寄存器与存储器课件

1、项目八 寄存器与 存储器及应用 8.1 寄存器 8. 2 存储器 8.3 寄存器与存储器例表 本章小结主要内容 寄存器的功能、分类、结构、工作原理； 存储器的功能、分类、结构、工作原理； 寄存器、存储器的应用。主要技能 寄存器与存储器的正确使用技能和功能测试技能；熟练应用寄存器和存储器构成具特定功能的逻辑电路；能完成电路的安装与功能调试。基本概念寄存器； 移位寄存器； 序列信号； 随机存取存储器； 只读存储器。-000000-0001-000100-0010-00000-0100-001100-1000-0100-0101-10-0001-01-0010111-111-10-0101存储器存储

2、预置数0101010101010101译位寄存器设计项目广告灯控制电路寄存器：用于暂时存储二进制数据或代码的电路。存储器：用于长期存储大量二进数据或代码的电路。集成很高。寄存器与存储器的区别：8.1.1 寄存器的结构、原理一、基本寄存器 仅有并入、并出存取数据功能的寄存器。1. 组成： N个D触发器构成。寄存器：用于暂时存储二进制数据与代码的电路。分 类：基本寄存器、移位寄存器。组 成：触发器和门电路。一个触发器能存放一位二 进制数码；N个触发器可以存放N 位二进制数码。 8.1 寄存器及应用控制时钟脉冲端输入输出端 数码输入端 010101012.工作原理 =0, 异步清零。 CP不为上升沿

3、时 ， =1,寄存器输出保持不变CP 上升沿时，且 =1,输入端D0-D3送寄存器。二、具有锁存功能的寄存器1.锁存器的结构及工作原理 CP-即为送数脉冲输入端，又为锁存控制信号输入端，即使能信号，低电平有效。 当CP=1时，D数据输入不影响电路的状态，电路锁定原数据。即当使能信号结束后（锁存），数据被锁住，输出状态保持不变。当CP=0时，Q =D，电路接收输入数据；即当使能信号到来（不锁存数据）时，输出端的信号随输入信号变化； 由D锁存器组成。 锁存器具有接收、存放、输出和清除数码的功能，在接收指令（在计算机中称为写指令）控制下，将数据送入寄存器存放；需要时可在输出指令（读出指令）控制下，将

4、数据由寄存器输出。 2.集成数码锁存器74LS373 74LS373是 8位数据锁存器。74LS373功能表输 入输 出CDQ0111010000XQ0（被锁存状态）1XXZ（高阻态） 0C为三态控制端（低电平有效）： 当 0C =1时，输出为高阻态；当0C =0时，8个数据传送到输出端C为锁存控制输入端（高电平有效）：当C=0时，保持输入端数据不变，当C=1时，接收输入端数据。三、移位寄存器 移位寄存器：存储数据，所存数据可在移位脉冲作用下逐位左移或右移。即实现串入串出。 在数字电路系统中，由于运算（如:二进制的乘除法）的需要，常常要求实现移位功能。 分类：单向移位、双向移位。1单向移位寄存

5、器 （1）右移位寄存器 串行数据输入同步移位时钟输入端 清零端 1000工作过程：11001234假设要传送数据1011。110101011101 串入串出：前触发器输出端Q与后数据输入端D相连接。当时钟到时，加至串行输入端DSR的数据送Q0，同时Q0的数据右移至Q1，Q1的数据右移至Q2，以此类推。将数码1101右移串行输入给寄存器共需要4个移位脉冲 Q3可串行输出从输入端DSR存入的数据，4个移位脉冲后收 到第一个数据，要全部输出共需8个移位脉冲。时序图： 并行输出串行输出2. 具有并入并出、串入串出功能的移位寄存器：1101111011并入并出：当IE=1时，在时钟脉冲CP的作用下并行数

6、据输入端D0D3的数会存入寄存器Q0Q3。串入串出：原理与前述相同，略。3. 集成双向移位寄存器74LS19474LS194是四位双向移位寄存器。DSR: 右移串行数据输入端DSL: 左移串行数据输入端D0D3:并行数据输入端Q0Q3: 数据输出端CP :时钟输入端（上升沿有效）S0、S1: 工作方式控制端 : 数据清0输入端（低电平清0）RD引脚及功能简介：74LS194功能表 输 入输 出CRS1S0CPDSLDSRD0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3功 能0XXXXXX X X X 0 0 0 0异步清零1XX0XXX X X X保 持保 持100XXXX X X X保 持保

7、持101X1X X X X1 Q0 Q1 Q2 右移输入1101X0X X X X0 Q0 Q1 Q2 右移输入01101XX X X XQ1 Q2 Q3 1左移输入11100XX X X XQ1 Q2 Q3 0左移输入0111XXD0 D1 D2 D3D0 D1 D2 D3并入并出工作方式控制端S1S0区分四种功能：S1S0=00、保持； S1S0=10、左移存储； S1S0=01、右移存储； S1S0=11并入并出8.1.2 移位寄存器的应用一、移位寄存器构成序列脉冲发生器 序列信号：是在同步脉冲的作用下按一定周期循环产生的一串二进制信号。如：0111-0111，每4位重复一次，称为4位序

8、列信号。 序列脉冲信号广泛用于数字设备测试、通信和遥控中的识别信号或基准信号等。移位寄存器组成的8位序列信号发生器，序列信号为：00001111电路产生的序列信号为： 0 0 0 0 1 1 1 1工作原理分析： S1S0=01，为右移方式，Q3作为输出端。首先令CR0，输出端全为零，Q3非后送DSR，则DSR为1；然后；连续送入移位脉冲，各输出状态的如表所示规模变化。CPDSRQ0 Q1 Q2 Q3 1 0 0 0 011 1 0 0 021 1 1 0 031 1 1 1 040 1 1 1 150 0 1 1 160 0 0 1 1 70 0 0 0 181 0 0 0 0状态表 产生序

9、列信号的关键：是从移位寄存器的输出端引出一个反馈信号送至串行输入端，反馈电路由组合逻辑门电路构成。n 位移位寄存器构成的序列信号发生器产生的序列信号的最大长度P=2n。思考:下列两个序列信号的形式.(1)(2)0000000100110111 1000110011101111电路清零以后，在连续脉冲的作用下，数据右移，Q3Q2Q1Q0的数据依次为：有8种不同的状态输出。如果译码器将这8种状态译成07共8个数字，则，上述电路就构成8进制计数器。注：此处译码器不是LED管显示译码器。 计数前，如果不清零，由于随机性，随着计数脉冲的到来，Q3Q2Q1Q0 的状态可能进入如下的无效循环：0100100

10、100100101 1011011011011010二、移位寄存构成计数器工作原理分析：无效循环：译码器无法对八种状态译码，我们把这种循环称为无效循环。因此，不允许寄存器工作在这种循环状态。改进电路：当n=4时，反馈逻辑表达式为。当n=8时，反馈逻辑表达式为。计数器的最大长度：N=2n-1 三、数据显示锁存器 在计数显示电路中，如果计数器的计数值变化的速度很快，人眼则无法辨认显示的字符。如：信号源频率显示器。 在计数器和译码器之间加入锁存器，就可控制数据显示的时间。若锁存信号C0时，数据被锁存，译码显示电路稳定显示锁存的数据。若锁存信号C1时，显示值随数据变化而变化，时实显示。工作原理分析：四

11、、移位寄存器构成分频器 在数字系统中，常常需要获得不同频率的时钟或基准信号，其方法一般是对系统主时钟信号进行分频。在计数器一章中，我们已讨论了利用计数器实现n分频。既然寄存器可以构成计数器，利用移位寄存器也可以实现分频，分频器有固定分频和可编程分频。1. 固定比分频器 从序列信号发生器的Q3的输出波形，不难发现，Q3 波形的频率恰为时钟波形频率的1/8。显然采用不同的反馈逻辑，可以构成不同的固定比分频器。2. 可编程分频器 可编程分频器：指分频器的分频比可以受程序控制。电路的结构特点：两片74LS194的S1=1， 。 若S1S0=10，则74LS194工作在左移位状态， S1S0=11 ，则

12、74LS194工作在并行置数状态。74LS138的8个输出端接两 片74LS194的并行输入数据端。由于74LS138的输出状态，由输入端ABC决定，故移位的数据是可变化的。以下是可编程分频器的工作过程演示：工作原理分析：011111011111110111111101111432CP1101111111101111100000000清零S1S0=11；并行置数。S1S0=10；左移传送。01111111S1S0=11；并行置数。 小结: 74LS138译码器地址输入端A2A1A0（CBA）的取值，决定了分频比，将CBA代表的二进制数转换成十进制数再加1，即为分频系数。 思考： 若ABC=00

13、0,001、-111分别是多少分频器？4分频波形 分频器的输出波形：作 业 题6.4、6.5、6.6 8.2 存储器8.2.1 存储器的概述半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗低、存取速 度快、使用寿命长等。穿孔卡片磁芯存储器半导体存储器纸带存储器：用于长期存储大量数据、资料及运算程序等二进信息的单元。发 展：寄存器与存储器的区别：寄存器：用于暂时存储二进制数据或代码的电路。存储器：用于长期存储大量二进数据或代码的电路。集成很高。 按照内部信息的存取方式可分为：随机存取存储器RAM：存放临时性的数据或中间结果。只读存储器ROM：存放永久性的、不变的数据。存储器的分类：静态存储器（SRAM）

14、 动态存储器（DRAM）随机存取存储器RAM按硬件结构可分为：只读存储器ROM按数据输入方式可分为：掩膜式存储器（ROM）可编程存储器（PROM）可擦除存储器（EPROM）存储单元：存储一位二进制数的最小电路；字：构成二进制信息的最小集合（1、2、4、 8、16）；存储容量：存储二进制数的总量，单位：K（210=1024）。基本概念：一、组成：存储矩阵（n行m列）行列地址译码电路片选和读写控制电路8.2.2 随机存取存储器RAM RAM：可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作。 分类：根据内容结构不同可分为： SRAM（静态随机存取）、DRAM（动态随机

15、存取）。 优点：读写方便，使用灵活。 缺点：掉电丢失信息。 当给定行和列的地址时，行和列的地址译码器分别选中相应的行线和列线，这两种输出线（行与列）的交点处的存储单元便被选中（注：选中的存储器可能是一位也可能是多位）。工作过程： 第一步：选中存储信息 如果此时读写控制电路有相应的有效信号，则实现对选中存储单元的信息进行读写操作。二、各组成的结构与工作原理1. 存储矩阵 用于存储信息的主体电路。它由若干存储单元以矩阵的形式构成。有若干行和若干列。 如：存储容量为256X4=1K的存储器，它由1024个存储单元以32行和32 列矩阵的形式构成的。它的一个字由4位二进制数组成。 第二步：进行读写操作

16、列线行线字 当给定行和列的地址时，行和列的地址译码器分别选中相应的行线和列线，这两种输出线（行与列）的交点处的存储单元便被选中（注：选中的存储器可能是一位也可能是多位）。 存储器信息（字）位置的确定：32行32列矩阵存储器容量： （字数）（位数）= 2564 字数：32 X 8 = 25632根行线8根列线字 存储器有32条行线、8条列线； 存储器的容量计算： 该RAM存储矩阵共需要32根行选择线X0X31和8根列选择线Y0Y7。2RAM的存储单元 按结构不同可分为: 静态存储单元SRAM、动态存储单元DRAM 利用CMOS构成的基本RS触发器来存储信息。保存的信息不易丢失，可长期保存。典型的

17、SRAM的存储单元需要六个晶体管（三极管）构成。用于小容量、高速存储器。 利用MOS管的栅极电容C存储电荷来储存信息，电容是会漏电的，所以必须通过不停的给电容充电来维持信息，这个充电的过程叫再生或刷新（REFRESH）。由于电容的充放电是需要 静态存储单元(SRAM) 动态存储单元（DRAM）相对较长的时间的，DRAM的速度要慢于SRAM。DRAM的一个存储单元只需要一个晶体管和一个电容。因此，DRAM的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。3地址译码电路 地址号：存放在同一个字中的存储单元编为一组所赋予的号码。每个字赋予一个地址号，地址号的位数n应满足：2n=256（字数）。地址号由行地址码

18、与列地址码两部分组成。 行地址加列地址共8位二进数A0A7 ，可对256个字单元进行编码，这样每个字就有一个地址号了。 此存储矩阵有行32个，可用5位二进数进行编码，行地址码A0A4从0000011111。 此存储器有列8个，可用3位进制数进行编码，列地址码A5A7从000111。思考：地址号为：11100010的数据位置。多少行？多少列？1 0 0列地址码 地址号：00111111地址译码电路：用于将地址号转换为寻找所需存储数据的信息电路。即；通过所给的地址号可查找到所要信息。行地址译码器A4A3A2A1A0列地址译码器A5 A6 A711111行地址码4读/写与片选控制电路=1时：所有的I

19、/O 端均被禁止，不能读或写操作；=0时：相应片存储器被选中，可读或写操作。片选控制 ： =1，执行读操作，存储单元中数据送输出端； =0，执行写操作，I/O端数据写入存储单元中。读/写控制 ：片选与读写控制电路：C. =1，G3导通，G1、G2高阻态截止。若地址A7A0为00011111，于是位于31，0的存储单元所存储的信息送出到I/O端，存储器执行读操作;A. =1时，G1，G2，G3均为高阻态，芯片未选中;B. =0时，芯片被选中;D. =0，G1、G2导通，G3高阻态截止，I/O端的数据以互补的形式出现在数据线D、 上，并被存入31，0存储单元，存储器执行写操作。写操作读操作三、集成

20、随机存取存储器RAM电路6116 存储容量：16K=2K（2048）8位。地址线： 11条A0A10；数据线： 8条I/O0I/O7； 工作方式：片选信号 =0有效；控端 =0、 =1，实现写操作；控端 =1， =0，实现读操作。6116是一种典型的动态RAM。四、集成随机存取存储器的扩展1位扩展例：试用10241RAM扩展成10248RAMRAM的扩展分为：位扩展和字扩展。 位扩展：前后的字数不变，因为RAM的地址线N决定字数（即字=2n ），所以地址线不变。位数扩展只需将N个相同的RAM的地址线、读写线、片选线其用，输出线并行则可实现位扩展。 确定所需10241RAM的片数为: N =总存

21、储容量片存储容量=8(片)解：2 字扩展字扩展则改变地址线N的数量，符合：字=2n 关系 。例：试用2564RAM扩展成10244存储器 确定所需的2564RAM的片数为： N=总存储容量 1片存储容量= 4片 确定地址线的根数：字数从256 （28）扩展为1024（210），由此地址线应从8根扩展为10根。 寻址范围： 00 0000 0000 11 1111 1111（000H3FFH) 地址线扩展的方法：利用一个2线4线译码器接到各片的片选线。解：00110101101000001100110001101011010000011001100011010110100000110011000

22、110101101000001100110第1片第2片第3片第4片00000000000011111111010000000001111111111000000000101111111111000000001111111111组合后地址号组合前地址号0000000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111字扩展原理：字扩展需要增加2位地址号，地址线满足：210=1024片1寻址范围:00 0000 0000B 00 1111 1111B (000H0FFH)片2寻址范围:01 0000 0000B 01 1111 1111

23、B (100H1FFH)片3寻址范围:10 0000 0000B 10 1111 1111B (200H2FFH)片4寻址范围:11 0000 0000B 11 1111 1111B (300H3FFH)I/O口并联读写线并联片选线作为地址线扩展 各片存储器的地址范围：3字位同时扩展例： 试把642RAM扩展为2564存储器 N=总存储容量/一片存储容量=8（片） 解 ：字扩展所需片数:644RAM2564RAM，需4片644RAM组成2564RAM；字数由64扩展为256，地址线由原来的6条A5A0扩展为8条A7A0。位扩展所需片数:642RAM644RAM，需两片642RAM组成644RA

24、M；确定芯片的总片数N：2564RAM需642RAM的芯片数为: 地址范围： 00H 3FH 地址范围： 40H 73FH 地址范围： 80H BFH 地址范围： CFH FFH 8.2.3 只读存储器ROM一、组成地址译码器；存储矩阵；输出电路。ROM：只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。分类：掩膜存储器、可编程存储器（PROM）、可改写存储器（EPRPM、EOROM、Flash Memory)。二、只读ROM结构和工作原理 1. 掩膜ROM 掩膜ROM 又称为固定式ROM。在制造时，生产厂家利用掩膜技术的

25、信息写入存储器中。存储信息是一次性的。二极管式掩膜ROM结构：存储矩阵：由二极管组成的存储单元组成。地址译码器：选中存储单元中相应信息。输出缓冲器：提高负载能力、输出相应信息（注是三态控制）。字线数据或位线A0A1W0W1W2W3001000010100100010110001各单元存储信息地址译码器输出10100101高电平A1 A0D3 D2 D1 D00 00 1 0 10 11 0 1 11 00 1 0 01 11 1 1 000地址号存储单元的信息状态，由接入或不接入相应的二极管决定。有二极管存储信息为1，反之为0。 工作原理分析： 可实现存储信息的编写。在编程前，存储矩阵中的全部

26、存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是1。 2可编程只读存储器（PROM） PROM的可编程存储单元熔丝 用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。熔丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。 3可擦可编程ROM（EPROM） EPROM的另外一种广泛使用的存储器。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。 常用的EPROM2716、

27、2732、27512，即标号为27的芯片都是EPROM。实训中使用的2764就属于这一类型。 E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存储器，又可写为EEPROM。 主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。28系列的芯片都是E2PROM。4可擦可编程ROM（ E2PROM）三、集成只读存储器ROM电路2764 存储容量：64K=8K8位。共213个存储单元。地址线： 13条A0A12；数据线： 8条I/O0I/O7；控制线：C

28、E、OE、PGM；编程电压：VPP。工作状态：五种 2764是一种典型的EPROM。操作方式CE OE PGM VPP VCC功 能编程写入0 1 0 25V 5V写入信息读出数据0 0 1 5V 5V读出信息低功耗维持1 X X 5V 5V输出端为高阻态编程校验0 0 1 25V 5V数据读出编程禁止1 X X 25V 5V输出端为高阻态2764 功能表四、只读存储器的应用1存储数据、程序单片机外部程序存储器：单片机外部数据存储器：例：试用ROM实现下列各函数：2实现逻辑函数解：根据逻辑函数的变量数，确定选用16X4的PROM。写出所有最小项表达式：存储器矩阵接线图：Y1Y1Y1Y48.3 寄存器与存储器例表类 型型 号类 型 说 明 存储器6116、6164、6264、2114、2116RAM2716、2732、2764、27128、27246、27512EPROM2864E2PROM29BV010、29BV020、29BV040Flash Memory24C00、24C01、24AA01、24LC21、24LC21A、24LC41