數(shù)字電路第8章課件

由十進(jìn)制計(jì)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(huà)出在CLK信號(hào)連續(xù)作用下輸出端Z的波形，并求輸出信號(hào)的頻率與時(shí)鐘脈沖的關(guān)系。圖6.22電路和輸入波形CP、A如題4圖所示，設(shè)起始狀態(tài)Q0Q1=00，試畫(huà)出Q0、Q1、B、C的波形。第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與可編程器件8.1概述8.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM8.3只讀存儲(chǔ)器8.4低密度可編程邏輯器件8.1概述存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才具有“記憶”功能，才能把程序及數(shù)據(jù)的代碼保存起來(lái)，才能使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)脫離人的干預(yù)，而自動(dòng)完成信息處理的功能。

存儲(chǔ)器容量是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的首要性能指標(biāo)，因?yàn)榇鎯?chǔ)容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)；存儲(chǔ)器的存取速度直接決定了整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，因此，存取速度也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要的性能指標(biāo)；存儲(chǔ)器的成本也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。顯然，計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是容量大、速度快、成本低。目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，即使用主存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。1.存儲(chǔ)器概述2.存儲(chǔ)器的分類(lèi)存儲(chǔ)器按構(gòu)成的器件和存儲(chǔ)介質(zhì)主要可分為：磁介質(zhì)存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、光電存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器等。按存取方式分類(lèi)又可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器兩種形式。隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM又稱(chēng)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，是能夠通過(guò)指令隨機(jī)地、個(gè)別地對(duì)其中各個(gè)單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的一類(lèi)存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器ROM在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的在線運(yùn)行過(guò)程中，是只能對(duì)其進(jìn)行讀操作，而不能進(jìn)行寫(xiě)操作的一類(lèi)存儲(chǔ)器。ROM通常用來(lái)存放固定不變的程序、漢字字型庫(kù)、字符及圖形符號(hào)等。2.存儲(chǔ)器的分類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU可以直接對(duì)其中的單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，因此被稱(chēng)作系統(tǒng)的主存或者內(nèi)存。內(nèi)存一般由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成，通常裝在計(jì)算機(jī)主板上，存取速度快，但容量有限；輔存存儲(chǔ)器位于系統(tǒng)主機(jī)的外部，廣泛采用的是磁介質(zhì)，CPU對(duì)其進(jìn)行的存/取操作時(shí)，必須通過(guò)內(nèi)存才能進(jìn)行，因此稱(chēng)作外存。由于CPU不能直接對(duì)外存訪問(wèn)，因此外存的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能被CPU訪問(wèn)并進(jìn)行處理。外存是為了彌補(bǔ)內(nèi)存容量的不足而配置的，外存所儲(chǔ)信息既可修改也可長(zhǎng)期保存，但存取速度較慢；緩沖存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱(chēng)緩存，位于主存與CPU之間，其存取速度非?？欤鎯?chǔ)容量更小，一般用來(lái)暫時(shí)解決存取速度與存儲(chǔ)容量之間的矛盾，緩存提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。（2）外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器一般用來(lái)存放需要永久保存的或是暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)信息。外存儲(chǔ)器不直接與CPU交換信息。當(dāng)需要時(shí)可以調(diào)入內(nèi)存和CPU交換信息。磁盤(pán)存儲(chǔ)器分有軟盤(pán)和硬盤(pán)。目前計(jì)算機(jī)中廣泛采用了價(jià)格較低、存儲(chǔ)容量大、可靠性高的磁介質(zhì)作為外存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器設(shè)備種類(lèi)很多，微型計(jì)算機(jī)常用的外存儲(chǔ)器是磁盤(pán)存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器和優(yōu)盤(pán)存儲(chǔ)器等。光盤(pán)直徑為12cm，中心有一個(gè)定位孔。光盤(pán)分為三層，最上面一層是保護(hù)層，一般涂漆并注明光盤(pán)的有關(guān)說(shuō)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(shí)，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(pán)的表面上，稱(chēng)為光道。目前廣泛應(yīng)用的主要是只讀型光盤(pán)CD-ROM。讀取光盤(pán)上的信息是利用激光頭發(fā)射的激光束對(duì)光道上的凹坑和凸起進(jìn)行掃描，并使用光學(xué)探測(cè)器接收反射信號(hào)。當(dāng)激光束掃描至凹坑的邊緣時(shí)，表示二進(jìn)制數(shù)字“1”；當(dāng)激光束掃描至凹坑內(nèi)和凸起時(shí)，均表示二進(jìn)制數(shù)字“0”。光盤(pán)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)信息容量大，十分方便于大量生產(chǎn)，且價(jià)格低廉。優(yōu)盤(pán)采用了FlashMemory存儲(chǔ)技術(shù)，它通過(guò)二氧化硅形狀的變化來(lái)記憶數(shù)據(jù)。由于二氧化硅穩(wěn)定性大大強(qiáng)于磁存儲(chǔ)介質(zhì)，使得優(yōu)盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。同時(shí)二氧化硅還可以通過(guò)增加微小的電壓來(lái)改變形狀，從而達(dá)到反復(fù)擦寫(xiě)的目的。優(yōu)盤(pán)又稱(chēng)為快閃存儲(chǔ)器，其工作原理和磁盤(pán)、光盤(pán)完全不同。如果使用的FlashMemory材質(zhì)品質(zhì)優(yōu)良，一個(gè)優(yōu)盤(pán)甚至能夠達(dá)到擦寫(xiě)百萬(wàn)次的壽命。從優(yōu)盤(pán)的外部來(lái)看，輕便小巧，便于攜帶；從內(nèi)部來(lái)說(shuō)，由于無(wú)機(jī)械裝置，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗震性極強(qiáng)。優(yōu)盤(pán)還有一個(gè)最突出的特點(diǎn)，就是它不需要驅(qū)動(dòng)器。使用優(yōu)盤(pán)只需用一個(gè)USB接口，就可以十分方便地做到文件共享與交流，即插即用，熱插拔也沒(méi)問(wèn)題。作為新一代的存儲(chǔ)設(shè)備，優(yōu)盤(pán)具有很好地發(fā)展前景。計(jì)算機(jī)內(nèi)存的存取速度取決于內(nèi)存的具體結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制。存取速度通常用存儲(chǔ)器的存取時(shí)間或存取周期來(lái)描述。所謂存取時(shí)間，就是指啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器從操作到完成操作所需要的時(shí)間；存取周期是指兩次存儲(chǔ)器訪問(wèn)所需的最小時(shí)間間隔。存取速度是存儲(chǔ)器的一項(xiàng)重要參數(shù)。一般情況下，存取速度越快，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度才能越快。（2）存取速度半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(yīng)盡量減小功耗。由于MOS型存儲(chǔ)器的功耗小于相同容量的雙極型存儲(chǔ)器，所以MOS型存儲(chǔ)器的應(yīng)用比較廣泛。（3）功耗存儲(chǔ)器對(duì)電磁場(chǎng)、溫度變化等因素造成干擾的抵抗能力稱(chēng)其可靠性，也叫電磁兼容性。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器采用大規(guī)模集成電路工藝制造，內(nèi)部連線少，體積小，易于采取保護(hù)措施。與相同容量的其他類(lèi)型存儲(chǔ)器相比，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器抗干擾能力較強(qiáng)，兼容性較好。（4）可靠性存儲(chǔ)器芯片的集成度越高，構(gòu)成相同容量的存儲(chǔ)器芯片數(shù)就越少。MOS型存儲(chǔ)器的集成度高于雙極型存儲(chǔ)器，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的集成度高于靜態(tài)存儲(chǔ)器。因此，微型計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器大多采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。除上述指標(biāo)外，還有性能價(jià)格比、輸入、輸出電平及成本價(jià)格等指標(biāo)。（5）集成度目前使用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，主要類(lèi)型是什么？按其存儲(chǔ)信息的功能又可分為哪兩大類(lèi)。

存儲(chǔ)器內(nèi)存的最大容量是由什么來(lái)決定的？

多看多練多做何謂計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量？存儲(chǔ)容量的大小通常用什么來(lái)表示？

檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器是由哪三級(jí)存儲(chǔ)器組成的？每一級(jí)存儲(chǔ)器使用什么類(lèi)型的存儲(chǔ)介質(zhì)？

存儲(chǔ)矩陣讀寫(xiě)控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結(jié)構(gòu)框圖

mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫(xiě)控制存儲(chǔ)矩陣：

存儲(chǔ)矩陣是存儲(chǔ)器的主體，含有大量的基本存儲(chǔ)單元。通常數(shù)據(jù)和指令是用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為字，字的位數(shù)稱(chēng)為字長(zhǎng)。存儲(chǔ)器以字為單位進(jìn)行存儲(chǔ)，為了存入和取出的方便，必須給每個(gè)字單元以確定的標(biāo)號(hào)，這個(gè)標(biāo)號(hào)稱(chēng)為地址，不同的字單元具有不同的地址。存儲(chǔ)器的容量由地址碼的位數(shù)m決定，當(dāng)?shù)刂反a的位數(shù)為n，字長(zhǎng)的位數(shù)為m時(shí)，存儲(chǔ)器內(nèi)含2n×m個(gè)存儲(chǔ)單元。1.RAM的功能與結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)矩陣讀寫(xiě)控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結(jié)構(gòu)框圖

mn位地址碼1.RAM的功能與結(jié)構(gòu)輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫(xiě)控制地址譯碼器：RAM中的每個(gè)寄存器都有一個(gè)編號(hào)，稱(chēng)為地址。每次讀/寫(xiě)信息時(shí)，只能和某一個(gè)指定地址的寄存器之間進(jìn)行取出或是存入，此過(guò)程稱(chēng)為訪問(wèn)存儲(chǔ)器。編址方式有：?jiǎn)巫g碼編址、雙譯碼編碼存儲(chǔ)矩陣讀寫(xiě)控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結(jié)構(gòu)框圖

mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫(xiě)控制讀寫(xiě)控制器：

讀/寫(xiě)控制線（R/W

）可對(duì)RAM的讀出和寫(xiě)入進(jìn)行控制。如R/W＝0時(shí)，執(zhí)行寫(xiě)操作，R/W＝1時(shí)，執(zhí)行讀操作；由地址輸入端輸入的n位地址碼經(jīng)地址譯碼器譯碼后選中一組(信息長(zhǎng)度m位)存儲(chǔ)單元，m位的二進(jìn)制代碼經(jīng)I/O

接口被寫(xiě)入或被讀出。1.RAM的功能與結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)矩陣讀寫(xiě)控制器行地址譯碼器列地址譯碼器2nRAM電路結(jié)構(gòu)框圖

mn位地址碼輸出控制m位數(shù)據(jù)片選控制讀/寫(xiě)控制片選控制：

由于集成度的限制，通常要把許多片RAM組裝在一起構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器。當(dāng)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，存儲(chǔ)器中只允許一片RAM中的一個(gè)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(shí)現(xiàn)這種控制。通常一片RAM有1根或幾根片選線，當(dāng)某一片的片選線為有效電平時(shí)，則該片被選中，地址譯碼器的輸出信號(hào)控制該片某個(gè)地址與CPU接通；片選線為無(wú)效電平時(shí)，與CPU之間呈斷開(kāi)狀態(tài)。例如片選信號(hào)CS＝“1”時(shí)，RAM禁止讀寫(xiě)，處于保持狀態(tài)，I/O口的三態(tài)門(mén)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)；CS＝“0”時(shí)，RAM可在讀/寫(xiě)控制輸入R/W的作用下作讀出或?qū)懭氩僮鳌?.RAM的存儲(chǔ)單元電路存儲(chǔ)單元是RAM的核心部分，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(gè)字是按地址存取的。一般操作順序是：先按地址選中要進(jìn)行讀或?qū)懖僮鞯淖?，再?duì)找到的字進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌４蛞槐确剑捍鎯?chǔ)器好比一座宿舍樓，地址對(duì)應(yīng)著房間號(hào)，字對(duì)應(yīng)著房間內(nèi)住的人，位對(duì)應(yīng)床位。存儲(chǔ)器按功能的不同可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)，按所用元件的類(lèi)型又可分為雙極型和單極型兩種。雙極型存儲(chǔ)單元速度高，單極型存儲(chǔ)單元功耗低、容量大。在要求存取速度快的場(chǎng)合常用雙極型RAM電路，對(duì)速度要求不高場(chǎng)合下，常用單極型存儲(chǔ)器。我們主要以單極型存儲(chǔ)器為例介紹RAM的工作原理。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出T1QQ+UDD1位線(1)靜態(tài)RAM存儲(chǔ)單元0位線行選擇線T2T3T4T6T5圖中T1和T2、T3和T4分別構(gòu)成兩個(gè)反相器。兩個(gè)反相器交叉耦合又構(gòu)成了基本觸發(fā)器，作為儲(chǔ)存信號(hào)的單元，當(dāng)Q＝１時(shí)為“1”態(tài)，Q＝0時(shí)為“0”態(tài)。T5和T6是門(mén)控管，其導(dǎo)通和截止均受行選擇線控制。當(dāng)行選擇線為高電平時(shí)，T5T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出端與位線接通1當(dāng)行選擇線為低電平時(shí)，T5T6截止，存儲(chǔ)單元和位線斷開(kāi)。導(dǎo)通導(dǎo)通0截止截止保持原態(tài)不變103.RAM的容量擴(kuò)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(kuò)展法有位擴(kuò)展、字?jǐn)U展和字位擴(kuò)展三種形式。16片1024字×1位的RAM構(gòu)成1024字×16位的RAM。地址碼A0~A9CSI/O16??????????????????片1片16片2I/O2I/O1

如果一片RAM中的字?jǐn)?shù)已經(jīng)夠用，而每個(gè)字的位數(shù)不夠用時(shí)，可采用位擴(kuò)展連接方式解決。其數(shù)據(jù)位的擴(kuò)展方法是：將各個(gè)RAM的地址碼并聯(lián)片選端并聯(lián)即可。RAM的字?jǐn)U展下圖所示為RAM字?jǐn)U展的典型實(shí)例:利用兩片1024字×4位的RAM器件構(gòu)成2048字×4位的RAM。A0~A9A10片1片2I/O1~4CS1CS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A0~A9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/O1~4）按位對(duì)應(yīng)地并聯(lián)使用。RAM有幾種類(lèi)型的存儲(chǔ)單元？各適用于什么場(chǎng)合？什么是隨機(jī)存儲(chǔ)器？隨機(jī)存儲(chǔ)器有何特點(diǎn)？多看多練多做存儲(chǔ)器的容量由什么來(lái)決定？在工作過(guò)程中，既可方便地讀出所存信息，又能隨時(shí)寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱(chēng)為隨機(jī)存儲(chǔ)器，隨機(jī)存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是在系統(tǒng)工作時(shí)，可以很方便地隨機(jī)地對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，但發(fā)生掉電時(shí)數(shù)據(jù)易丟失。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果按功能不同可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)，按所用元件可分為雙極型和單極型雙極型存儲(chǔ)器適用于存取速度要求高的場(chǎng)合，單極型的存儲(chǔ)器適用于容量大、低功耗，對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合。存儲(chǔ)器的容量是由地址碼的位數(shù)n和字長(zhǎng)的位數(shù)m共同決定的。

只讀存儲(chǔ)器ROM存入數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)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(xiě)的E2PROM。早期制造的PROM可編程邏輯器件的存儲(chǔ)單元利用其內(nèi)部熔絲是否被燒斷來(lái)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的，因此只能寫(xiě)入一次，使其應(yīng)用受到很大限制。2、可編程邏輯器件的存儲(chǔ)單元PROM是一種可編程邏輯器件，它的地址譯碼器是一個(gè)固定的“與”陣列，它的“存儲(chǔ)矩陣”是一個(gè)可編程的“或”陣列。一個(gè)83PROM的陣列圖如圖8.3.1所示。O0A2

A1A0O2O1圖8.3.1PROM陣列圖????????????????????????3、PROM的陣列結(jié)構(gòu)與陣列：全譯碼陣列，n輸入變量有2n個(gè)地址，對(duì)應(yīng)2n根字線?；蜿嚵校阂唤M或門(mén)，輸出端輸出數(shù)據(jù)，輸入端是位線，字線與位線的2n×m個(gè)交叉點(diǎn)都是可編程接點(diǎn)。用一個(gè)譯碼器框代替固定的與陣列,得 到PROM的簡(jiǎn)化陣列

地址譯碼器O2O1O0A2A1A0【舉例】試用ROM實(shí)現(xiàn)兩個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算。解：設(shè)這兩個(gè)乘數(shù)為A1A0和B1B0，積為L(zhǎng)3L2L1L0，列出乘法表，畫(huà)出實(shí)現(xiàn)兩位二進(jìn)制數(shù)乘法的簡(jiǎn)化陣列圖A1A0B1B0L3

L2L1

L000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000000000000000000010010001100000010010001100000001101101001譯碼器A3A2A1A0W0W15L3L2L1L0??????????????A1A0B1B08.4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(chǎng)編程。掩膜編程是由生產(chǎn)廠家采用掩模工藝專(zhuān)門(mén)為用戶(hù)制作；現(xiàn)場(chǎng)編程則是由用戶(hù)在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯功能。任意一個(gè)邏輯函數(shù)都可以寫(xiě)成與—或表達(dá)形式，所以可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)與陣列和一個(gè)或陣列。與門(mén)陣列乘積項(xiàng)或門(mén)陣列和項(xiàng)PLD主體示意圖PLD有較大的與或陣列，其邏輯圖的畫(huà)法也與傳統(tǒng)的畫(huà)法有較大的區(qū)別。&ABCDF1F1=ABD固定連接邏輯連接與陣列≥1ABCDF2或陣列F2=A+C可編程邏輯陣列PLA在存儲(chǔ)器中的主要應(yīng)用是構(gòu)成組合邏輯電路，下面我們舉例進(jìn)行說(shuō)明。(1)可編程邏輯陣列PLAPLA的特點(diǎn)：

與陣列和或陣列都可以編程。

PLA中的與陣列被編程產(chǎn)生所需的全部與項(xiàng)；PLA中的或陣列被編程完成相應(yīng)與項(xiàng)間的或運(yùn)算并產(chǎn)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+ABCY2=ABC+ABCY3=ABC+ABCABC與陣列Y3Y2Y1或陣列例

用PLA

實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)L0=ABC+ABC+ABC+ABCL1=BC+BCL2=BC+BCL0L1L2(2)可編程陣列邏輯PALPAL結(jié)構(gòu)示意圖可編程陣列邏輯PAL的速度高且價(jià)格低，電路輸出結(jié)構(gòu)形式有多種，因可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，所以受到用戶(hù)歡迎。為實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路的功能，可編程陣列邏輯PAL又設(shè)計(jì)制造了在或門(mén)和三態(tài)門(mén)之間加入D觸發(fā)器，并且將D觸