存储器与可编程逻辑器件课件

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1、存储器概述,存储器：专用于存放大量二进制数码的器件,按材料分类 1) 磁介质类软磁盘、硬盘、磁带、 2) 光介质类CD、DVD、MO、 3) 半导体介质类SDRAM、EEPROM、FLASH ROM、,按功能分类 随机存储(读写)存储器 RAM 只读存储器 ROM RAM: SDRAM, 磁盘， ROM: CD, DVD, FLASH ROM, EEPROM,存储器一般概念,存储器分类：,RAM (Random Access Memory) 随机存取存储器,ROM (Read Only Memory) 只读存储器,随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作 RAM信息易失： 芯片必须供电

2、才能保持存储的数据,SRAM,DRAM,只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出 ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失,ROM (工厂掩膜),PROM(一次编程),存储器概述,PROM(多次编程),双极型,MOS型,存储器：专用于存放大量二进制数码的器件,存储器的主要性能指标：,容量：存储单元总数（bit）,存取时间：表明存储器工作速度,其它：材料、功耗、封装形式等等,存储器概述,1Kbit=1024bit=210bit 128Mbit=134217728bit=227bit,字长：一个芯片可以同时存取的比特数,1位、4位、8位、16位、32位等等,标称：字数位数 如

3、4K8位=2128=215单元（bit）,读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系,随机存取存储器,随机存取存储器（RAM） ，它能随时从任何一个指定地址的存储单元中取出（读出）信息，也可随时将信息存入（写入）任何一个指定的地址单元中。因此也称为读/写存储器。,存储矩阵 (2n字m位),片选与读写控制电路,地址输入,控制输入,三组输入信号： 地址输入、控制输入和数据输入 一组输出信号：数据输出 大容量RAM数据输入输出合为双向端口,数据 输入/输出,主要由地址译码器、存储体及读出电路等三部分组成。,存储矩阵,地址译码器,数据 输入/输出,地址输入,地址译码器：对外部输入的地址码进行译码，唯一

4、地选择存储矩阵中的一个存储单元,输入/输出控制电路：对选中的存储单元进行读出或写入数据的操作,存储矩阵：存储器中各个存储单元的有序排列,RAM的结构框图,片选与读写控制电路,1. 存储矩阵：由存储单元构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。与ROM不同的是RAM存储单元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入信息，其存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。,2. 地址译码器：也是N取一译码器。,静态MOS存储单元(SRAM),MOS六管存储单元 T1T4构成基本RS触发器 T1T2构成MOS反相器 T3T4构成MOS反相器 两个反相器输入与输出交叉连接，构成基本RS触发器，储存数据

5、。 T5、T6本单元控制门 Xj=1，行地址选择线Xi有效(选中) T5、T6开通，触发器的两个互补输出端与位线接通。 Xj=0，行地址选择线Xi无效 T5、T6关断，触发器的两个互补输出端与位线隔离。,存储 单元,T7、T8列存储单元的公用控制门 Yj=1，T7 、T8均导通，触发器的输出才与数据线接通，该单元才能通过数据线传送数据。,读出是无破坏性的，即，读操作不会使数据发生改变。 写入会改变原来存放的数据。即，不管原来存放的数据是什么，写操作后一定是新写入的数据。,读取数据：,先将待写入的数据送到 D、 端上，再使X、Y有效， T5T8开通，外来数据强行使触发器置位或复位。,使Xi、Yj

6、有效，T5T8开通，触发器的两个互补输出端分别向 D、 端传出数据；,写入数据：,片选：,写入数据：,片选和读写控制逻辑的与门被封锁，输出0，,片选和读写控制逻辑的与门输出由读写信号控制，允许读写操作。,片选与读写控制,1,0,0,三态门A1、A2、A3均为高阻，存储单元与数据总线隔离，读写操作禁止。,0,读操作,片选和读写控制逻辑的与门输出由读写信号控制,读写控制,三态门A2、A3高阻 A1打开，数据输出到总线,写操作,三态门A1高阻，A2 、A3开放，数据经位线使存储单元置数。,0,1,0,1,0,1,0,SRAM的基本结构,8根列地址选择线,32根行地址选择线,1024个存储单元，排成3

7、232的矩阵,7.1.1 RAM的结构,图中的每个地址译码选通时有四个存储单元同时输入输出；存储器容量为256字4位1024bit,存储器存储矩阵结构,存储单元数量多，将存储单元排列成矩阵形式（存储器阵列）阵列中各单元的选择称地址译码,A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,CS0,CS1,CS255,地址译码器,存储器阵列,0,1,255,单译码,行列（双）译码,地址译码方式,从RAM的结构再看RAM指标的意义：,容量：指存储矩阵的大小，即阵列中所有存储单元的总数,字数2n ：指地址单元的总数为2n ，n为RAM外部地址线的 根数,字长：指每个地址单元中的数据位数；也即是每次寻址后

8、从存储器中读出（或写入）的数据位数,存储容量字数（2n ）字长（数据位数）,10.1.1 只读存储器（ROM）,1ROM的结构,图10-1 ROM的结构,主要由地址译码器、存储体及读出电路等三部分组成。,利用触发器保存数据 写入时在D和/D上加上反相信号，引起触发器的翻转即可 数据读出非破坏性，一次写入，可以反复读出 存储单元占用管元多，每比特面积大、功耗高,动态存储单元,利用栅级电容上的存储电荷保存数据 写入过程是给电容充电或放电的过程 破坏性读出 存储单元管元少、面积小、功耗低、利于海量存储 需要刷新时序控制,存储单元特点比较：,静态存储单元,动态MOS存储单元(DRAM),CS、T：存储

9、元件： CS：数据存储在CS上。 CS上充满电荷时表示存储1， CS上无电荷时表示存储0。 T：门控管，工作在开关状态。 CB：杂散分布电容，CS、CB的容量都很小。 选择线高电平时，MOS管T导通，存储器被选中。,C,S,C,B,T,选择线,数据线,存储单元,DRAM工作原理,（1）写数据： 待写数据位加在数据线上 CB充放电 选择线加高电平使T导通 CS充放电 撤消选择线上的高电平使T截止 CS上的电荷状态被保持。 （2）读数据： 使数据线置于中间电位 CB充放电 使数据线处于高阻抗，选择线加高电平使T导通 CB和CS上的电荷重新分配达到平衡。若 平衡后的电位高于中间电位，则原来存入的数据

10、为1； 平衡后的电位低于中间电位，则原来存入的数据为0。 注意： 读取数据时CS上的电荷发生了改变，原来存入的数据被破坏 应立即将读得的数据重新写入。,C,S,C,B,T,选择线,数据线,存储单元,Di,1,Di,0,（3）刷新: 刷新：由于漏电，应周期性地给Cs补充电荷， 使存储的数据不丢失。 刷新操作：执行一次读操作，但并不使用读得 的数据。 存储单元为阵列排列时，以行为单位进行刷新， 周期约为几毫秒,存储器：由大量的存储单元按阵列方式排列形成。,例：44 存储单元方阵构成的存储器，能存放16个二进制数据位： A0A3： 地址，对某一存储单元进行选择。其中： A1A0：由X选择译码电路译为

11、4路输出，用作行选择； A3A2：由Y选择译码电路译为4路输出，用作列选择。 只有行和列同时选中的存储单元才能通过D、 端进行访问。,存储器的扩展,当用一片ROM/RAM芯片不能满足存储容量的需要时，可以将若干片ROM/RAM组合到一起，接成一个存储容量更大的ROM/RAM，称为存储器的扩展,存储芯片配置的数量,采用多片ROM/RAM经扩展后组成容量更大的ROM/RAM存储以满足系统的需要。 芯片数量的选择由系统要求的容量（MN）和单片容量（mn）来决定,已知系统要求的内存容量为M（字数）N（字长或位数），现有单片ROM/RAM的容量为m（字数）n（字长或位数）。所需单片ROM/RAM的数量计

12、算原则如下。 计算原则：Mm，N n 根据字数计算所需单片数：M/m （取整数） 根据字长或位数计算所需单片数：N/n （取整数） 总片数：S=(M/m )(N/n ),扩展方式,若单片ROM/RAM的字数满足系统内存总的字数要求，而每个字的字长或位数不够用时，则采用位扩展方式 位扩展后的存储器字数没改变而位数增加，存储器容量相应增加,1位扩展方式,1位扩展方式 2字扩展方式 3字位扩展方式,RAM容量的位(字长)扩展,位数扩展利用芯片的并联方式实现,用1K1位的RAM扩展成1K8位的存储器。,用8片1K1位芯片经位扩展后组成的1K8位存储器,2字扩展方式,若每一片ROM/RAM的数据位数够，

13、而字数不能满足系统内存总的字数要求，则采用字扩展方式,将多片存储器（RAM或ROM）芯片接成一个字数更多的存储器。,字扩展后的存储器数据位数或字长没有变，而字数增加，存储器容量相应增加,RAM容量的字扩展,字数的扩展（地址的扩展）,利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端,低位地址并联入各芯片，高位地址经译码作为各芯片的片选信号，数据端并接,用2568位RAM扩展成10248位RAM,用4片2568位RAM经字扩展后组成的1K8位存储器,图示是用字扩展方式将4片2568位的RAM扩展为10248位RAM的系统框图。 图中，译码器的输入是系统的高位地址A9、A8 ，其输出是各片RAM的片选信号。

14、 若A9A8=01 ，则RAM（2）片的 /CS=0 ，其余各片RAM的 /CS均为1，故选中第二片。第二片的信息可以读出，送到位线上。 读出的内容则由低位地址 A7A0决定。显然，4片RAM轮流工作，任何时候，只有一片RAM处于工作状态，整个系统字数扩大了4倍，而字长仍为8位。,3字位扩展方式,当单片ROM/RAM的字数和位数都不够时，就要采用字位扩展方式,用1K4位RAM扩展成一个4K8位存储器,用8片1K4位RAM芯片，经字位扩展构成的存储器,N字M位ROM结构,ROM结构,二极管ROM结构图,ROM的数据表,将ROM输入地址A1A0视为输入变量，而将D3、D2、D1、D0视为一组输出逻

15、辑变量，则D3、D2、D1、 D0就是A1、A0的一组逻辑函数。,ROM在组合逻辑设计中的应用,ROM的与或阵列图 (a) 框图； (b) 符号矩阵,与阵列,A,0,A,1,或阵列,F,0,F,1,F,2,F,3,m,0,m,1,m,2,m,3,m,0,m,1,m,2,m,3,F,0,F,1,F,2,F,3,A,0,A,1,A,0,A,1,A,0,A,1,(,a,),(,b,),用ROM实现逻辑函数一般按以下步骤进行： (1) 根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定ROM容量，选择合适的ROM。 (2) 写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROM阵列图。 (3) 根据阵列图对ROM进行编程。,例 用ROM实现四位二进制码到格雷码的转换。,解 (1) 输入是四位二进制码B3B0，输出是四位格雷码，故选用容量为244的ROM。 (2) 列出四位二进制码转换为格雷码的真值表，如表 9 - 2 所示。由表可写出下列最小项表达式：,四位二进制码