第4章存儲邏輯

1、第第4章章 存儲邏輯存儲邏輯4.1 特殊存儲器特殊存儲器 4.2 隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAM4.3 只讀存儲器只讀存儲器ROM4.4 FLASH存儲器存儲器4.5 存儲器容量的擴充存儲器容量的擴充4.1 特殊存儲器特殊存儲器 l 存儲邏輯是時序邏輯和組合邏輯相結合的產物。存儲邏輯是時序邏輯和組合邏輯相結合的產物。l 能夠存儲能夠存儲mn個二進制比特數的邏輯電路叫做個二進制比特數的邏輯電路叫做存存儲器儲器。l 與與存儲器存儲器相比，特殊存儲部件如：寄存器堆、寄相比，特殊存儲部件如：寄存器堆、寄存器隊列、寄存器堆棧是由存器隊列、寄存器堆棧是由寄存器寄存器組成。組成。l 特點：存儲容量小，邏

2、輯結構簡單，工作速度特點：存儲容量小，邏輯結構簡單，工作速度快?？?。l 寄存器和存儲器寄存器和存儲器區(qū)別區(qū)別：類似于一維數組與二維數：類似于一維數組與二維數組的區(qū)別。組的區(qū)別。4.1.1 寄存器堆寄存器堆l 一個寄存器是由一個寄存器是由n個觸發(fā)器或鎖存器按個觸發(fā)器或鎖存器按并行方式并行方式輸入輸入且且并行方式輸出并行方式輸出構成。構成。l 當要存儲更多的字時，需要使用集中的當要存儲更多的字時，需要使用集中的寄存器組寄存器組邏輯結構：邏輯結構：寄存器堆寄存器堆。它實際上是一個容量極小。它實際上是一個容量極小的存儲器。的存儲器。向寄存器寫向寄存器寫數或讀數，數或讀數，必須先給出必須先給出寄存器的地

3、寄存器的地址。址。讀讀/寫工作是寫工作是分時進行的。分時進行的。邏輯結構圖邏輯結構圖原理示意圖原理示意圖4.1.2 寄存器隊列寄存器隊列l(wèi) 寄存器隊列寄存器隊列是以是以FIFO（先進先出先進先出）方式用若干個）方式用若干個寄存器構建的小型存儲部件。寄存器構建的小型存儲部件。4.1.3 寄存器堆棧寄存器堆棧l 寄存器堆棧寄存器堆棧是以是以LIFO（后進先出后進先出）方式用若干個）方式用若干個寄存器構建的小型存儲部件。寄存器構建的小型存儲部件。進棧進棧：數據由通用寄存器壓進棧時，必須先傳送到：數據由通用寄存器壓進棧時，必須先傳送到棧頂寄存器；再有新數據進棧，原棧頂寄存器送到棧頂寄存器；再有新數據進

4、棧，原棧頂寄存器送到下一寄存器，新數據進入棧頂寄存器。即棧頂寄存下一寄存器，新數據進入棧頂寄存器。即棧頂寄存器總存放最近進棧的數據。器總存放最近進棧的數據。出棧出棧：出棧時，相反，棧頂寄存器的數據先彈出到：出棧時，相反，棧頂寄存器的數據先彈出到通用寄存器。即出棧的數據總是最近進入的數據。通用寄存器。即出棧的數據總是最近進入的數據。4.2 隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAMl 寄存器堆等特殊存儲部件只存放有限的幾個數寄存器堆等特殊存儲部件只存放有限的幾個數據，本節(jié)所述半導體隨機讀寫存儲器（簡稱據，本節(jié)所述半導體隨機讀寫存儲器（簡稱RAM），可存放大量的數據。），可存放大量的數據。l 從工藝上，從

5、工藝上，RAM分為分為雙極型雙極型和和MOS型型兩類。兩類。l 從機理上，從機理上，RAM分為分為SRAM存儲器存儲器和和DRAM存儲存儲器器兩類。兩類。l RAM屬于易失性存儲器（斷電后信息會丟失）。屬于易失性存儲器（斷電后信息會丟失）。4.2.1 RAM的邏輯結構的邏輯結構l 主體是主體是存儲矩陣存儲矩陣，另有，另有地址譯碼器地址譯碼器和和讀寫控制電讀寫控制電路路兩大部分。兩大部分。存儲矩陣存儲矩陣：若干排成陣列形式的：若干排成陣列形式的存儲元存儲元（每個存儲元能（每個存儲元能存儲一個比特存儲一個比特 ）。）。存儲單元存儲單元：由一組有序排列的：由一組有序排列的存儲元存儲元組成組成 ，存儲

6、的基存儲的基本單位本單位。只能對一個。只能對一個存儲單元存儲單元進行讀寫操作。進行讀寫操作。不能不能對一個對一個存儲元存儲元進行讀寫操作。進行讀寫操作。存儲器的容量：由存儲器的容量：由存儲元的總數目存儲元的總數目決定。決定。4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 存儲器按存儲矩陣組織方式不同，可分為：存儲器按存儲矩陣組織方式不同，可分為： 單譯單譯碼結構碼結構和和雙譯碼結構雙譯碼結構。l 1、單譯碼結構、單譯碼結構l 需要一個譯碼器。需要一個譯碼器。l 每個存儲元只有一條選擇線（字線）。每個存儲元只有一條選擇線（字線）。l 單譯碼結構（也稱字結構）：每次讀寫時，選單譯碼結構（也稱字結構）：每次

7、讀寫時，選中一個字的所有存儲元。中一個字的所有存儲元。4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 讀操作讀操作4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 寫操作寫操作4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 2、雙譯碼結構、雙譯碼結構l 兩個地址譯碼器。兩個地址譯碼器。l 每個存儲元有每個存儲元有兩條兩條選擇線選擇線 。能讀寫存儲元能讀寫存儲元：行選：行選線線X和列選線和列選線Y有效時的有效時的交叉點交叉點存儲元。存儲元。l 雙譯碼結構雙譯碼結構RAM：需要有：需要有X（行地址）和（行地址）和Y（列（列地址）。地址）。l 雙譯碼結構容易構成雙譯碼結構容易構成大容量大容量存儲器。目前使用的存儲器。目前使用

8、的RAM和和EPROM，都使用雙譯碼形式，都使用雙譯碼形式4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 讀操作讀操作4.2.2 地址譯碼方法地址譯碼方法l 寫操作寫操作4.2.3 SRAM存儲器存儲器l 1、SRAM存儲元存儲元l SRAM存儲器：靜態(tài)隨機讀寫存儲器存儲器：靜態(tài)隨機讀寫存儲器 ，與，與DRAM存儲器不同之處在存儲器不同之處在存儲元電路存儲元電路的機理不一樣。的機理不一樣。l SRAM存儲元，用一個存儲元，用一個鎖存器鎖存器構成。構成。4.2.3 SRAM存儲器存儲器l 2、SRAM存儲器結構存儲器結構l 芯片的位數：字長芯片的位數：字長1位、位、4位、位、8位、位、16位、位、32位

9、、位、64位等。位等。32K8位位SRAM芯片邏輯圖與內部結構芯片邏輯圖與內部結構圖。圖。/CS =0 ：芯片被選中，：芯片被選中，可以進行讀寫操作可以進行讀寫操作/WE =0 ：執(zhí)行存儲單元：執(zhí)行存儲單元寫操作寫操作，輸入緩沖器被，輸入緩沖器被打開，輸出緩沖器被關打開，輸出緩沖器被關閉（兩者互鎖）閉（兩者互鎖）4.2.3 SRAM存儲器存儲器l /WE =1 ：執(zhí)行存儲單元：執(zhí)行存儲單元讀操作讀操作，輸入緩沖器被關，輸入緩沖器被關閉，輸出緩沖器被打開。閉，輸出緩沖器被打開。4.2.4 DRAM存儲器存儲器l DRAM存儲器：動態(tài)隨機讀寫存儲器。存儲器：動態(tài)隨機讀寫存儲器。l DRAM存儲器的

10、存儲元存儲器的存儲元不使用鎖存器不使用鎖存器，而是用，而是用個小電容器個小電容器。l 優(yōu)點優(yōu)點：非常簡單，集成度高，位成本較低。：非常簡單，集成度高，位成本較低。l 缺點缺點：超過一定周期，電容電荷泄漏而可能丟失：超過一定周期，電容電荷泄漏而可能丟失所存信息。所存信息。l 措施措施：必須及時補充電荷，這種過程叫做刷新或：必須及時補充電荷，這種過程叫做刷新或再生。再生。4.2.4 DRAM存儲器存儲器l 1、DRAM存儲元的基本操作存儲元的基本操作4.2.4 DRAM存儲器存儲器l 2、DRAM基本結構基本結構l 1M1位位DRAM存儲器框圖存儲器框圖4.3 只讀存儲器只讀存儲器ROMl 只讀存

11、儲器簡稱只讀存儲器簡稱ROM，它，它只能讀出不能寫入只能讀出不能寫入。ROM的最大優(yōu)點是具有不易失性，即使電源斷的最大優(yōu)點是具有不易失性，即使電源斷電，電，ROM中存儲的數據不會丟失，因而在計算機中存儲的數據不會丟失，因而在計算機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。l ROM分為：分為：掩模掩模ROM和和可編程可編程ROM兩類。兩類。l 掩模式只讀存儲器（掩模式只讀存儲器（ROM）：這類）：這類ROM所存的所存的數據，在芯片制造過程中就確定了，使用時只能數據，在芯片制造過程中就確定了，使用時只能讀出，不能改變。優(yōu)點是可靠性高，集成度高。讀出，不能改變。優(yōu)點是可靠性高，集成度高。缺點

12、是不能改寫。這種器件只能專用，用戶可向缺點是不能改寫。這種器件只能專用，用戶可向廠家定做。廠家定做。4.3 只讀存儲器只讀存儲器ROMl 可編程可編程ROM又可以分為兩類：又可以分為兩類：n一次編程只讀存儲器（一次編程只讀存儲器（PROM）：在產品出廠）：在產品出廠時，所有存儲元均置成全時，所有存儲元均置成全0或全或全1，用戶根據需，用戶根據需要可自行將某些存儲元改為要可自行將某些存儲元改為1或或0。 n多次改寫編程的只讀存儲器，這類多次改寫編程的只讀存儲器，這類ROM有有EPROM，E2PROM。4.3.1 掩模掩模ROMl 1、掩模、掩模ROM的陣列結構和存儲元的陣列結構和存儲元l 大部分

13、大部分ROM芯片利用在行選線和列選線交叉點上芯片利用在行選線和列選線交叉點上的晶體管是導通或截止來表示存、的晶體管是導通或截止來表示存、1。l 168位位ROM陣列結構示意圖陣列結構示意圖4.3.1 掩模掩模ROMl 2、掩模、掩模ROM的邏輯符號和內部邏輯框圖的邏輯符號和內部邏輯框圖4.3.1 掩模掩模ROMl 例例：用：用ROM實現位二進制碼到格雷碼的轉換。實現位二進制碼到格雷碼的轉換。l 解：利用解：利用ROM很容易實現兩種代碼轉換。很容易實現兩種代碼轉換。l 方法方法：將欲轉換的二進制代碼作為地址碼送到：將欲轉換的二進制代碼作為地址碼送到ROM的地址輸入端，而將目標代碼格雷碼寫入到的地

14、址輸入端，而將目標代碼格雷碼寫入到對應的存儲單元中。對應的存儲單元中。4.3.1 掩模掩模ROMl (1)列出二進制碼到格雷碼的轉換真值表列出二進制碼到格雷碼的轉換真值表(2)由真值表寫出最小項表達式由真值表寫出最小項表達式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)4.3.1 掩模掩模ROMl 3、ROM結構的點陣圖表示法結構的點陣圖表示法最小項表達式最小項表達式G3=(8,9,10,11,12,13,14,15) G2=(4,5,6,7,8

15、,9,10,11) G1=(2,3,4,5,10,11,12,13) G0=(1,2,5,6,9,10,13,14)4.3.2 可編程可編程ROMl 1、EPROM存儲元存儲元l 2、E2PROM存儲元存儲元4.4 FLASH存儲器存儲器l FLASHFLASH存儲器存儲器也譯成也譯成閃速存儲器閃速存儲器，它是高密度非易，它是高密度非易失性的讀寫存儲器。它既有失性的讀寫存儲器。它既有RAM的優(yōu)點，又有的優(yōu)點，又有ROM的優(yōu)點。的優(yōu)點。l 閃速存儲器中的閃速存儲器中的存儲元存儲元，由單個，由單個MOS晶體管組晶體管組成：成： 漏極漏極S和源極和源極D，控制柵和浮空柵。，控制柵和浮空柵。4.4 F

16、LASH存儲器存儲器l FLASH存儲器的基本操作存儲器的基本操作無電流，讀出為0有電流，讀出為14.4 FLASH存儲器存儲器l FLASH存儲器的陣列結構存儲器的陣列結構4.5 存儲器容量的擴充存儲器容量的擴充l 4.5.1 字長位數擴展字長位數擴展l 給定的芯片字長位數較短，不滿足設計要求的存給定的芯片字長位數較短，不滿足設計要求的存儲器字長，此時需要用多片給定芯片擴展字長位儲器字長，此時需要用多片給定芯片擴展字長位數。數。 l 方法方法：地址線和控制線公用，而數據線單獨分開：地址線和控制線公用，而數據線單獨分開連接。連接。l 所需芯片數所需芯片數：設計要求存儲容量除以已知芯片存：設計要求存儲容量除以已知芯片存儲容量。儲容量。4.5.1 字長位數擴展字長位數擴展l 例例：利用：利用64K8位位ROM芯片，設計一個芯片，設計一個64K16位的位的ROM。l 解解：兩個芯片的地址總線公用，控制總線也公：兩個芯片的地址總線公用，控制總線也公用，而數據線分成高位和低位。用，而數據線分成高位和低位。 4.5.1 字長位數擴展字長位數擴展l 例例：SRAM字長位數擴展字長位數擴展1M4位 1M8位4.5.2 字存儲容量擴展字存儲容量擴展l 給定的芯片存儲容量較小，不滿足設計要求的總給定的芯片存儲容量較小，不滿足設