數(shù)字電路第8章課件

1、由十進制計數(shù)器74160和8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS251組成的邏輯電路如圖所示，試畫出在CLK信號連續(xù)作用下輸出端Z的波形，并求輸出信號的頻率與時鐘脈沖的關系。圖6.22電路和輸入波形CP、A如題4圖所示，設起始狀態(tài)Q0Q1=00，試畫出Q0、Q1、B、C的波形。第8章 半導體存儲器與可編程器件8.1 概述8.2 隨機存取存儲器 RAM8.3 只讀存儲器8.4 低密度可編程邏輯器件 了解存儲器的分類及各類存儲器的特點和應用場合，了解存儲器的主要性能指標對存儲器性能的影響；掌握半導體存儲器的邏輯功能和使用方法，理解半導體存儲器的電路結構和工作原理；熟悉可編程邏輯器件的類型、工作原理及編程方式。

2、學習目的與要求8.1 概述 存儲器是計算機硬件系統(tǒng)的重要組成部分，有了存儲器，計算機才具有“記憶”功能，才能把程序及數(shù)據(jù)的代碼保存起來，才能使計算機系統(tǒng)脫離人的干預，而自動完成信息處理的功能。 存儲器容量是存儲器系統(tǒng)的首要性能指標，因為存儲容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應計算機系統(tǒng)的功能就越強；存儲器的存取速度直接決定了整個微機系統(tǒng)的運行速度，因此，存取速度也是存儲器系統(tǒng)的重要的性能指標；存儲器的成本也是存儲器系統(tǒng)的重要性能指標。顯然，計算機對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低。 目前在計算機系統(tǒng)中，通常采用多級存儲器體系結構，即使用主存儲器、高速緩沖存儲器和外存儲器。1. 存儲

3、器概述2. 存儲器的分類 存儲器按構成的器件和存儲介質主要可分為：磁介質存儲器、半導體存儲器、光電存儲器、光盤存儲器等。按存取方式分類又可分為隨機存取存儲器、只讀存儲器兩種形式。 隨機存儲器RAM又稱讀寫存儲器，是能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫操作的一類存儲器。 只讀存儲器ROM在計算機系統(tǒng)的在線運行過程中，是只能對其進行讀操作，而不能進行寫操作的一類存儲器。ROM通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號等。 2. 存儲器的分類 計算機系統(tǒng)中，CPU可以直接對其中的單元進行讀/寫操作，因此被稱作系統(tǒng)的主存或者內存。內存一般由半導體存儲器構成，通常裝在計算機主板

4、上，存取速度快，但容量有限；輔存存儲器位于系統(tǒng)主機的外部，廣泛采用的是磁介質，CPU對其進行的存/取操作時，必須通過內存才能進行，因此稱作外存。由于CPU不能直接對外存訪問，因此外存的信息必須調入內存后才能被CPU訪問并進行處理。外存是為了彌補內存容量的不足而配置的，外存所儲信息既可修改也可長期保存，但存取速度較慢；緩沖存儲器簡稱緩存，位于主存與CPU之間，其存取速度非?？欤鎯θ萘扛?，一般用來暫時解決存取速度與存儲容量之間的矛盾，緩存提高了整個系統(tǒng)的運行速度。 （1）內存儲器 內存儲器的物理實質是具備一組或多組數(shù)據(jù)輸入、輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路。按存儲信息的功能，內存儲器可分為只讀存

5、儲器ROM、可改寫的只讀存儲器EPROM和隨機存儲器RAM。 內存通常是指隨機存儲器RAM，它的存儲單元根據(jù)具體需要可以讀出，也可以寫入或改寫。RAM用來存儲數(shù)據(jù)，RAM的大小直接影響計算機的速度，RAM越大，表明機器所能容納的資料越多，目前使用的RAM多為MOS型半導體電路，一般分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。（2）外存儲器 外存儲器一般用來存放需要永久保存的或是暫時不用的程序和數(shù)據(jù)信息。外存儲器不直接與CPU交換信息。當需要時可以調入內存和CPU交換信息。 磁盤存儲器分有軟盤和硬盤。 目前計算機中廣泛采用了價格較低、存儲容量大、可靠性高的磁介質作為外存儲器。外存儲器設備種類很多，微型計算機常用的外存儲

6、器是磁盤存儲器、光盤存儲器和優(yōu)盤存儲器等。 光盤直徑為12cm，中心有一個定位孔。光盤分為三層，最上面一層是保護層，一般涂漆并注明光盤的有關說明信息；中間一層是反射金屬薄膜層；底層是聚碳酸酯透明層。記錄信息時，使用激光在金屬薄膜層上打出一系列的凹坑和凸起，將它們按螺旋形排列在光盤的表面上，稱為光道。目前廣泛應用的主要是只讀型光盤CD-ROM。讀取光盤上的信息是利用激光頭發(fā)射的激光束對光道上的凹坑和凸起進行掃描，并使用光學探測器接收反射信號。當激光束掃描至凹坑的邊緣時，表示二進制數(shù)字“1”；當激光束掃描至凹坑內和凸起時，均表示二進制數(shù)字“0”。光盤的主要優(yōu)點是結構原理簡單、存儲信息容量大，十分方

7、便于大量生產，且價格低廉。 優(yōu)盤采用了Flash Memory存儲技術，它通過二氧化硅形狀的變化來記憶數(shù)據(jù)。由于二氧化硅穩(wěn)定性大大強于磁存儲介質，使得優(yōu)盤存儲數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。同時二氧化硅還可以通過增加微小的電壓來改變形狀，從而達到反復擦寫的目的。優(yōu)盤又稱為快閃存儲器，其工作原理和磁盤、光盤完全不同。如果使用的Flash Memory材質品質優(yōu)良，一個優(yōu)盤甚至能夠達到擦寫百萬次的壽命。從優(yōu)盤的外部來看，輕便小巧，便于攜帶；從內部來說，由于無機械裝置，其結構堅固、抗震性極強。優(yōu)盤還有一個最突出的特點，就是它不需要驅動器。使用優(yōu)盤只需用一個USB接口，就可以十分方便地做到文件共享與交流，即插即

8、用，熱插拔也沒問題。作為新一代的存儲設備，優(yōu)盤具有很好地發(fā)展前景。 3. 存儲器的主要技術指標 存儲器中可容納的二進制信息量稱為它的存儲容量。存儲器存儲信息以8位二進制為最小單位，稱為一個“字節(jié)”，由于存儲器容量一般都很大，因此字節(jié)的常用單位還有KB、MB和GB。其中1KB=1024字節(jié)，1MB=1024KB，1GB=1024MB。 存儲器容量越大，存儲的信息量也越大，計算機運行的速度也就越快。內存的最大容量是由系統(tǒng)地址總線決定的，例如一個Pentium4計算機，其地址總線為36位，決定了內存允許的最大容量為236=64GB。（1）存儲容量 計算機內存的存取速度取決于內存的具體結構及工作機制。

9、存取速度通常用存儲器的存取時間或存取周期來描述。 所謂存取時間，就是指啟動一次存儲器從操作到完成操作所需要的時間；存取周期是指兩次存儲器訪問所需的最小時間間隔。存取速度是存儲器的一項重要參數(shù)。一般情況下，存取速度越快，計算機運行的速度才能越快。 （2）存取速度 半導體存儲器屬于大規(guī)模集成電路，集成度高，體積小，因此散熱不容易。在保證速度的前提下，應盡量減小功耗。由于MOS型存儲器的功耗小于相同容量的雙極型存儲器，所以MOS型存儲器的應用比較廣泛。 （3）功耗 存儲器對電磁場、溫度變化等因素造成干擾的抵抗能力稱其可靠性，也叫電磁兼容性。半導體存儲器采用大規(guī)模集成電路工藝制造，內部連線少，體積小，

10、易于采取保護措施。與相同容量的其他類型存儲器相比，半導體存儲器抗干擾能力較強，兼容性較好。 （4）可靠性 存儲器芯片的集成度越高，構成相同容量的存儲器芯片數(shù)就越少。MOS型存儲器的集成度高于雙極型存儲器，動態(tài)存儲器的集成度高于靜態(tài)存儲器。因此，微型計算機的主存儲器大多采用動態(tài)存儲器。 除上述指標外，還有性能價格比、輸入、輸出電平及成本價格等指標。（5）集成度 目前使用的半導體存儲器，主要類型是什么？按其存儲信息的功能又可分為哪兩大類。 存儲器內存的最大容量是由什么來決定的？ 多看多練多做何謂計算機的存儲容量？存儲容量的大小通常用什么來表示？ 檢驗學習結果 多級結構的存儲器是由哪三級存儲器組成的

11、？每一級存儲器使用什么類型的存儲介質？ 計算機的內存儲器由ROM和RAM兩部分組成。其中只能讀不能寫的存儲器，稱為只讀存儲器ROM；即能讀又能寫的存儲器，叫做可讀寫存儲器RAM，可讀寫存儲器也被人們稱為隨機存取存儲器。 通常ROM中的程序和數(shù)據(jù)是事先存入的，在工作過程中不能改變，這種事先存入的信息不會因下電而丟失，因此ROM常用來存放計算機監(jiān)控程序、基本輸入輸出程序等系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。RAM中的信息則下電就會消失，所以主要用來存放應用程度和數(shù)據(jù)。 對存儲器的讀寫或取出都是隨機的，通常要按順序隨機存取。按順序隨機存取有兩種方式：先進先出；后進先出。8.2 隨機存取存儲器RAM存儲矩陣讀寫控制器行地

12、址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結構框圖 mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫控制存儲矩陣： 存儲矩陣是存儲器的主體，含有大量的基本存儲單元。通常數(shù)據(jù)和指令是用一定位數(shù)的二進制數(shù)來表示的，這個二進制數(shù)稱為字，字的位數(shù)稱為字長。存儲器以字為單位進行存儲，為了存入和取出的方便，必須給每個字單元以確定的標號，這個標號稱為地址，不同的字單元具有不同的地址。存儲器的容量由地址碼的位數(shù)m決定，當?shù)刂反a的位數(shù)為n，字長的位數(shù)為m時，存儲器內含2nm個存儲單元。 1. RAM的功能與結構存儲矩陣讀寫控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結構框圖 mn位地址碼 1. RAM的功能與結構輸出控制m位

13、數(shù)據(jù)片選控制讀/寫控制地址譯碼器： RAM中的每個寄存器都有一個編號，稱為地址。每次讀/寫信息時，只能和某一個指定地址的寄存器之間進行取出或是存入，此過程稱為訪問存儲器。 編址方式有：單譯碼編址、雙譯碼編碼存儲矩陣讀寫控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結構框圖 mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫控制讀寫控制器： 讀/寫控制線（ R/W ）可對RAM的讀出和寫入進行控制。如R/W0時，執(zhí)行寫操作，R/W1時，執(zhí)行讀操作；由地址輸入端輸入的n 位地址碼經地址譯碼器譯碼后選中一組(信息長度m 位)存儲單元，m位的二進制代碼經I/O 接口被寫入或被讀出。 1. RAM的功能與結構存儲

14、矩陣讀寫控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結構框圖 mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫控制I/O控制器： 為了節(jié)省器件引腳的數(shù)目，數(shù)據(jù)的輸入和輸出共用相同的I/O引腳。讀出時它們是輸出端，寫入時它們又是輸入端，即一線二用，由讀/寫控制線控制。I/O端子數(shù)決定于一個地址中寄存器的位數(shù)。通常RAM中寄存器有五種輸入信號和一種輸出信號：地址輸入信號、讀/寫控制輸入信號、 OE輸出控制信號、 CS片選控制輸入信號、數(shù)據(jù)輸入信號和數(shù)據(jù)輸出信號。 1. RAM的功能與結構存儲矩陣讀寫控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結構框圖 mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫控制片選控

15、制： 由于集成度的限制，通常要把許多片RAM組裝在一起構成一臺計算機的存儲器。當CPU訪問存儲器時，存儲器中只允許一片RAM中的一個地址與CPU交換信息，其它片RAM不能與CPU發(fā)生聯(lián)系，所謂片選就是實現(xiàn)這種控制。通常一片RAM有1根或幾根片選線，當某一片的片選線為有效電平時，則該片被選中，地址譯碼器的輸出信號控制該片某個地址與CPU接通；片選線為無效電平時，與CPU之間呈斷開狀態(tài)。例如片選信號CS“1”時，RAM禁止讀寫，處于保持狀態(tài)，I/O口的三態(tài)門處于高阻抗狀態(tài)；CS“0”時，RAM可在讀/寫控制輸入R/W的作用下作讀出或寫入操作。2. RAM的存儲單元電路 存儲單元是RAM的核心部分，

16、 RAM字中所含的位數(shù)是由具體的RAM器件決定的，可以是4位、8位、16位和32位等。每個字是按地址存取的。一般操作順序是：先按地址選中要進行讀或寫操作的字，再對找到的字進行讀或寫操作。打一比方：存儲器好比一座宿舍樓，地址對應著房間號，字對應著房間內住的人，位對應床位。 存儲器按功能的不同可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，按所用元件的類型又可分為雙極型和單極型兩種。雙極型存儲單元速度高，單極型存儲單元功耗低、容量大。在要求存取速度快的場合常用雙極型RAM電路，對速度要求不高場合下，常用單極型存儲器。我們主要以單極型存儲器為例介紹RAM的工作原理。存儲數(shù)據(jù)輸出T1QQ+UDD1位線 (1) 靜態(tài)RAM存儲單

17、元0位線行選擇線T2T3T4T6T5 圖中T1和T2、T3和T4分別構成兩個反相器。兩個反相器交叉耦合又構成了基本觸發(fā)器，作為儲存信號的單元，當Q時為“1”態(tài)，Q0時為“0”態(tài)。T5和T6是門控管，其導通和截止均受行選擇線控制。當行選擇線為高電平時，T5T6導通，觸發(fā)器輸出端與位線接通1當行選擇線為低電平時，T5T6截止，存儲單元和位線斷開。導通導通0截止截止保持原態(tài)不變10動態(tài)RAM存儲單元 (2) 動態(tài)RAM存儲單元C 一個MOS管和一個電容即可組成一個最簡單的動態(tài)存儲單元電路。 由于C和數(shù)據(jù)線的分布電容C0相并，因此C要損失部分電荷。為保持原有信息不變，使放大后的數(shù)據(jù)同時回送到數(shù)據(jù)線上，

18、對C應進行重寫，稱為刷新。對長時間無讀/寫操作的存儲單元，C會緩慢放電，所以存儲器必須定時對所有存儲單元進行刷新，這是動態(tài)存儲器的特點。 字選線TC0數(shù)據(jù)線 當存儲單元未被選中時： 當存儲單元被選中時：0截止隔離 寫入時，送到數(shù)據(jù)線上的二進制信號經T存入C中；讀出時，C的電平經數(shù)據(jù)線讀出，讀出的數(shù)據(jù)經放大后，再送到輸出端。1導通讀/寫操作 3. RAM的容量擴展 RAM的容量由地址碼的位數(shù)n和字的位數(shù)m共同決定。因此常用的容量擴展法有位擴展、字擴展和字位擴展三種形式。16片1024字1位的RAM構成1024字16位的RAM。地址碼A0A9CSI /O 16 片1片16片2I /O 2I /O

19、1 如果一片RAM中的字數(shù)已經夠用，而每個字的位數(shù)不夠用時，可采用位擴展連接方式解決。其數(shù)據(jù)位的擴展方法是：將各個RAM的地址碼并聯(lián)片選端并聯(lián)即可。 RAM的字擴展 下圖所示為RAM字擴展的典型實例: 利用兩片1024字4位的RAM器件構成2048字4位的RAM。A0A9A10片 1片 2I/O 14CS1CS 利用地址碼的最高位A10控制RAM器件的片選CS端，以決定哪一片RAM工作。地址碼的低A0A9并聯(lián)接到兩片RAM的地址輸入端。兩片RAM的數(shù)據(jù)輸入/輸出端（I/O14）按位對應地并聯(lián)使用。RAM有幾種類型的存儲單元？各適用于什么場合？什么是隨機存儲器？隨機存儲器有何特點？多看多練多做

20、存儲器的容量由什么來決定？在工作過程中，既可方便地讀出所存信息，又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)的存儲器稱為隨機存儲器，隨機存儲器。其特點是在系統(tǒng)工作時，可以很方便地隨機地對各個存儲單元進行讀/寫操作，但發(fā)生掉電時數(shù)據(jù)易丟失。檢驗學習結果按功能不同可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，按所用元件可分為雙極型和單極型雙極型存儲器適用于存取速度要求高的場合，單極型的存儲器適用于容量大、低功耗，對速度 要求不高的場合。存儲器的容量是由地址碼的位數(shù)n和字長的位數(shù)m共同決定的。 可編程邏輯器件屬于只讀存儲器ROM，其方框圖與RAM相似。ROM將RAM的讀寫電路改為輸出電路；ROM的存儲單元由一些二極管、MOS管及熔絲構成，結構比較

21、簡單。 1. 只讀存儲器ROM的基本概念 只讀存儲器在工作時只能進行讀出操作，結構原理如下：存儲單元矩陣地址譯碼n2n“位”mm數(shù)據(jù)I/O地址碼“字”輸出電路 只讀存儲器ROM的特點是：存儲單元簡單，集成度高，且掉電時數(shù)據(jù)不會丟失。8.3 只讀存儲器 只讀存儲器ROM存入數(shù)據(jù)的過程稱為“編程”。根據(jù)編程方式的不同，可分為掩膜ROM，一次性編程的PROM、可多次編程的EPROM和電改寫的E2PROM。早期制造的PROM可編程邏輯器件的存儲單元利用其內部熔絲是否被燒斷來寫入數(shù)據(jù)的，因此只能寫入一次，使其應用受到很大限制。 2、可編程邏輯器件的存儲單元PROM是一種可編程邏輯器件，它的地址譯碼器是一

22、個固定的“與”陣列，它的“存儲矩陣”是一個可編程的“或”陣列。一個83 PROM的陣列圖如圖8.3.1所示。O0A2 A1 A0O2O1圖8.3.1 PROM陣列圖3、 PROM的陣列結構與陣列：全譯碼陣列， n輸入變量有2n個地址，對應2n根字線。或陣列：一組或門，輸出端輸出數(shù)據(jù)，輸入端是位線，字線與位線的2nm個交叉點都是可編程接點。用一個譯碼器框代 替固定的與陣列,得到PROM的簡化陣列 地址譯碼器O2O1O0A2A1A0【舉例】試用ROM實現(xiàn)兩個兩位二進制數(shù)的乘法運算。 解：設這兩個乘數(shù)為A1 A0 和B1 B0，積為L3 L2 L1 L0，列出乘法表，畫出實現(xiàn)兩位二進制數(shù)乘法的簡化陣

23、列圖A1 A0 B1 B0L3 L2 L1 L00 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 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 譯 碼 器A3A2A1A0W0W15L3L

24、2L1L0A1A0B1B0 8.4 低密度可編程邏輯器件 可編程邏輯器件按編程方式可分為掩膜編程和現(xiàn)場編程。掩膜編程是由生產廠家采用掩模工藝專門為用戶制作；現(xiàn)場編程則是由用戶在工作現(xiàn)場進行編程，以實現(xiàn)所需要的邏輯功能。 任意一個邏輯函數(shù)都可以寫成與或表達形式，所以可編程邏輯器件的基本結構是一個與陣列和一個或陣列。與門陣列乘積項或門陣列和項PLD主體示意圖 PLD有較大的與或陣列，其邏輯圖的畫法也與傳統(tǒng)的畫法有較大的區(qū)別。&A B C DF1F1=ABD固定連接邏輯連接與陣列1A B C DF2或陣列F2=A+C 可編程邏輯陣列PLA在存儲器中的主要應用是構成組合邏輯電路，下面我們舉例進行說明。 (1)可編程邏輯陣列PLAPLA的特點： 與陣列和或陣列都可以編程。 PLA中的與陣列被編程產生所需的全部與項； PLA中的或陣列被編程完成相應與項間的或運算并產生輸出。 由此大大提高了芯片面積的有效利用率。例由圖可得 Y1 = ABC + ABC + ABC Y2 = ABC + ABC Y3 = ABC + ABCABC與陣列Y3Y2Y1或陣列例 用 PLA 實現(xiàn)邏輯函數(shù)