寄存器存储器和可编程逻辑器件

1、返回前页到达顶部到达底部第六章 寄存器、存储器和可编程逻辑器件6.1寄存器 寄存器能暂时存放二进制代码,在数字系统中, 寄存器常用来暂存中间运算结果和指令。一、代码寄存器由维持阻塞D触发器组成的4位代码寄存器逻辑电路图如图6.1所示。CR是异步置0输入端（低电平有效） D0D3为并行数码输入端，CP为时钟脉冲 Q0Q3为并行数码输出端图6.1 4位代码寄存器逻辑图 逻辑功能分析：异步置0端CR=0时，置0。同步并行置数：D0D3为4个输入数码，当CP上升沿到达时，D0D3被并行置入，Q3 Q2 Q1 Q0=D3D2 D1D 0在CR=1,CP=0时，保持不变。二、 移位寄存器具有存放数码和使数

2、码逐位右移或左移的电路称作移位寄存器，又称移存器。移位寄存器又分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。1单向移位寄存器 下图6.2（a）为由4个维持阻塞D触发器组成的4位右移位寄存器。4个D触发器共用一个时钟脉冲信号，因此为同步时序逻辑电路。数码由最左边的FF0的Dr端串行输入。图6.2 由D触发器组成的单向移位寄存器（a） 右移位寄存器（b） 左移位寄存器工作原理：每一个触发器的输出其右边触发器的输入，则对应每一个CP上升沿，数据右移一位。右移位寄存器的状态表： 移位脉冲输入数据移 位 寄 存 器 中 的数Q0 Q1 Q2 Q30123410110 0 0 01 0 0 00 1 0 01 0

3、1 01 1 0 1并行输出方式：数码由Q3、Q2、Q1、Q0取出串行输出方式：数码从Q3取出，但需要输入4（触发器的个数）+4（数码位数）个移位脉冲才能从4位寄存器中取出存放的4位数码1011。 4位左移位寄存器。电路图见图6.2(b)所示,数码由最右边的FF3的D3端串行输入。每一个触发器的输出其左边触发器的输入，则对应每一个CP上升沿，数据左移一位。2集成双向移位寄存器中规模集成电路74LS194就是具有左、右移位、清零、数据并入/并出（串出）等多种功能的移位寄存器。其管脚排列见图6.3：图6.3 74LS194功能表输入输出说明 CR M1 M0 CP DSL DSR D0

4、D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 × × × × × × × × ×0 0 0 0异步置01 × × 0 × × × × × ×保持保持1 1 1 × × d0 d1 d2 d3d0 d1 d2 d3并行置数1 0 1 × 1 × × × ×1 Q0 Q1 Q2右移输入11 0 1 × 0 × × × 

5、5;0 Q0 Q1 Q2右移输入01 1 0 1 × × × × ×Q1 Q2 Q3 1左移输入11 1 0 0 × × × × ×Q1 Q2 Q3 0左移输入01 0 0 × × × × × × ×保持保持3主要功能分析。（1）异步置0功能。当CR=0时，双向移位寄存器置0。Q0Q3都为0状态。（2）保持功能。当CR=1，CP=0。或CR=1，M1 M0 =00时，双向移位寄存器保持原状态不变。（3）同步并行送数功能。当CR

6、=1，M1 M0 =11时，在CP上升沿作用下，使D0D3端输入的数码d0d3并行送入寄存器，显然是同步并行送数。（4）右移串行送数功能。当CR=1，M1 M0 =01时，在CP上升沿作用下，执行右移功能，DSR端输入的数码依次送入寄存器。（5）左移串行送数功能。当CR=1，M1 M0 =10时，在CP上升沿作用下，执行左移功能，DSL端输入的数码依次送入寄存器。结论：置0功能最优先（异步方式）。计数，移位，置数都需要CP的上升沿到来（同步方式）。工作方式控制端M1 M0 区分四种功能:M1 M0功能0 0保持0 1右移1 0左移1 1并行置数三、 移位寄存器的应用利用移位寄存器可以构成计数器

7、，下图为利用移位寄存器构成的自启动环形计数器电路图。图6.4 自启动环形计数器电路图和工作波形 （a）逻辑电路图 （b）工作波形下面分析它的工作原理。1写方程式（1）驱动方程 （2）状态方程，将驱动方程代入Qn+1=D，得状态方程             2状态转换真值表计数脉冲顺序现态次态Q3n Q2n Q1nQ0nQ3n+1 Q2n+1 Q1n+1Q0n+101230 0 0 00 0 0 10 0 1 00 1 0 01 0 0 00 0 0 10 0 1 00 1 0

8、 01 0 0 00 0 0 13逻辑功能 4位环形计数器只有4个有效工作状态，即只能计4个数。 状态利用率很低：由4个触发器组成的二进制计数器有16个不同的状态。因此，有12个无效状态。 能够自启动：如由于某种原因而进入无效状态时，只要继续输入计数脉冲CP，电路就会自动返回有效状态工作。4工作波形（在有效状态时）。Q0、Q1、Q2、Q3输出的波形为一组顺序脉冲（依次出现正脉冲），因此，环形计数器也是一个顺序脉冲发生器。62 存储器概述半导体存储器以其容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等特点，已广泛应用于数字系统。根据用途分为两大类：只读存储器（ ROM）、随机存取存储器（RAM）

9、。一、 只读存储器 1ROM的结构图6.5 4×4二极管ROM结构图（a）二极管ROM结构（b）存储矩阵示意图ROM的一般结构如图6.5所示.它由一个二线四线地址译码器和一个4×4的二极管存储矩阵组成。存储矩阵由二极管或门组成，其输出为D0D3 。A1、A0为输入的地址码，可产生W0W3 4个不同的地址， W0W3称为字线，用以选择存储的内容，D0D3称作位线。在W0W3中，任一输出为高电平时，在D0D3 4根线上输出一组4位二进制代码，每组代码称作一个字。 2可编程只读存储器（PROM）可编程只读存储器是一种用户可直接向芯片写入信息的存储器，这样的ROM称为可编程ROM，

10、简称PROM。向芯片写入信息的过程称为对存储器芯片编程。3.可擦除可编程只读存储器（EPROM）它允许对芯片进行反复改写。根据对芯片内容擦除方式的不同，可分为：EPROM（紫外线擦除方式）数据可保持10年左右、EEPROM（也写作 E2PROM），电擦除可编程方式，速度快，数据可保持10年以上时间。图6.6 2716的引脚图4.集成EPROM（2716 EPROM）图6.6为2716的引脚图，各引脚的功能如下：A10A0：地址码输入端。D7D 0：8位数据线。正常工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入端。VCC和GND：5V工作电源和接地。CS：具有两种功能。一是在正常工作时，为片选使能端，

11、低电平有效。CS =0时，芯片被选中，处于工作状态；CS=1时，芯片处于维持态。二是在对芯片编程时，为编程控制端。OE：数据输出允许端，低电平有效。OE=0时，允许读出 数据；OE=1时，不能读出数据。VPP:编程高电压输入端。编程时，加+25V电压，正常工作时，加+5V电压。表 EPROM2716的工作方式工作方式CS 、OE 、VPP数据输出端D读数据0 0 +5V数据输出维持1 × +5V高阻隔离编程50ms 1 +25v数据输出编程禁止0 1 +25v高阻隔离编程校验0 0 +25v数据输出EPROM2716的工作方式见上表二、随机存取存储器随机存取存储器能随时写入

12、(存入)或读出(取出)信息,故称读写存储器RWM或随机存储器RAM,通常简称RAM.RAM1。静态随机存取存储器（SRAM）的存储单元电路图6.7 6管COMS静态存储单元原理图a 存储单元存储单元由V1V6组成。两个稳定状态，分别存储数据1和0。b列选择线Y和读写控制电路图中V5、 V6为受列选择线Y控制的门控管，G4、G5和三态门G1G3构成读写控制电路。当列选择线为低电平0时，V7、V8均截止，封锁了存储单元位线与输入/输出端的通路，使存储单元的数据不能读出，也不能被外信号改写。当列选线为高电平1时，V7、V8导通，对存储单元可进行读/写操作，由读/写控制电路和的状态控制。2.动态随机存

13、取存储器 (DRAM)的存储单元电路动态存储单元是由MOS管的栅极电容C和门控管组成的。数据以电荷的形式存储在栅极电容上，电容上的电压高表示存储数据1；电容没有储存电荷，电压为0，表明存储数据0。因存在漏电，使电容存储的信息不能长久保持，为防止信息丢失，就必须定时地给电容补充电荷，这种操作称为“刷新”，由于要不断地刷新，所以称为动态存储。DRAM包括4管MOS动态存储单元电路和单管MOS动态存储单元等, 单管MOS动态存储电路结构最简单,只用一个场效应管,电路如图6.8所示。 图6.8 单管动态存储电路3. 集成随机存储器2114A、2116介绍（1）集成静态存储器2114A图6.9 2114

14、A的电路结构框图和外引线图（a） 电路结构框图（b）外引线图Intel2114A是单片1 K×4位（即有1 K个字，每个字4位）的静态存储器（SRAM），它是双列直插18脚封装器件，采用5V供电，与TTL电平完全兼容。（2）集成动态存储器2116(b)图6.10 2116的电路结构框图和外引线图（a） 电路结构框图（b）外引线图Intel 2116是单片16 K×1位动态存储器（DRAM），是典型的单管动态存储芯片。它是双列直插16脚封装器件，采用+12V和5V三组电源供电，其逻辑电平与TTL兼容。6.3可编程逻辑器件 一、 PLD器件的基本结构1。可编程逻辑器件（简称PL

15、D）的基本结构如图6.11所示,是由与阵列和或阵列、再加上输入缓冲电路和输出电路组成的，其中输入缓冲电路可产生输入变量的原变量和反变量，并提供足够的驱动能力。(a)(b)图6.11 (a) PLD的基本结构框图(b)输入缓冲电路PLD器件中连接的习惯画法:固定连接 编程连接 不连接(连通) (被擦除)图6.12 PLD的连接表示法PLD器件图中“与”门、“或”门的画法与传统画法不同，例如3个输入端的与门、或门画法表示在图6.13。图6.13 PLD器件图中“与”门、“或”门的画法2PLD器件的分类分类与阵列或阵列输出电路可编程只读存储器PROM可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL通用阵列逻

16、辑GAL固定可编程可编程可编程可编程可编程固定固定固定固定固定可组态PROM、PAL和GAL只有一种阵列可编程，为半场可编程逻辑器件，而PLA的与阵列和或阵列均可编程，为全场可编程逻辑器件。GAL用输出逻辑宏单元（OLMC）取代了固定输出电路，使用方便、灵活，应用广泛。图6.14所示为 PLD的阵列结构。图6.14 PLD的阵列结构（a）PROM的阵列结构（b）PLA的阵列结构（c）PAL、GAL的阵列结构二、 可编程阵列逻辑PALPAL器件按其输出电路的结构来分，常用的有四种形式：1专用输出结构 或阵列是固定，或门输出接一个同相缓冲器时，输出函数为高电平有效（如：PAL10H8），若接一个反

17、相缓冲器时，输出函数为低电平有效（如 PAL10L8）。2异步IO输出结构它的输出电路由一个三态门和一个互补反馈缓冲器组成3寄存器输出结构它在或门输出后面接了一个同步D锁存器，锁存器Q端经三态门输出4异或一寄存器输出结构它是把一组与门分为两个乘积项之和，经异或门后送到D锁存器中，再经三态门输出，同时由端经反馈缓冲器反馈到与阵列。这种结构适用于实现二进制计数器。三、 通用阵列逻辑GAL1. GAL的结构特点GAL与PAL的区别：PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件，而GAL是E2PORM工艺，可重复编程；PAL的输出是固定的，而GAL用一个可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）做为输出电路。GA

18、L比PAL更灵活，功能更强，应用更方便，几乎能替代所有的PA器件。2GAL16V8的逻辑电路图GAL16V8的逻辑电路图如图6.15所示。图6.15 GAL16V8的逻辑图3输出逻辑宏单元（1）OLMC的结构OLMC结构图见图6.16。图6.16 OLMC结构图（2）结构控制字寄存器下图是对OLMC编程的结构控制字寄存器，它有82位，两端各有32位为乘积项失效位，中间的 18位为控制字，其中SYN和AC0各占一位，同时控制 8个OLMC。 AC1（n）和XOR（n）各有8位，分别控制8个OLMC。结构控制字寄存器32位乘积项禁止4位XOR（n）1位SYN8位AC1（n）1位AC04位XOR（n）32位乘积项禁止XOR（n）:是输出极性选择位。共有8位，分别控制8个OLMC的输出极性。异或门的输出D与它的输入信号B和XOR（n）之间的关系为当XOR（n）=0时，即D=B；当XOR（n）=1时，即D=SYN：由它决定OLMC为时序逻辑电路（D触发器工作）还是组合逻辑电路（D触发器不工作）。当SYN0时，OLMC为时序逻辑电路，此时OLMC中的D触发器处于工作状态，能够用它构成时序电路；当SYN=1时，OLMC中的D触发器处于非工作状态，因此，这时OLMC只能是组合逻辑电路。这里要指出一点，当SYN0时，8个OLMC均可构成时序电路，但并不是说8个OLMC都必须构成时