写入数据，不可更改。
PROM,由用户自己写入数据，但只能写一次。
EPROM：用专用编程器写入数据，可用紫外线擦
除，因此可重复使用。写入有次数限制。
E2PROM：可以象 RAM一样在线读写，不需要特殊
的编程手段，但写入次数有限。
几种 ROM的基本结构是一样的，一个 固定的与阵列
（地址译码）和一个 可编程或阵列 （数据内容）。
1、
ROM
二
极
管
结
构
MOS
型
ROM
简
化
画
法
2、
PROM
熔
丝
结
构
3,EPROM
利用 叠层栅管的雪崩效应，在漏源级之间加高压形成
雪崩，产生很多高能电子，在控制栅也加高压，使浮栅带
电；加紫外线浮栅放电。
4,E2PROM 利用叠层栅管的隧道效应
D1接地,G1接高压俘获电子； G1接地,D1接高压
释放电荷。用高压脉冲，
不用紫外线。
快闪存储器 （ FLASH）
用雪崩效应写入、用隧道效应擦除。
擦除时将所有单元同时擦除。单管集成度很高。
5、利用 ROM实现组合逻辑函数
由 ROM的结构特点我们可以发现：
“与阵列”给出了输入 A0~An的全部最小项组合。
“或阵列”的每个输出位 Di都是一个大或门的输出，
大或门的输入可任选所有最小项。
因此，每个输出位 Di就是一个逻辑函数。多个输出
位可以同时实现多个逻辑函数。用 ROM实现多输出逻辑
函数是很方便的，如 BCD七段显示译码器。
三、可编程逻辑器件
EPROM,E2PROM都是可编程器件，可以实现组合
逻辑函数，但它们的主要用途是存储数据，所以将它们
单列出去。
通常我们所说的可编程逻辑器件主要由以下几种：
可编程逻辑阵列（ PLA） ——“与阵列”、“或阵
列”都可编程，更加灵活，“与阵列”可有选择地提供
部分最小项，有利于简化电路。 一次性编程 。
可编程阵列逻辑（ PAL） ——“与阵列”可编程，
“或阵列”固定，输出形式多种多样可选：三态、反馈、
触发器，但不可全部兼得。 一次性编程 。
通用阵列逻辑（ GAL） ——“与阵列”可编程，
“或阵列”固定（个别型号可编程），采用 E2PROM和
CMOS静态 RAM技术，可以有限次重复使用。
GAL的输出采用逻辑宏单元，包括所有输出形式。
不用选择不同类型的芯片。
以上三种属于早期的小规模的 PLD器件，内部结构
简单，工作速度快，适于完成较简单的逻辑功能。
现场可编程门阵列（ FPGA,Field Programmable
Gates Array) —— 在 PAL,GAL的基础上发展起来的，
规模较大，外部引脚多，内部资源丰富，有的包含几十
万个逻辑门，可以构成一个独立的子系统。 内部包含
RAM结构，上电下载，掉电丢失。便于修改逻辑设计。
复杂的可编程逻辑器件（ CPLD,Complex Progra-
mmable Logic Device ) —— 与 FPGA类似
1,PLA可编程逻辑阵列（与或阵列均可编程）
四条与输出线，也可以解
决三变量逻辑问题。
2,PAL可编程阵列逻辑
熔丝结构，与阵列可编程，或阵列固定。
3,GAL通用阵列逻辑
GAL从阵列结构上分有两类：
PAL型 ---与阵列可编程，或阵列固定，与 PAL一致。
PLA型 ---与、或阵列均可编程，与 PLA一致。
GAL的电路特点是：
GAL采用 E2PROM的浮栅技术，可以电擦除重复使用。
GAL采用逻辑宏单元（ LMC），将输出、输入的多种
形式集于一身，可通过编程选择，使芯片型号种类减少。
GAL的编程方式有两类,用专用编程器或在线编程。
GAL目前仍然在广泛应用，主要用于综合几种逻辑
门电路，不规则译码器，实现专用逻辑功能等。
常用的 GAL芯片有 GAL16V8,GAL20V8等，下面
我们简单介绍一下 GAL的内部结构。 以 GAL16V8为例。
GAL内部输出逻辑宏单元的内部结构
GAL的编程有相应的软件，可以用逻辑图的形式给
出，也可以用特定格式的表达式描述。
无论用什么方式描述逻辑功能，最终都要编译成对
应交叉点通断的编程文件，最后用编程器写入就可以了。
GAL设有加密位，加密后不能读出内部的编程状态。
但目前有解密的方法，所以不可靠。
