第4章存儲(chǔ)邏輯

第4章存儲(chǔ)邏輯4.1特殊存儲(chǔ)器4.2隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM4.3只讀存儲(chǔ)器ROM4.4FLASH存儲(chǔ)器4.5存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充4.1特殊存儲(chǔ)器存儲(chǔ)邏輯是時(shí)序邏輯和組合邏輯相結(jié)合的產(chǎn)物。能夠存儲(chǔ)m×n個(gè)二進(jìn)制比特?cái)?shù)的邏輯電路叫做存儲(chǔ)器。與存儲(chǔ)器相比，特殊存儲(chǔ)部件如：寄存器堆、寄存器隊(duì)列、寄存器堆棧是由寄存器組成。特點(diǎn)：存儲(chǔ)容量小，邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作速度快。寄存器和存儲(chǔ)器區(qū)別：類似于一維數(shù)組與二維數(shù)組的區(qū)別。4.1.1寄存器堆一個(gè)寄存器是由n個(gè)觸發(fā)器或鎖存器按并行方式輸入且并行方式輸出構(gòu)成。當(dāng)要存儲(chǔ)更多的字時(shí)，需要使用集中的寄存器組邏輯結(jié)構(gòu)：寄存器堆。它實(shí)際上是一個(gè)容量極小的存儲(chǔ)器。向寄存器寫數(shù)或讀數(shù)，必須先給出寄存器的地址。讀/寫工作是分時(shí)進(jìn)行的。邏輯結(jié)構(gòu)圖原理示意圖4.1.2寄存器隊(duì)列寄存器隊(duì)列是以FIFO（先進(jìn)先出）方式用若干個(gè)寄存器構(gòu)建的小型存儲(chǔ)部件。4.1.3寄存器堆棧寄存器堆棧是以LIFO（后進(jìn)先出）方式用若干個(gè)寄存器構(gòu)建的小型存儲(chǔ)部件。進(jìn)棧：數(shù)據(jù)由通用寄存器壓進(jìn)棧時(shí)，必須先傳送到棧頂寄存器；再有新數(shù)據(jù)進(jìn)棧，原棧頂寄存器送到下一寄存器，新數(shù)據(jù)進(jìn)入棧頂寄存器。即棧頂寄存器總存放最近進(jìn)棧的數(shù)據(jù)。出棧：出棧時(shí)，相反，棧頂寄存器的數(shù)據(jù)先彈出到通用寄存器。即出棧的數(shù)據(jù)總是最近進(jìn)入的數(shù)據(jù)。4.2隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM寄存器堆等特殊存儲(chǔ)部件只存放有限的幾個(gè)數(shù)據(jù)，本節(jié)所述半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱RAM），可存放大量的數(shù)據(jù)。從工藝上，RAM分為雙極型和MOS型兩類。從機(jī)理上，RAM分為SRAM存儲(chǔ)器和DRAM存儲(chǔ)器兩類。RAM屬于易失性存儲(chǔ)器（斷電后信息會(huì)丟失）。4.2.1RAM的邏輯結(jié)構(gòu)主體是存儲(chǔ)矩陣，另有地址譯碼器和讀寫控制電路兩大部分。存儲(chǔ)矩陣：若干排成陣列形式的存儲(chǔ)元（每個(gè)存儲(chǔ)元能存儲(chǔ)一個(gè)比特）。存儲(chǔ)單元：由一組有序排列的存儲(chǔ)元組成，存儲(chǔ)的基本單位。只能對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作。不能對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)元進(jìn)行讀寫操作。存儲(chǔ)器的容量：由存儲(chǔ)元的總數(shù)目決定。4.2.2地址譯碼方法存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)矩陣組織方式不同，可分為：?jiǎn)巫g碼結(jié)構(gòu)和雙譯碼結(jié)構(gòu)。1、單譯碼結(jié)構(gòu)需要一個(gè)譯碼器。每個(gè)存儲(chǔ)元只有一條選擇線（字線）。單譯碼結(jié)構(gòu)（也稱字結(jié)構(gòu)）：每次讀／寫時(shí)，選中一個(gè)字的所有存儲(chǔ)元。4.2.2地址譯碼方法讀操作4.2.2地址譯碼方法寫操作4.2.2地址譯碼方法2、雙譯碼結(jié)構(gòu)兩個(gè)地址譯碼器。每個(gè)存儲(chǔ)元有兩條選擇線

。能讀寫存儲(chǔ)元：行選線X和列選線Y有效時(shí)的交叉點(diǎn)存儲(chǔ)元。雙譯碼結(jié)構(gòu)RAM：需要有X（行地址）和Y（列地址）。雙譯碼結(jié)構(gòu)容易構(gòu)成大容量存儲(chǔ)器。目前使用的RAM和EPROM，都使用雙譯碼形式4.2.2地址譯碼方法讀操作4.2.2地址譯碼方法寫操作4.2.3SRAM存儲(chǔ)器1、SRAM存儲(chǔ)元SRAM存儲(chǔ)器：靜態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器，與DRAM存儲(chǔ)器不同之處在存儲(chǔ)元電路的機(jī)理不一樣。SRAM存儲(chǔ)元，用一個(gè)鎖存器構(gòu)成。4.2.3SRAM存儲(chǔ)器2、SRAM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)芯片的位數(shù)：字長(zhǎng)1位、4位、8位、16位、32位、64位等。32K×8位SRAM芯片邏輯圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。/CS=0：芯片被選中，可以進(jìn)行讀／寫操作/WE=0：執(zhí)行存儲(chǔ)單元寫操作，輸入緩沖器被打開，輸出緩沖器被關(guān)閉（兩者互鎖）4.2.3SRAM存儲(chǔ)器/WE=1：執(zhí)行存儲(chǔ)單元讀操作，輸入緩沖器被關(guān)閉，輸出緩沖器被打開。4.2.4DRAM存儲(chǔ)器DRAM存儲(chǔ)器：動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。DRAM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)元不使用鎖存器，而是用１個(gè)小電容器。優(yōu)點(diǎn)：非常簡(jiǎn)單，集成度高，位成本較低。缺點(diǎn)：超過一定周期，電容電荷泄漏而可能丟失所存信息。措施：必須及時(shí)補(bǔ)充電荷，這種過程叫做刷新或再生。4.2.4DRAM存儲(chǔ)器1、DRAM存儲(chǔ)元的基本操作4.2.4DRAM存儲(chǔ)器2、DRAM基本結(jié)構(gòu)1M×1位DRAM存儲(chǔ)器框圖4.3只讀存儲(chǔ)器ROM只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱ROM，它只能讀出不能寫入。ROM的最大優(yōu)點(diǎn)是具有不易失性，即使電源斷電，ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，因而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。ROM分為：掩模ROM和可編程ROM兩類。掩模式只讀存儲(chǔ)器（ROM）：這類ROM所存的數(shù)據(jù)，在芯片制造過程中就確定了，使用時(shí)只能讀出，不能改變。優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，集成度高。缺點(diǎn)是不能改寫。這種器件只能專用，用戶可向廠家定做。4.3只讀存儲(chǔ)器ROM可編程ROM又可以分為兩類：一次編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）：在產(chǎn)品出廠時(shí)，所有存儲(chǔ)元均置成全0或全1，用戶根據(jù)需要可自行將某些存儲(chǔ)元改為1或0。多次改寫編程的只讀存儲(chǔ)器，這類ROM有EPROM，E2PROM。4.3.1掩模ROM1、掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)元大部分ROM芯片利用在行選線和列選線交叉點(diǎn)上的晶體管是導(dǎo)通或截止來表示存０、1。16×8位ROM陣列結(jié)構(gòu)示意圖4.3.1掩模ROM2、掩模ROM的邏輯符號(hào)和內(nèi)部邏輯框圖4.3.1掩模ROM例：用ROM實(shí)現(xiàn)４位二進(jìn)制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換。解：利用ROM很容易實(shí)現(xiàn)兩種代碼轉(zhuǎn)換。方法：將欲轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制代碼作為地址碼送到ROM的地址輸入端，而將目標(biāo)代碼格雷碼寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。4.3.1掩模ROM(1)列出二進(jìn)制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換真值表(2)由真值表寫出最小項(xiàng)表達(dá)式G3=∑(8,9,10,11,12,13,14,15)

G2=∑(4,5,6,7,8,9,10,11)G1=∑(2,3,4,5,10,11,12,13)G0=∑(1,2,5,6,9,10,13,14)4.3.1掩模ROM3、ROM結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣圖表示法最小項(xiàng)表達(dá)式G3=∑(8,9,10,11,12,13,14,15)

G2=∑(4,5,6,7,8,9,10,11)G1=∑(2,3,4,5,10,11,12,13)G0=∑(1,2,5,6,9,10,13,14)4.3.2可編程ROM1、EPROM存儲(chǔ)元2、E2PROM存儲(chǔ)元4.4FLASH存儲(chǔ)器FLASH存儲(chǔ)器也譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非易失性的讀／寫存儲(chǔ)器。它既有RAM的優(yōu)點(diǎn)，又有ROM的優(yōu)點(diǎn)。閃速存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單個(gè)MOS晶體管組成：漏極S和源極D，控制柵和浮空柵。4.4FLASH存儲(chǔ)器FLASH存儲(chǔ)器的基本操作無電流，讀出為0有電流，讀出為14.4FLASH存儲(chǔ)器FLASH存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu)4.5存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充4.5.1字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展給定的芯片字長(zhǎng)位數(shù)較短，不滿足設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器字長(zhǎng)，此時(shí)需要用多片給定芯片擴(kuò)展字長(zhǎng)位數(shù)。方法：地址線和控制線公用，而數(shù)據(jù)線單獨(dú)分開連接。所需芯片數(shù)：設(shè)計(jì)要求存儲(chǔ)容量除以已知芯片存儲(chǔ)容量。4.5.1字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展例：利用64K×8位ROM芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)64K×16位的ROM。解：兩個(gè)芯片的地址總線公用，控制總線也公用，而數(shù)據(jù)線分成高８位和低８位。

4.5.1字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展例：SRAM字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展1M×4位1M×8位4.5.2字存儲(chǔ)容量擴(kuò)展給定的芯片存儲(chǔ)容量較小，不