第4章存儲邏輯

第4章存儲邏輯4.1特殊存儲器4.2隨機讀寫存儲器RAM4.3只讀存儲器ROM4.4FLASH存儲器4.5存儲器容量的擴充4.1特殊存儲器存儲邏輯是時序邏輯和組合邏輯相結合的產(chǎn)物。能夠存儲m×n個二進制比特數(shù)的邏輯電路叫做存儲器。與存儲器相比，特殊存儲部件如：寄存器堆、寄存器隊列、寄存器堆棧是由寄存器組成。特點：存儲容量小，邏輯結構簡單，工作速度快。寄存器和存儲器區(qū)別：類似于一維數(shù)組與二維數(shù)組的區(qū)別。4.1.1寄存器堆一個寄存器是由n個觸發(fā)器或鎖存器按并行方式輸入且并行方式輸出構成。當要存儲更多的字時，需要使用集中的寄存器組邏輯結構：寄存器堆。它實際上是一個容量極小的存儲器。向寄存器寫數(shù)或讀數(shù)，必須先給出寄存器的地址。讀/寫工作是分時進行的。邏輯結構圖原理示意圖4.1.2寄存器隊列寄存器隊列是以FIFO（先進先出）方式用若干個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是以LIFO（后進先出）方式用若干個寄存器構建的小型存儲部件。進棧：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進棧，原棧頂寄存器送到下一寄存器，新數(shù)據(jù)進入棧頂寄存器。即棧頂寄存器總存放最近進棧的數(shù)據(jù)。出棧：出棧時，相反，棧頂寄存器的數(shù)據(jù)先彈出到通用寄存器。即出棧的數(shù)據(jù)總是最近進入的數(shù)據(jù)。4.2隨機讀寫存儲器RAM寄存器堆等特殊存儲部件只存放有限的幾個數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。從工藝上，RAM分為雙極型和MOS型兩類。從機理上，RAM分為SRAM存儲器和DRAM存儲器兩類。RAM屬于易失性存儲器（斷電后信息會丟失）。4.2.1RAM的邏輯結構主體是存儲矩陣，另有地址譯碼器和讀寫控制電路兩大部分。存儲矩陣：若干排成陣列形式的存儲元（每個存儲元能存儲一個比特）。存儲單元：由一組有序排列的存儲元組成，存儲的基本單位。只能對一個存儲單元進行讀寫操作。不能對一個存儲元進行讀寫操作。存儲器的容量：由存儲元的總數(shù)目決定。4.2.2地址譯碼方法存儲器按存儲矩陣組織方式不同，可分為：單譯碼結構和雙譯碼結構。1、單譯碼結構需要一個譯碼器。每個存儲元只有一條選擇線（字線）。單譯碼結構（也稱字結構）：每次讀／寫時，選中一個字的所有存儲元。4.2.2地址譯碼方法讀操作4.2.2地址譯碼方法寫操作4.2.2地址譯碼方法2、雙譯碼結構兩個地址譯碼器。每個存儲元有兩條選擇線

。能讀寫存儲元：行選線X和列選線Y有效時的交叉點存儲元。雙譯碼結構RAM：需要有X（行地址）和Y（列地址）。雙譯碼結構容易構成大容量存儲器。目前使用的RAM和EPROM，都使用雙譯碼形式4.2.2地址譯碼方法讀操作4.2.2地址譯碼方法寫操作4.2.3SRAM存儲器1、SRAM存儲元SRAM存儲器：靜態(tài)隨機讀寫存儲器，與DRAM存儲器不同之處在存儲元電路的機理不一樣。SRAM存儲元，用一個鎖存器構成。4.2.3SRAM存儲器2、SRAM存儲器結構芯片的位數(shù)：字長1位、4位、8位、16位、32位、64位等。32K×8位SRAM芯片邏輯圖與內部結構圖。/CS=0：芯片被選中，可以進行讀／寫操作/WE=0：執(zhí)行存儲單元寫操作，輸入緩沖器被打開，輸出緩沖器被關閉（兩者互鎖）4.2.3SRAM存儲器/WE=1：執(zhí)行存儲單元讀操作，輸入緩沖器被關閉，輸出緩沖器被打開。4.2.4DRAM存儲器DRAM存儲器：動態(tài)隨機讀寫存儲器。DRAM存儲器的存儲元不使用鎖存器，而是用１個小電容器。優(yōu)點：非常簡單，集成度高，位成本較低。缺點：超過一定周期，電容電荷泄漏而可能丟失所存信息。措施：必須及時補充電荷，這種過程叫做刷新或再生。4.2.4DRAM存儲器1、DRAM存儲元的基本操作4.2.4DRAM存儲器2、DRAM基本結構1M×1位DRAM存儲器框圖4.3只讀存儲器ROM只讀存儲器簡稱ROM，它只能讀出不能寫入。ROM的最大優(yōu)點是具有不易失性，即使電源斷電，ROM中存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，因而在計算機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。ROM分為：掩模ROM和可編程ROM兩類。掩模式只讀存儲器（ROM）：這類ROM所存的數(shù)據(jù)，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。缺點是不能改寫。這種器件只能專用，用戶可向廠家定做。4.3只讀存儲器ROM可編程ROM又可以分為兩類：一次編程只讀存儲器（PROM）：在產(chǎn)品出廠時，所有存儲元均置成全0或全1，用戶根據(jù)需要可自行將某些存儲元改為1或0。多次改寫編程的只讀存儲器，這類ROM有EPROM，E2PROM。4.3.1掩模ROM1、掩模ROM的陣列結構和存儲元大部分ROM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０、1。16×8位ROM陣列結構示意圖4.3.1掩模ROM2、掩模ROM的邏輯符號和內部邏輯框圖4.3.1掩模ROM例：用ROM實現(xiàn)４位二進制碼到格雷碼的轉換。解：利用ROM很容易實現(xiàn)兩種代碼轉換。方法：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對應的存儲單元中。4.3.1掩模ROM(1)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ROM3、ROM結構的點陣圖表示法最小項表達式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)4.3.2可編程ROM1、EPROM存儲元2、E2PROM存儲元4.4FLASH存儲器FLASH存儲器也譯成閃速存儲器，它是高密度非易失性的讀／寫存儲器。它既有RAM的優(yōu)點，又有ROM的優(yōu)點。閃速存儲器中的存儲元，由單個MOS晶體管組成：漏極S和源極D，控制柵和浮空柵。4.4FLASH存儲器FLASH存儲器的基本操作無電流，讀出為0有電流，讀出為14.4FLASH存儲器FLASH存儲器的陣列結構4.5存儲器容量的擴充4.5.1字長位數(shù)擴展給定的芯片字長位數(shù)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數(shù)。方法：地址線和控制線公用，而數(shù)據(jù)線單獨分開連接。所需芯片數(shù)：設計要求存儲容量除以已知芯片存儲容量。4.5.1字長位數(shù)擴展例：利用64K×8位ROM芯片，設計一個64K×16位的ROM。解：兩個芯片的地址總線公用，控制總線也公用，而數(shù)據(jù)線分成高８位和低８位。

4.5.1字長位數(shù)擴展例：SRAM字長位數(shù)擴展1M×4位1M×8位4.5.2字存儲容量擴展給定的芯片存儲容量較小，不