電子技術(shù)基礎(chǔ)第8章-存儲器mm課件

1、8.1 存儲器基本知識8.3 可編程邏輯器件第8章 存儲器 8.2 隨機存取存儲器（RAM）自學(xué)提示 存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的，也是構(gòu)成計算機系統(tǒng)中記憶設(shè)備的電子電路。今后必有更多更新的存儲器技術(shù)不斷涌現(xiàn)。盡快掌握存儲器技術(shù)，是現(xiàn)代工程技術(shù)人員的必需。要求： 了 解各類存儲器的特點和應(yīng)用場合，其技術(shù)指標(biāo)對存儲器性能的影響熟 悉半導(dǎo)體存儲器的邏輯功能及使用方法可編程邏輯器件的邏輯功能及用途掌 握半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)原理，可編程邏輯器件的類型、原理及編程方式8.1 存儲器基本知識存儲器是計算機硬件系統(tǒng)的重要組成部分，計算機中的數(shù)據(jù)、程序、指令以及運算的中間數(shù)據(jù)和最后結(jié)果都要存放在存儲器中。有了存

2、儲器，計算機才具有記憶功能，才能把程序及數(shù)據(jù)的代碼保存起來，才能使計算機的數(shù)字系統(tǒng)脫離人的干預(yù)，而自動完成信息處理的功能。存儲容量存取速度成本計算機對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低。因此，存儲器系統(tǒng)的三項主要性能指標(biāo)是容量、速度和成本。存儲容量越大，系統(tǒng)能存儲容量是存儲器系統(tǒng)夠保存的信息量就越多，計算機系統(tǒng)的功能就越強；存儲器的存取速度直接決定了整個微機系統(tǒng)的運行速度；存儲器成本也是存儲器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。8.1.1 存儲器概述主存儲器特點：存取速度快，但容量有限。 實用中，一個存儲器同時要求兼顧這三方面很困難。目前在計算機系統(tǒng)中，通常采用主存儲器、高速緩沖存儲器、外存儲器三者構(gòu)成的統(tǒng)

3、一多級存儲系統(tǒng)。高速緩沖存儲器特點：存取速度快，但容量有限。高速緩沖存儲器設(shè)置在CPU和主存儲器之間，完成高速與CPU交換信息，盡量避免CPU不必要地多次直接訪問慢速的主存儲器，從而提高計算機系統(tǒng)的運行效率。外存儲器特點：所存信息必須調(diào)入內(nèi)存后 才能被CPU訪問和處理。硬盤光盤U盤8.1.2 存儲器的分類存儲器按構(gòu)成的器件和存儲介質(zhì)主要可分為：磁芯存儲器、半導(dǎo)體存儲器、光電存儲器、磁膜、磁泡和其它磁表面存儲器以及光盤存儲器等。按存取方式分類又可分為隨機存取存儲器、只讀存儲器兩種形式。1.內(nèi)存儲器只讀存儲器ROMROM中的程序和數(shù)據(jù)是事先存入的，計算機與使用者只能讀取和保存ROM中的程序，不能變

4、更或存入資料。ROM被儲存在一個非揮發(fā)性芯片上，即使關(guān)機之后儲存的內(nèi)容仍然被保存，即事先存入的信息不會因為掉電而丟失。因此，ROM常用來存放計算機系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序、基本輸入、輸出程序等特定功能的程序。隨機存取存儲器RAMRAM的存儲單元根據(jù)具體需要可以讀出，也可以寫入或改寫。RAM主要用來存放各種現(xiàn)場的輸入輸出數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果以及與外部存儲器交換的信息。RAM在發(fā)生掉電時，沒有及時保存的數(shù)據(jù)就會丟失。RAM幫助中央處理器CPU工作，從鍵盤或鼠標(biāo)之類的來源讀取指令，幫助CPU把資料寫到一樣可讀可寫的輔助內(nèi)存中，以便日后仍可取用。RAM還能主動把資料送到輸出裝置。2.外存儲器輔助存儲器硬盤、光

5、盤和U盤均稱為外存硬盤存儲容量大、存取速度快，硬盤中的每個盤片可劃分成若干個磁道和扇區(qū)，并分別用盤符C、D、E等表示。光盤結(jié)構(gòu)原理簡單、存儲信息容量大，十分方便于大量生產(chǎn)，且價格低廉。利用激光頭發(fā)射的激光束可讀取光盤上的信息。U盤輕便小巧，便于攜帶，不需要驅(qū)動器。使用U盤只需用一個USB接口，就可以十分方便地做到文件共享與交流，具有很好地發(fā)展前景。8.1.3 存儲器的主要性能指標(biāo)1.存儲容量存儲器中可容納的二進制信息量稱為計算機的存儲容量。二進制數(shù)的最基本單位是“位”，8位二進制數(shù)稱為一個“字節(jié)”，存儲容量的大小通常都是用字節(jié)來表示的。1KB=1024字節(jié) 1MB=1024KB 1GB=102

6、4MB 1TB=1024GB2.存取速度例232=4294967296B字節(jié) =4194304KB =4096MB =4GB計算機地址總線為32根，則其最大尋址空間為：計算機的容量越大，信息量也越大，存取速度也就越快。計算機內(nèi)存的最大容量由系統(tǒng)地址總線決定，3.功耗半導(dǎo)體存儲器屬于大規(guī)模集成電路，集成度高，體積小，因此散熱不容易。在保證速度的前提下，應(yīng)盡量減小功耗。4.可靠性可靠性是指存儲器對電磁場、溫度變化等因素造成干擾的抵抗能力，通常也稱為電磁兼容性。存儲器由若干存儲器芯片組成。存儲器芯片的集成度越高，構(gòu)成相同容量的存儲器芯片數(shù)就越少。半導(dǎo)體存儲器的集成度是指在一塊數(shù)平方毫米芯片上所制作的

7、基本存儲單元數(shù)，常以“位片”表示，也可以用“字節(jié)片”表示。5.集成度思考與問題132目前使用的半導(dǎo)體存儲器，主要類型是什么？按其存儲信息的功能又可分為哪兩大類。存儲器內(nèi)存的最大容量是由什么來決定的？多級結(jié)構(gòu)的存儲器是由哪三級存儲器組成的？每一級存儲器使用什么類型的存儲介質(zhì)？ 4何謂計算機的存儲容量？存儲容量的大小通常用什么來表示？2022/7/25Sikaoyuwenti8.2 隨機存取存儲器特點隨機存取存儲器RAM是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的主存，也稱為內(nèi)存。RAM通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介。RAM可以隨時讀寫，而且速度很快。在系統(tǒng)工作時，可以隨機對各個存儲單元進行

8、“讀”操作和“寫”操作。由于RAM的存儲單元是觸發(fā)器構(gòu)成的，所以掉電時RAM中存放的數(shù)據(jù)將全部丟失。存儲矩陣的容量由地址碼的位數(shù)N和字長的位數(shù)M決定。當(dāng)一個存儲矩陣的地址數(shù)為N，每個字長所包含的位數(shù)是M時，存儲矩陣的容量=NM。1.存儲矩陣地址譯碼器的作用就是用來接受CPU送來的地址信號，并對地址信號進行譯碼，選擇與地址碼相對應(yīng)的存儲單元，以便對該單元進行讀寫操作。2.地址譯碼器訪問RAM時，對被選中的寄存器，究竟是讀還是寫，通過讀/寫控制電路進行控制。RAM的讀/寫控制線通常高電平時為讀；低電平時為寫。3. 讀/寫控制器由于受RAM集成度的控制，一臺計算機的存儲器系統(tǒng)往往是由許多片RAM組合

9、而成。CPU訪問存儲器時一次只能訪問一片，其他片RAM不能同時訪問CPU，片選用來實現(xiàn)這種控制作用。4.片選控制數(shù)據(jù)輸入/輸出共用相同的I/O引腳。讀操作時I/O端子作輸出端使用；寫操作時I/O端子作輸入端使用。RAM通過I/O端子與計算機的CPU交換數(shù)據(jù)。I/O端子數(shù)與地址中所對應(yīng)的寄存器位數(shù)相同。5.數(shù)據(jù)輸入/輸出控制8.2.2 RAM的存儲單元1.靜態(tài)RAM存儲單元存儲數(shù)據(jù)輸出VT1QQ+VDD1位線0位線行選擇線VT2VT3VT4VT6VT5當(dāng)行選擇線為高電平時，1當(dāng)行選擇線為低電平時，導(dǎo)通導(dǎo)通0截止截止保持原態(tài)不變102動態(tài)RAM存儲單元動態(tài)RAM存儲單元DRAM特點：存儲的信息不能

10、長時間保留，需要不斷地刷新。 字選線數(shù)據(jù)線當(dāng)存儲單元未被選中時：當(dāng)存儲單元被選中時：0截止隔離1導(dǎo)通讀/寫操作RAM的存儲單元8.2.3 集成RAM芯片簡介6116管腳排列圖集成RAM6116功能表CSWROEA0A10D0D7工作方式1高阻態(tài)低功耗維持010穩(wěn)定輸出讀00穩(wěn)定輸入寫表中所示是集成RAM芯片6116的工作方式與控制信號之間的關(guān)系，讀出和寫入線是分開的，而且寫入優(yōu)先。8.2.4 RAM的容量擴展RAM的容量由地址碼的位數(shù)n和字的位數(shù)m共同決定。因此常用的容量擴展法有位擴展、字擴展和字位擴展三種形式。1.RAM的位擴展將幾個RAM的地址碼、讀寫控制端都對應(yīng)地并聯(lián)在一起，各位芯片的I

11、/O端串聯(lián)構(gòu)成輸出，位數(shù)即得到擴展。地址碼A0A9CSI /O 16 片1片16片2I /O 2I /O 12.RAM的字擴展A0A9A10片1片2I/O 14CS1CS利用兩片1024字4位的RAM器件可構(gòu)成2048字4位的RAM。3.RAM的字、位同時擴展A10A11A12A0A9R/WY0Y7I/00I/01I/02I/03思考與問題132何謂存儲器？其特點是什么？ 按工作方式的不同，RAM可分為幾種類型的存儲單元？各具何特點？存儲器的容量由什么來決定？4如何擴展RAM的位線和字線？2022/7/25Sikaoyuwenti特點可編程邏輯器件 英文全稱為：programmable log

12、ic device 即 PLD。PLD是做為一種通用集成電路產(chǎn)生的，他的邏輯功能按照用戶對器件編程來確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。8.3. 可編程邏輯器件特點只讀存儲器ROM正常工作時可重復(fù)讀取所存儲的信息代碼，但是不能改寫存儲的信息代碼。ROM中存儲的數(shù)據(jù)能夠永久保持，不會因斷電而消失。只讀存儲器ROM只讀存儲器ROM的器件按制造工藝可分為二極管、雙極型和MOS型三種；按存儲內(nèi)容存入方式的不同可分為固定和可編程兩種。8.3.1 ROM的結(jié)構(gòu)組成和功能A0An1為地址寄存器的n根輸入線，按二進制代碼進行編碼，稱為地址碼。地址譯碼器的功能是根據(jù)輸入的地址代碼，

13、從n條地址線中選擇一條字線，以確定與該字母地址相對應(yīng)的一組存儲單元的位置。通過地址譯碼器譯出相應(yīng)地址碼的字線為W0Wm-1共計m根，字線的下標(biāo)對應(yīng)地址譯碼器輸出的十進制數(shù)，字線與地址碼的關(guān)系是m=2n。存儲矩陣：是ROM的核心部件和主體，內(nèi)部含有大量的存儲單元電路。存儲矩陣中的數(shù)據(jù)和指令都是用一定位數(shù)的二進制數(shù)表示的。存儲器中存儲1位二值代碼（0或1）的點稱為存儲單元，存儲器中總存儲單元數(shù)即為ROM的存儲容量。讀寫/控制電路：也稱為輸出緩沖器，是為了增加ROM的帶負載能力，同時提供三態(tài)控制，將被選中的M位數(shù)據(jù)輸出至位上，以便和系統(tǒng)的總線相連。 2. 工作原理只讀存儲器ROM存入數(shù)據(jù)的過程稱為“

14、編程”。早期制造的ROM存儲單元是利用其內(nèi)部熔絲是否被燒斷或內(nèi)部二極管是否永久擊穿來寫入數(shù)據(jù)的。字線位線寫“0”：燒斷熔絲寫“1”：不燒斷熔絲一次性編程字線位線出廠時全部寫“0”寫“1”：二極管永久擊穿只能寫入一次，使其應(yīng)用受到很大限制。與門陣列及其地址碼輸入端?；蜷T陣列及其輸出緩沖端。四條字線四條位線1W0A1A0W1A1A0W2A1A0W3A1A00D0W0W2D1W1W2W3D2W0W2W3D3W1W3 ROM中信息存儲的是0還是1通常設(shè)計和制造時就確定好了。ROM輸出信號真值表A1A0D3D2D1D0001110010111101010110101從存儲器角度看，A1、A0是地址碼，D

15、3D2D1D0是數(shù)據(jù)。地址編號00中存放的數(shù)據(jù)是1110；地址編號01中存放的數(shù)據(jù)是0111；地址編號10中存放的是1010；地址編號11中存放的是0101。從函數(shù)發(fā)生器角度看，A1A0是兩個輸入變量，D3D2D1D0是4個輸出函數(shù)。當(dāng)變量A1A0取值為00時，函數(shù)D3D2D1D01110；當(dāng)變量A1A0取值01時，函數(shù)D3D2D1D00111；當(dāng)變量。ROM輸出信號真值表A1A0D3D2D1D0001110010111101010110101從譯碼編碼角度看， “與”門陣列先對輸入的二進制代碼A1A0進行譯碼，得到4個輸出信號W0、W1、W2、W3，再由“或”門陣列對W0W34個信號進行編碼

16、，得到相應(yīng)地址編號存入存儲單元中。其中W0的編碼是0101；W1的編碼是1010；W2的編碼是0111；W3的編碼是1110。 ROM輸出信號真值表A1A0D3D2D1D0001110010111101010110101從譯碼編碼角度看， “與”門陣列先對輸入的二進制代碼A1A0進行譯碼，得到4個輸出信號W0、W1、W2、W3，再由“或”門陣列對W0W34個信號進行編碼，得到相應(yīng)地址編號存入存儲單元中。其中W0的編碼是0101；W1的編碼是1010；W2的編碼是0111；W3的編碼是1110。 3.簡化的ROM矩陣陣列圖畫簡化圖時，一般把接有二極管存儲單元的點用“ ”或“”表示。其中 “ ”表

17、示固定連接， “” 表示邏輯連接，沒有固定連接和邏輯連接處通常認為是邏輯斷開。原圖變的簡單明了8.3.2 ROM的分類1.固定ROM固定ROM也稱掩膜ROM，掩膜ROM是由生產(chǎn)廠家采用掩模工藝專門為用戶制作出的一種固定ROM，因此在出廠時內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)就已經(jīng)“固化”在存儲器中，用戶無法改變所存儲的數(shù)據(jù)。掩模固定存儲器ROM電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，集成度很高，成本低，一般都是批量生產(chǎn)。與陣列D2D1D0A2A0A1或陣列在開發(fā)數(shù)字新產(chǎn)品的過程中，設(shè)計人員往往需要按照自己的構(gòu)思迅速得到存有所需內(nèi)容的ROM，采取現(xiàn)場編程。這種現(xiàn)場編程的ROM被稱為PROM。PROM的結(jié)構(gòu)組成如圖所示。2.現(xiàn)場編程R

18、OM8.3.3 ROM的存儲單元目前使用的光可擦除可編程的EPROM可多次寫入，其存儲單元是在MOS管中置入浮置柵的方法實現(xiàn)的。P+P+N型襯底SD浮置柵浮置柵EPMOS管寫入數(shù)據(jù)后，帶電荷的浮置柵使EPMOS管的源極和漏極之間導(dǎo)通，當(dāng)字線選中某一存儲單元時，該單元位線即為低電平；若浮置柵中無電荷即未寫入時，浮置柵EPMOS管截止，相應(yīng)位線為高電平。當(dāng)改寫存儲單元中的內(nèi)容時，要用紫外線或X射線照射擦除，使浮置柵上注入的電荷形成光電流泄漏掉，EPROM可恢復(fù)原來未寫入時的狀態(tài)，因此又可重新寫入新信息。27系列EPROM是美國Intel公司研制的，型號有2716、27512等。EPROM采用紫外線

19、照射來改寫數(shù)據(jù)，時間大約需要30 min，所需時間較長。字線浮置柵MOS管位線+UDD8.3.4 可編程邏輯器件可編程邏輯器件PLD是用戶自行定義編程的一類通用型邏輯器件的總稱。PLD通常由輸入緩沖、與陣列、或陣列、輸出緩沖四個環(huán)節(jié)構(gòu)成。典型可編程邏輯器件PLD由一個與門陣列和一個或門陣列組成。由于任意一個組合邏輯都可以用與一或表達式進行描述，因此PLD能完成各種數(shù)字邏輯功能。典型可編程邏輯器件PLD的特點是：與陣列（即地址譯碼器）不可編程，或陣列（即存儲矩陣）可編程。1.可編程邏輯陣列PLA可編程邏輯陣列PLA是在PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的可編程邏輯器件，PLA的主要特點有：PLA有一個與陣列構(gòu)成的地址譯碼器，是一個非完全譯碼器；PLA中存儲信息是經(jīng)過化簡、壓縮后裝入的；PLA中的與陣列和或陣列都可編程。用PLA實現(xiàn)將四位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成格雷碼G0G1G2G3與陣列AABBCCDD或陣列PLA中，與陣列編程產(chǎn)生變量最少的與項，或陣列編程完成相應(yīng)最簡與項之間的或運算并產(chǎn)生輸出。節(jié)省了與項線數(shù)，提高了芯片面積有效利用率。G0G1G2G3與陣列AABBCCDD或陣列AABBCCDD與陣列或陣列G0G1G2G3PROM構(gòu)成的存儲矩陣P