数字电路存储器

数字电路存储器JHR第一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第一节存储器的概念一、存储器的定义存储器（Memory）：是数字系统中记忆大量信息的部件。存储器的功能：是存放不同程序的操作指令及各种需要计算、处理的数据，所以它相当于系统存储信息的仓库。典型的存储器：由数以千万计的有记忆功能的存储单元组成，每个存储单元可存放一位二进制数码和信息。随着大规模集成电路制作技术的发展，半导体存储器因其集成度高、体积小、速度快，目前广泛应用于各种数字系统中。第二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR二、存储器的分类从信息的存取情况来分，可分为：存储器（Memory）随机存取存储器（RAM）RandomAccessMemory只读存储器（ROM）ReadOnlyMemory第三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.只读存储器（ROM）

在正常工作时，它存储的数据固定不变，存储器的数据只能读出，不能写入。要在存储器中存入数据，须具备特定的条件。1.随机存取存储器（RAM）

在操作过程中能任意“读取”某个单元信息，或在某个单元“写入”需存储的信息，常称为“读写存储器”。第四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR三、计算机中信息的表示方法

1.信息单位计算机系统中，对信息表示的单位有位、字节、字、字长等，它们是用来表示信息的量的大小以及信息存储传输方式的基本概念。

（1）位计算机系统中，一个二进制的取值单位称为二进制位，简称“位”，用b表示（bit的缩写），是表示信息的最小单位。

第六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）字节通常将8个二进制位称为一个字节，即连续8个比特，就是一个字节。简称B（Byte的缩写），是表示的基本单元。在微型计算机中，往往以字节为单位来表示文件或数据的长度以及存储器容量的大小。除此之外，还可用K，M，G或T为单位。例如，一台电脑的内存是128兆字节，就是说这台电脑有128个百万字节的内存。第七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR1KB＝210B＝1024B1MB＝1024KB1GB＝1024MB1TB＝1024MB

如IBM－PC各微型机的基本内存空间是640KB。常用的3.5HD软盘容量是1.44MB，硬盘容量有1GB、4GB、6GB、10GB、20GB、30GB、40GB、80GB等。第八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（3）字计算机在执行存储、传送等操作时，作为一个整体单位进行操作的一组二进制，称为一个计算机字，简称字。计算机的存储器中，每个单元通常存储一个字，因此，每个字都是可以寻址的。第九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（4）字长每个字所包含的位数称为字长。由于字长是计算机一次可处理的二进制数的位数，所以，它与计算机处理数据的速率有关，是衡量计算机性能的一个重要因素。如，APPLEII等微型机的字长是8位，称为8位机，IBM－PC／AT微机是16位机，486、586微型机是32位机等。一般计算机的字长越大，其性能越高。2.内存储器（主存储器）内存储器是数据和代码的临时存放设备，存放输入／输出数据以及CPU进行计算、处理的数据。第十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR内存储器可分为RAM（RandomAccessMemory，随机存储器）和ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）。目前，内存储器一般为半导体存储器。

（1）随机存储器RAMRAM的特点是可读可写，但关机后存储的信息将自动消失。RAM又分为动态存储器DRAM（DynamicRandomAccessMemory）和静态存储器SRAM（StaticRandomAccessMemory）。

第十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR◆动态存储器DRAMDRAM主要用于主存储器（俗称内存条）的制造。◆静态存储器SRAMSRAM主要用于高速缓存，其存取速度比DRAM分快得多。第十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）只读存储器ROMROM中通常用来存放一些不能改写而用于管理机器本身的监控程序和其它基本的服务程序。它存储的信息一般由厂商在制造时写入的。如主板上用以存储基本输入输出系统——BIOS的ROM。（BIOS是电脑基本输入输出系统），在开机时，CPU首先执行ROMBIOS中的指令来搜索磁盘上的操作系统文件。早期的ROM不能改写，随着科学技术的发展，ROM中的数据已经可以更新。第十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR3.外存储器外存储器与内存储器相比，存储容量大，可靠性高，价格低，在脱机情况下可永久保存信息。但速度较内存储器慢得多，它属外部设备。主要有：软盘存储器、硬盘、光盘等。第十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第二节只读存储器（ROM）只读存储器(ROM)中的信息一旦写入，在正常工作时，只能读出信息而不能修改，其所存信息在断电后仍能保持，常用于存放固定的信息。一、功能与结构第十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR1.只读存储器（ROM）的结构ROM的一般结构，它由地址译码器、存储矩阵和读出电路三部分组成。图中n位地址（A0～An－1）经译码器译出后使2n字线（W0～）中的一条有效，从而在存储矩阵2n个存储单元中选中其中之一。通过被选通单元的m个基本存储电路的位线（D0～Dm－1），即可读出存储单元的内容。对于有n位地址和m位字长的ROM来说，它的存储容量为2n×m位。存储器的容量＝字数×位数ROM的容量由或门阵列来实现。第十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.4×4ROM的电路结构和简化框图第十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR3.4×4ROM电路的工作原理（1）当使能控制S＝1时，A0、A1在“00～11”中取值，W0～W3中必有一根被选中为“1”。此时，若位线与该字线交叉点上跨接有二极管，则该二极管导通，使相应的位线输出为“1”；若位线与字线交叉点无二极管，则相应的位线输出为“0”。如，当A1＝1、A0＝0时，字线W2＝1，D2、D1与W2交叉点上跨接有二极管，D2＝D1＝1，D3、D0与W2交叉点上无二极管，D3＝D0＝0，输出的字单元内容D3D2D1D0＝0110。第二十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）当使能控制S＝0时，所有字线全被钳位于“0”，致使所有位线输出为“0”，此时表示该ROM电路被禁止读出。（3）4×4ROM真值表第二十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR当A1A0＝0时，由于字线0输出为“1”，或矩阵中D3、D1、D0位线有二极管挂到字线0（W0线）上，D2位线无二极管挂到字线0（W0线），因此输出一个W0字“1011”。其它依此类推。第二十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR4.用三极管构成的4×4ROM电路第二十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR5.4×4ROM简化图第二十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR在简化形式的ROM图中，不再画出电源、电阻、二极管（或三极管），只在与或阵列的交叉线处加黑点表示有存储元件（在真值表中为1）。不加黑点表示无存储元件（在真值表中表示为0）。这种简化图又称作“ROM阵列逻辑图”，它与ROM电路真值表具有一一对应关系。如由4×4ROM阵列图有：第二十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR二、ROM应用举例1.“字”的应用——由地址读出对应存储单元的字【例1】用ROM电路构成一个码制转换器，将四位二进制码制转换成四位Gray码（循环码）。第二十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［解］（1）四位二进制码转换为格雷码的真值表将四位二进制码B3B2B1B0作为ROM码制转换器的四位地址输入，四位Gray码G3G2G1G0作为ROM的字输出。其转换真值表为：第二十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）由真值表写出最小项表达式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）

（3）根据最小项表达式，画出4位二进制码—格雷码转换器的ROM阵列结构示意图第二十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第二十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.“位”的应用——由各位线可分别得到地址输入变量的最小项的和第三十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR由此可见，每一位Di均为输入A1、A0的逻辑函数，说明ROM确实可用作组合逻辑函数发生器。第三十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR三、PROM和EPROM

1.PROMPROM为可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory），可由使用者根据编程要求，将应该存储信息一次写入PROM中，写好后就不可更改。所以它只能写入一次。PROM电路的特点是在与或阵列的各个交叉点上均有熔丝和存储元件串接的电路，如图所示：第三十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHRPROM与门阵列是固定的，或门阵列可编程。当用户要在某处存“0”信号，可按地址供给数十毫安的脉电流，将该处熔丝烧断，使串接的存储单元不再起作用，在则未熔断的地方，则表示存“1”的信息。这种ROM可实现一次编程要求，若编写结束，存储器中存储信息就已固化，不可能改编入别的信息。第三十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR16×8位PROM的结构原理图由存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。第三十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.EPROM（1）EPROM的概念EPROM即光擦可编程只读存储器（ErasableReadOnlyMemory）,EPROM的存储内容不仅可以根据需要来写入，而且当需要更新存储内容时还可以将原存储内容抹去，再写入新的内容。这一特性，取决于EPROM的内部结构。即它的存储元件是一种特殊的FAMOS管，（浮栅雪崩注入MOS管）其栅极是浮空的多晶硅。第三十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR浮空多晶硅栅SiO2FAMOS字线位线FAMOS管连线图第三十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）典型EPROM集成芯片的介绍典型EPROM存储器芯片型号、容量、引脚数：容量＝字数×位1K＝210＝1024如2732的容量为4096字×8位第三十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［例题1］如图表示用EPROM实现组合逻辑函数的点阵图。（1）写出函数Y1、Y2的逻辑表达式。（2）说明器件的特点和点阵存储容量大小。第三十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［解］（1）逻辑函数Y1、Y2由EPROM矩阵实现。根据EPROM的结构特点，与阵列为固定结构，或阵列为可编程结构。因此输入和输出间的逻辑关系可直接写成与—或表达式，输入变量是A、B、C，直接加在EPROM地址端，输出变量Y1、Y2由EPROM数据输出端输出。第三十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）EPROM为大规模集成电路，用户可根据需要反复改写存储单元的内容，因此可以实现任何复杂的组合逻辑函数。存储容量为6×8＋2×8＝64（个存储单元）［例题2］EPROM实现的组合逻辑函数如图所示。（1）分析电路功能，说明当输入X、Y、Z为何值时，函数F1＝1，函数F2＝1。（2）说明X、Y、Z为何种取值时，F1＝F2＝0。第四十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［解］由图可知，逻辑函数F1、F2由EPROM矩阵组成。因此可直接写出输入和输出间的与—或表达式。即第四十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR由上式看出：当XYZ＝000,001，100,101时，F1＝1；当XYZ＝011,101,110，111时，F2＝1。（2）从F1、F2的逻辑表达式中看出，当XYZ＝010,100时，F1＝F2＝0第四十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［例题3］如图所示为多输出函数F1、F2、F3、F4的ROM点阵图，写出F1、F2、F3、F4对输入变量A、B、C的逻辑表达式。第四十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［解］［设计题1］已知函数F1、F2、F3、F4：试用EPROM实现上述函数，画出相应的点阵图。第四十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR用EPROM实现逻辑函数时，一般步骤为如下：（1）确定输入变量数和输出端个数；（2）将函数化为最小项之和的形式；（3）确定EPROM的容量；（4）确定各存储单元的内容；（5）画出相应的点阵图。【解】（1）由本题给定的条件，可知输入变量数为A、B、C、D，（4个）输出为F1、F2、F3、F4（4个）。

第四十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）利用卡诺图将函数F1～F4写成最小项之和的形式，得F1＝∑（0，1，2，3，7，8，9，10，13，15）F2＝∑（0，2，4，6，9，14）F3＝∑（3，4，5，7，9，13，14，15）F4＝∑（0，1，2，3，4，6，7，8，9，10，11，12，13，14）（3）矩阵的容量8×16＋4×16＝192（4）画出点阵图第四十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第四十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR

第三节可编程序逻辑阵列PLA为避免ROM的面积浪费和进一步的简化，在ROM的基础上发展出来的一个分支称为可编程序逻辑阵列，除上面介绍的PROM、EPROM外，还有PLA、PAL及GAL。PLA（ProgrammableLogicArray可编程逻辑阵列）PAL(ProgrammableArrayLogic可编程阵列逻辑）GAL(GenericArrayLogic通用阵列逻辑）它们统称为可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice）。第四十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR一、PLA的基本概念PLA与一般ROM电路比较：相同点：均由一个“与”阵列和一个“或”阵列组成。不同点：在地址译码器即“与”阵列部分。一般ROM用最小项来设计译码阵列，一般ROM有2n根字线，且以最小项顺序编排，不可随意乱编。PLA是先经逻辑函数化简，再用最简与或表达式中的与项来编制“与”阵列。其字线的内容是根据函数式“可编排”的。第四十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR二、PLA的应用1.组合PLA用PLA构成组合逻辑电路是PLA的主要应用之一，现举例说明。［例题］用PLA阵列实现四位二进制码转换成四位Gray码的码制变换器。【解】（1）转换真值表第五十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR真值表（2）由转换真值表画出G3、G2、G1、G0的卡诺图第五十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.时序PLA用组合PLA和触发器构成的时序逻辑电路称时序PLA。［例题］用组合PLA及维持阻塞D触发器构成时序PLA，完成同步十六进制加计时器计数功能。【解】（1）同步十六进制计时器的状态转换图如图所示，由于十六状态数，因此至少需要4个触发器构成时序逻辑电路，设4个触发器的输出分别为Q3、Q2、Q1、Q0。第五十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）由状态转换图画次态卡诺图第五十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第五十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR与阵列或阵列第六十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR三、PAL和GAL的简单说明1.PAL可编程序阵列逻辑◆PLA的与门阵列及或门阵列均是可编程的，其灵活性较大，但也带来编程困难、价格较高的问题。◆PAL可编程序阵列则在PLA基础上改进，在与、或门阵列结构中，与门阵列是可编程的，而或门阵列是固定连接的。因此在用PAL构成实现某个逻辑函数的电路时，每个输出所表示的与或函数中，与项数不能超过或门阵列所固定的数目，目前在PAL产品中或门阵列固定数目最大为8。◆PAL工作速度高，价格较便宜。第六十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.GLA通用阵列◆PLA器件一般采用熔丝工艺，一次编程后，不能再改写，给使用者带来不方便，而且一旦选用了某种PLA电路。其输出和反馈结构也就固定下来，不能再作改动。◆GLA通用阵列可克服PLA上面两个毛病，它采用E2COMS工艺，即电改写COMS工艺，能在很短时间内完成电擦除和电改写的任务，而且与EPROM一样，可多次改写。

第六十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR◆GLA器件采用更灵活的可编程输入／输出（I／O）结构，输出可由用户定义，与阵列可编程，或阵列是固定的，采用GLA芯片，可完成的逻辑功能比PLA要多。［例题］试用PLA实现一位二进制全加、全减电路。【解】（1）选择逻辑变量设控制输入端为P，P＝1时为加法运算，P＝0时为减法运算。

第六十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR设输入的一位二进制数X为被加（减）数，另一位二进制数Y为加数（减数），Z为低位向本位的进位（借位）。输出端W为和（差），N为本位向高位的进位（借位）。（2）依题意列出真值表（3）画出卡诺图第六十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第六十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（4）化简卡诺图得最简函数表达式（5）画出PLA阵列图第六十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR［例题］分别用ROM和PLA实现下列函数，分别画出相应的电路图。F1（ABCD）＝∑m（0，1，2，4，9，10，11，12）F2（ABCD）＝∑m（0，2，5，10，11，13，14， 15）F3（ABCD）＝∑m（1，4，5，9，10，11，13，14， 15）【解】1.用ROM实现，由表达式直接画出电路，如图所示。第六十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第六十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR2.用PLA实现（1）先将逻辑函数F1、F2、F3填入卡诺图进行化简第六十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第七十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR（2）画出阵列图第七十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第四节随机存取存储器（RAM）一、功能及结构RAM电路（RandomAccessMemory）是一种能够选择任一存储单元存入或取出数据的存储器,是计算机的重要记忆部件，用来存储数据或指令。由于它既能读出又能写入数据，所以又叫“读／写存储器”。显然它的功能比ROM完善，电路也比ROM复杂。◆RAM分为双极型和MOS型两种。双极型RAM工作速度高，但制造工艺复杂，成本高，功耗大，集成度低，主要用于高速场合；MOS型第七十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHRRAM又分为静态MOS和动态MOS两种，制造工艺简单，成本低，功耗小，集成度高，但工作速度比双极型RAM低。目前大容量的RAM都采用MOS型存储器。◆RAM的优点是读写方便，使用灵活；缺点是断电后存于RAM的信息会丢失。1.RAM的基本结构

第七十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第七十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR第七十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三JHR◆数据的输入输出通道是共用的，读出时，它是输出端；写入时它是输入端。◆对于2n×m字位容量的RAM电路，它共有n位地址输入线（即有2n个字）和m位数据输出线。◆一般RAM电路还有片选控制端S，S＝“1”时，RAM可在读/写控制输入R/W的作用下作读出或写入操作；S＝“0”时，RAM被禁止读写。2.