數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)ROM

1、1數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 余余 文文 北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院24.3 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器1.ROM的特點(diǎn)和性能指標(biāo)2.ROM的分類 3.ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理 4.ROM的應(yīng)用3ROM的特點(diǎn)和性能指標(biāo)wROM 只能讀出 工作時(shí)，將地址加到ROM地址輸入端，便可在數(shù)據(jù)輸出端得到一個(gè)事先存入的數(shù)據(jù)。 w優(yōu)點(diǎn): 不易失性. 斷電后，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失.可長(zhǎng)久保存.常存放固定數(shù)據(jù)、程序和函數(shù)表。w缺點(diǎn): 不能重寫或改寫。w最初存入數(shù)據(jù)的過程，稱為對(duì)ROM進(jìn)行編程.4 ROM的性能指標(biāo) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量和和存取時(shí)間存取時(shí)間w存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器存放信息的能力，存儲(chǔ)容量越大，

2、所能存儲(chǔ)器存放信息的能力，存儲(chǔ)容量越大，所能存儲(chǔ)的信息越多，功能越強(qiáng)。存儲(chǔ)的信息越多，功能越強(qiáng)。w存取時(shí)間存取時(shí)間 存取時(shí)間指一個(gè)讀存取時(shí)間指一個(gè)讀( (或?qū)懟驅(qū)? )周期。讀周期。讀( (或?qū)懟驅(qū)? )周周期越短，存取時(shí)間越短，存儲(chǔ)器工作速度越高。期越短，存取時(shí)間越短，存儲(chǔ)器工作速度越高。 5ROMROM的分類的分類 根據(jù)編程方式，分為固定ROM、一次編程ROM、多次改寫編程ROM和閃速存儲(chǔ)器四類。w固定ROM 掩模式只讀存儲(chǔ)器, 數(shù)據(jù)在芯片制造過程“固化”在ROM中，使用時(shí)讀出，不能改寫。 通常存放固定數(shù)據(jù)、程序和函數(shù)表等?？上驈S家定做。固定ROM可靠性好，集成度高,適宜大批量生產(chǎn)。w 一

3、次編程只讀存儲(chǔ)器（PROM） 出廠時(shí)所有存儲(chǔ)元全0或全1，用戶可自行改1或0。用熔絲燒斷或PN結(jié)擊穿法編程，燒斷或PN擊穿不能恢復(fù), 一次性編程.編程完畢內(nèi)容永久保存.已少使用。6ROMROM的分類的分類w可多次編程的只讀存儲(chǔ)器 光擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM 電擦可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM 電改寫只讀存儲(chǔ)器EAROM 可用紫外光照射或加電法擦除已寫入的數(shù)據(jù)，用電方法可重新寫入新的數(shù)據(jù)?？啥啻胃膶憙?nèi)容。w閃速存儲(chǔ)器（FLASH) 英特爾上世紀(jì)90年代發(fā)明的一種高密度、非易失性的可讀/寫存儲(chǔ)器,既有EEPROM的特點(diǎn)，又有RAM的特點(diǎn)，無(wú)須編程器.7ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理 組成:由存儲(chǔ)矩陣、地

4、址譯碼器、輸出緩沖電路組成。 w存儲(chǔ)矩陣:存儲(chǔ)單元組成。存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)元個(gè)數(shù)為字長(zhǎng)。w地址譯碼器:地址碼到存儲(chǔ)單元的映射.每個(gè)地址使一條w字線有效，該單元信息將送至輸出緩沖器讀出。w輸出緩沖器：讀出電路，數(shù)據(jù)輸出線D01Dm-1 又稱位線8一次編程只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)w地址譯碼器和存儲(chǔ)矩陣分別由與門和或門陣列組成.w與門陣列和或門陣列可用二極管構(gòu)成(如圖)。w地址線: A1、A0;w字線(W0-W3);與門陣列的輸出.w位線(數(shù)據(jù)線):D3-D0;或門陣列的輸出.w存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)單元數(shù)乘位數(shù)（字?jǐn)?shù)乘位數(shù)）。 圖例：存儲(chǔ)容量為4x4(位) 9二極管ROM模型w地址譯碼-與陣列: 每個(gè)地址產(chǎn)生一條（高

5、電平）有效字線 (W0-W3),使或陣列一個(gè)單元輸出數(shù)據(jù)D3-D0w存儲(chǔ)矩陣-或陣列:字線W與位線的交叉點(diǎn)是存儲(chǔ)元。交叉點(diǎn)接二極管相當(dāng)于存儲(chǔ)1，不接相當(dāng)于存儲(chǔ)0w如 A1A0=11 W3線有效,若 EN=0, 則D3-D0=1110 10二極管ROM模型 【例】A1A0=00時(shí)，W0線高電平（左上兩二極管截止）或門陣列中D2、D0為1（左下兩個(gè)二極管導(dǎo)通），若EN=0，ROM輸出為D3D2D1D0=0101。 分析：A1A0=01時(shí), ROM輸出D3D2D1D0=？11ROM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表示法 ROM的結(jié)構(gòu)可用陣列圖來表示：w地址線、字線，（數(shù)據(jù)）位線。w字線和位線相互垂直，與陣列在上（左）, 或

6、陣列在下（右）.w與陣列交叉點(diǎn)（黑點(diǎn)）表示有一個(gè)二極管.無(wú)黑點(diǎn)表示沒有。w存儲(chǔ)矩陣交叉點(diǎn)(黑點(diǎn))表示存儲(chǔ)元存1， 無(wú)黑點(diǎn)表示存0。12ROM工作原理(編程 ) 把ROM看作組合電路組合電路，地址碼A1A0是輸入變量，數(shù)據(jù)碼D3-D0是輸出變量，則輸出： 13ROM的工作原理 把ROM看作存儲(chǔ)單元 w與陣列不編程?；蜿嚵校ù鎯?chǔ)矩陣）編程。w或陣列不同，每個(gè)單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不同.14 如當(dāng)?shù)刂反a如當(dāng)?shù)刂反aA A2 2A A1 1A A0 0000000時(shí)，使字線時(shí)，使字線P P0 01 1，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)00000000輸出。輸出。 如當(dāng)?shù)刂反a如當(dāng)?shù)刂反aA2A1A0A2A1A0011011時(shí)，數(shù)據(jù)輸出

7、是什么時(shí)，數(shù)據(jù)輸出是什么? ?。若若n n條地址線，條地址線，可產(chǎn)生字線為可產(chǎn)生字線為2 2n n條，尋址條，尋址2 2n n個(gè)單元。若輸個(gè)單元。若輸出是出是m m位，存位，存儲(chǔ)器的總?cè)萘績(jī)?chǔ)器的總?cè)萘渴鞘? 2n nm m。示例示例1 1： 一個(gè)一個(gè)8 8（字線）（字線）4 4（數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器陣列圖（數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器陣列圖15多次改寫編程的只讀存儲(chǔ)器w 除除 一次編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）外，多次改寫編程的只讀存儲(chǔ)器有 w光（紫外線）擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROMw電擦可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROMw電改寫只讀存儲(chǔ)器EAROM16圖例：圖例：下圖是紫外線擦除、電可編程的下圖是紫外線擦除、電可編程的E

8、PROM2716EPROM2716器件器件邏輯框圖和引腳圖。邏輯框圖和引腳圖。地址線地址線A A0 0A A1010，字線，字線20482048條條. .數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出/ /輸入線輸入線D D7 7D D0 0容量容量: 2: 211118 8位。位。CSCS為片選控制信號(hào)。為片選控制信號(hào)。 OE/PGM OE/PGM為讀出為讀出/ /寫入控制端寫入控制端: : 低電平時(shí)輸出有效，高電平時(shí)低電平時(shí)輸出有效，高電平時(shí)進(jìn)行編程（寫入數(shù)據(jù)）進(jìn)行編程（寫入數(shù)據(jù)）17 ROM ROM的應(yīng)用的應(yīng)用組合邏輯設(shè)計(jì)w 代碼轉(zhuǎn)換器w 組合邏輯函數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)w 初始引導(dǎo)和加載程序的固化;w 微程序控制器的設(shè)計(jì);w

9、 函數(shù)運(yùn)算表w 字符圖形發(fā)生器w 控制系統(tǒng)中用戶程序的固化。 18ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（代碼轉(zhuǎn)換器）例 用ROM實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換 【解】 1）輸入：二進(jìn)制碼B0-B3，輸出：格雷碼G3-G0，16個(gè)字,每個(gè)字四位, 故選容量為 244的ROM2）真值表3）位線編程和字線編程 19ROM的應(yīng)用的應(yīng)用方法一：位線編程-輸出函數(shù)為若干最小項(xiàng)之和20ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用輸出為某些最小項(xiàng)之和按位線編程21ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（代碼轉(zhuǎn)換器）方法二：按字線編程-輸出是各存儲(chǔ)單元中數(shù)據(jù)22代碼轉(zhuǎn)換器 邏輯符號(hào)圖23ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用（組合邏輯函數(shù)） ROM實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的步驟

10、：w列出函數(shù)最小項(xiàng)表達(dá)式(或真值表)。w選擇合適的ROM。w畫出函數(shù)的陣列圖。示例 用ROM實(shí)現(xiàn)函數(shù)24 解 方法一：按位線編程:列出函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式1) 按A、B、C、D 排列變量，將Y1，Y2,Y3,Y4 視作A、B、C、D 的邏輯函數(shù)，寫出各函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式 2) ABCD作為ROM地址輸入，4個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)四輸出。選容量為164位的ROM .253由函數(shù)最小項(xiàng)表達(dá)式,按位線編程，畫陣列圖26ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用方法二：按字線編程:列出函數(shù)的真值表根據(jù)地址00001111，分別計(jì)算Y1,Y2,Y3,Y4, 依次寫入到ROM中。 如地址0000， 則 Y1Y2Y3Y40001。 對(duì)地址

11、0001， Y1Y2Y3Y41011。 . 對(duì)地址1111， Y1Y2Y3Y40110。 27ROMROM的應(yīng)用（的應(yīng)用（函數(shù)運(yùn)算表）基本思路wROM的地址視作輸入w函數(shù)的取值作為地址中內(nèi)容，事先寫入到ROM中.w通過地址輸入,讀出相應(yīng)的函數(shù)值。M相當(dāng)于是函數(shù)運(yùn)算表電路。w實(shí)現(xiàn)方法與用ROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法相同。示例 用ROM實(shí)現(xiàn)函數(shù)yx2 的運(yùn)算表電路。28 示例 用ROA實(shí)現(xiàn)函數(shù)yx2 的運(yùn)算表電路。設(shè)x的取值范圍為0-15的正整數(shù). 分析 ：w x的取值范圍為0-15 的正整數(shù)，則對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)，用BB3B2B1B0表示。w 算出y的最大值是152225，用8位二進(jìn)制Y=Y7Y

12、6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。w 由此可列出yx2 的真值表。29方法1 按字線編程，分別將0、1、4、9、225,寫入到地址0000、0001、0010、0011、1111。30ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用w方法2: 按位線編程. 寫出輸出函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式31ROMROM的應(yīng)用的應(yīng)用 ROM的連線圖w按字線編程:w按位線編程:32FLASH存儲(chǔ)器 也稱閃存，高密度也稱閃存，高密度非易失性非易失性的讀寫存儲(chǔ)器。的讀寫存儲(chǔ)器。有有RAM和和ROM的優(yōu)點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)。 wFLASH存儲(chǔ)元wFLASH的基本操作 wFLASH的陣列結(jié)構(gòu) 33FLASH存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元:單個(gè)MOS晶體管組成. 漏極D,源極S，

13、控制柵和浮空柵。浮空柵: 電子多: 狀態(tài)0 電子少: 狀態(tài)1控制柵正電壓: 狀態(tài)1:SD導(dǎo)通 ;狀態(tài)0:SD不導(dǎo)通 ;讀出 源極S正電壓: 吸收浮空柵電子 擦除 寫1控制柵足夠正電: 浮空柵聚集電子 寫0 （編程）.34 三種基本操作:w編程:控制柵為編程電壓VP 寫0 操作。 控制柵無(wú)正電 ：相當(dāng)于寫1w擦除:源極S為正電壓，相當(dāng)于寫1. w讀出：:控制柵加讀出電壓VR 狀態(tài)1:SD導(dǎo)通 ;狀態(tài)0:SD不導(dǎo)通 ;35FLASH陣列結(jié)構(gòu) 各種存儲(chǔ)器性能比較( 表4.2，P，118） FLASH 主要優(yōu)點(diǎn)1非易失2高密度3單晶體管存儲(chǔ)元4可寫性37小 結(jié) ROM主要由與門或門”二級(jí)電路組成。與陣列陣列不可編程，不可編程，或門可編程。編程。 組合邏輯函數(shù)可寫為標(biāo)