數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)ROM

1、1數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 余余 文文 北京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院24.3 只讀存儲器只讀存儲器1.ROM的特點和性能指標2.ROM的分類 3.ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理 4.ROM的應(yīng)用3ROM的特點和性能指標wROM 只能讀出 工作時，將地址加到ROM地址輸入端，便可在數(shù)據(jù)輸出端得到一個事先存入的數(shù)據(jù)。 w優(yōu)點: 不易失性. 斷電后，存儲數(shù)據(jù)不會丟失.可長久保存.常存放固定數(shù)據(jù)、程序和函數(shù)表。w缺點: 不能重寫或改寫。w最初存入數(shù)據(jù)的過程，稱為對ROM進行編程.4 ROM的性能指標 存儲容量存儲容量和和存取時間存取時間w存儲容量存儲容量 存儲器存放信息的能力，存儲容量越大，

2、所能存儲器存放信息的能力，存儲容量越大，所能存儲的信息越多，功能越強。存儲的信息越多，功能越強。w存取時間存取時間 存取時間指一個讀存取時間指一個讀( (或?qū)懟驅(qū)? )周期。讀周期。讀( (或?qū)懟驅(qū)? )周周期越短，存取時間越短，存儲器工作速度越高。期越短，存取時間越短，存儲器工作速度越高。 5ROMROM的分類的分類 根據(jù)編程方式，分為固定ROM、一次編程ROM、多次改寫編程ROM和閃速存儲器四類。w固定ROM 掩模式只讀存儲器, 數(shù)據(jù)在芯片制造過程“固化”在ROM中，使用時讀出，不能改寫。 通常存放固定數(shù)據(jù)、程序和函數(shù)表等?？上驈S家定做。固定ROM可靠性好，集成度高,適宜大批量生產(chǎn)。w 一

3、次編程只讀存儲器（PROM） 出廠時所有存儲元全0或全1，用戶可自行改1或0。用熔絲燒斷或PN結(jié)擊穿法編程，燒斷或PN擊穿不能恢復(fù), 一次性編程.編程完畢內(nèi)容永久保存.已少使用。6ROMROM的分類的分類w可多次編程的只讀存儲器 光擦可編程只讀存儲器EPROM 電擦可編程只讀存儲器E2PROM 電改寫只讀存儲器EAROM 可用紫外光照射或加電法擦除已寫入的數(shù)據(jù)，用電方法可重新寫入新的數(shù)據(jù)?？啥啻胃膶憙?nèi)容。w閃速存儲器（FLASH) 英特爾上世紀90年代發(fā)明的一種高密度、非易失性的可讀/寫存儲器,既有EEPROM的特點，又有RAM的特點，無須編程器.7ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理 組成:由存儲矩陣、地

4、址譯碼器、輸出緩沖電路組成。 w存儲矩陣:存儲單元組成。存儲單元中存儲元個數(shù)為字長。w地址譯碼器:地址碼到存儲單元的映射.每個地址使一條w字線有效，該單元信息將送至輸出緩沖器讀出。w輸出緩沖器：讀出電路，數(shù)據(jù)輸出線D01Dm-1 又稱位線8一次編程只讀存儲器的結(jié)構(gòu)w地址譯碼器和存儲矩陣分別由與門和或門陣列組成.w與門陣列和或門陣列可用二極管構(gòu)成(如圖)。w地址線: A1、A0;w字線(W0-W3);與門陣列的輸出.w位線(數(shù)據(jù)線):D3-D0;或門陣列的輸出.w存儲容量:存儲單元數(shù)乘位數(shù)（字數(shù)乘位數(shù)）。 圖例：存儲容量為4x4(位) 9二極管ROM模型w地址譯碼-與陣列: 每個地址產(chǎn)生一條（高

5、電平）有效字線 (W0-W3),使或陣列一個單元輸出數(shù)據(jù)D3-D0w存儲矩陣-或陣列:字線W與位線的交叉點是存儲元。交叉點接二極管相當于存儲1，不接相當于存儲0w如 A1A0=11 W3線有效,若 EN=0, 則D3-D0=1110 10二極管ROM模型 【例】A1A0=00時，W0線高電平（左上兩二極管截止）或門陣列中D2、D0為1（左下兩個二極管導(dǎo)通），若EN=0，ROM輸出為D3D2D1D0=0101。 分析：A1A0=01時, ROM輸出D3D2D1D0=？11ROM點陣結(jié)構(gòu)表示法 ROM的結(jié)構(gòu)可用陣列圖來表示：w地址線、字線，（數(shù)據(jù)）位線。w字線和位線相互垂直，與陣列在上（左）, 或

6、陣列在下（右）.w與陣列交叉點（黑點）表示有一個二極管.無黑點表示沒有。w存儲矩陣交叉點(黑點)表示存儲元存1， 無黑點表示存0。12ROM工作原理(編程 ) 把ROM看作組合電路組合電路，地址碼A1A0是輸入變量，數(shù)據(jù)碼D3-D0是輸出變量，則輸出： 13ROM的工作原理 把ROM看作存儲單元 w與陣列不編程。或陣列（存儲矩陣）編程。w或陣列不同，每個單元中存儲的數(shù)據(jù)不同.14 如當?shù)刂反a如當?shù)刂反aA A2 2A A1 1A A0 0000000時，使字線時，使字線P P0 01 1，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)00000000輸出。輸出。 如當?shù)刂反a如當?shù)刂反aA2A1A0A2A1A0011011時，數(shù)據(jù)輸出

7、是什么時，數(shù)據(jù)輸出是什么? ?。若若n n條地址線，條地址線，可產(chǎn)生字線為可產(chǎn)生字線為2 2n n條，尋址條，尋址2 2n n個單元。若輸個單元。若輸出是出是m m位，存位，存儲器的總?cè)萘績ζ鞯目側(cè)萘渴鞘? 2n nm m。示例示例1 1： 一個一個8 8（字線）（字線）4 4（數(shù)據(jù)）的存儲器陣列圖（數(shù)據(jù)）的存儲器陣列圖15多次改寫編程的只讀存儲器w 除除 一次編程只讀存儲器（PROM）外，多次改寫編程的只讀存儲器有 w光（紫外線）擦可編程只讀存儲器EPROMw電擦可編程只讀存儲器E2PROMw電改寫只讀存儲器EAROM16圖例：圖例：下圖是紫外線擦除、電可編程的下圖是紫外線擦除、電可編程的E

8、PROM2716EPROM2716器件器件邏輯框圖和引腳圖。邏輯框圖和引腳圖。地址線地址線A A0 0A A1010，字線，字線20482048條條. .數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出/ /輸入線輸入線D D7 7D D0 0容量容量: 2: 211118 8位。位。CSCS為片選控制信號。為片選控制信號。 OE/PGM OE/PGM為讀出為讀出/ /寫入控制端寫入控制端: : 低電平時輸出有效，高電平時低電平時輸出有效，高電平時進行編程（寫入數(shù)據(jù)）進行編程（寫入數(shù)據(jù)）17 ROM ROM的應(yīng)用的應(yīng)用組合邏輯設(shè)計w 代碼轉(zhuǎn)換器w 組合邏輯函數(shù)計算機系統(tǒng)w 初始引導(dǎo)和加載程序的固化;w 微程序控制器的設(shè)計;w

9、 函數(shù)運算表w 字符圖形發(fā)生器w 控制系統(tǒng)中用戶程序的固化。 18ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（代碼轉(zhuǎn)換器）例 用ROM實現(xiàn)4位二進制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換 【解】 1）輸入：二進制碼B0-B3，輸出：格雷碼G3-G0，16個字,每個字四位, 故選容量為 244的ROM2）真值表3）位線編程和字線編程 19ROM的應(yīng)用的應(yīng)用方法一：位線編程-輸出函數(shù)為若干最小項之和20ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用輸出為某些最小項之和按位線編程21ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（代碼轉(zhuǎn)換器）方法二：按字線編程-輸出是各存儲單元中數(shù)據(jù)22代碼轉(zhuǎn)換器 邏輯符號圖23ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用（組合邏輯函數(shù)） ROM實現(xiàn)邏輯函數(shù)的步驟

10、：w列出函數(shù)最小項表達式(或真值表)。w選擇合適的ROM。w畫出函數(shù)的陣列圖。示例 用ROM實現(xiàn)函數(shù)24 解 方法一：按位線編程:列出函數(shù)的最小項表達式1) 按A、B、C、D 排列變量，將Y1，Y2,Y3,Y4 視作A、B、C、D 的邏輯函數(shù)，寫出各函數(shù)的最小項表達式 2) ABCD作為ROM地址輸入，4個函數(shù)對應(yīng)四輸出。選容量為164位的ROM .253由函數(shù)最小項表達式,按位線編程，畫陣列圖26ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用方法二：按字線編程:列出函數(shù)的真值表根據(jù)地址00001111，分別計算Y1,Y2,Y3,Y4, 依次寫入到ROM中。 如地址0000， 則 Y1Y2Y3Y40001。 對地址

11、0001， Y1Y2Y3Y41011。 . 對地址1111， Y1Y2Y3Y40110。 27ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（函數(shù)運算表）基本思路wROM的地址視作輸入w函數(shù)的取值作為地址中內(nèi)容，事先寫入到ROM中.w通過地址輸入,讀出相應(yīng)的函數(shù)值。M相當于是函數(shù)運算表電路。w實現(xiàn)方法與用ROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法相同。示例 用ROM實現(xiàn)函數(shù)yx2 的運算表電路。28 示例 用ROA實現(xiàn)函數(shù)yx2 的運算表電路。設(shè)x的取值范圍為0-15的正整數(shù). 分析 ：w x的取值范圍為0-15 的正整數(shù)，則對應(yīng)的4位二進制數(shù)，用BB3B2B1B0表示。w 算出y的最大值是152225，用8位二進制Y=Y7Y

12、6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。w 由此可列出yx2 的真值表。29方法1 按字線編程，分別將0、1、4、9、225,寫入到地址0000、0001、0010、0011、1111。30ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用w方法2: 按位線編程. 寫出輸出函數(shù)的最小項表達式31ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用 ROM的連線圖w按字線編程:w按位線編程:32FLASH存儲器 也稱閃存，高密度也稱閃存，高密度非易失性非易失性的讀寫存儲器。的讀寫存儲器。有有RAM和和ROM的優(yōu)點。的優(yōu)點。 wFLASH存儲元wFLASH的基本操作 wFLASH的陣列結(jié)構(gòu) 33FLASH存儲元存儲元:單個MOS晶體管組成. 漏極D,源極S，

13、控制柵和浮空柵。浮空柵: 電子多: 狀態(tài)0 電子少: 狀態(tài)1控制柵正電壓: 狀態(tài)1:SD導(dǎo)通 ;狀態(tài)0:SD不導(dǎo)通 ;讀出 源極S正電壓: 吸收浮空柵電子 擦除 寫1控制柵足夠正電: 浮空柵聚集電子 寫0 （編程）.34 三種基本操作:w編程:控制柵為編程電壓VP 寫0 操作。 控制柵無正電 ：相當于寫1w擦除:源極S為正電壓，相當于寫1. w讀出：:控制柵加讀出電壓VR 狀態(tài)1:SD導(dǎo)通 ;狀態(tài)0:SD不導(dǎo)通 ;35FLASH陣列結(jié)構(gòu) 各種存儲器性能比較( 表4.2，P，118） FLASH 主要優(yōu)點1非易失2高密度3單晶體管存儲元4可寫性37小 結(jié) ROM主要由與門或門”二級電路組成。與陣列陣列不可編程，不可編程，或門可編程。編程。 組合邏輯函數(shù)可寫為標