第七章存储器(康华光).ppt

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1、7.7.存储器、复杂可编程逻辑器存储器、复杂可编程逻辑器 和现场可编程门阵列和现场可编程门阵列7.1 7.1 只读存储器只读存储器7.2 7.2 随机存取存储器随机存取存储器7.3 7.3 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件*7.4 7.4 现场可编程门阵列现场可编程门阵列*7.5 7.5 用用EDAEDA技术和可编程器件的设计例题技术和可编程器件的设计例题信息与电气工程学院教学基本要求：教学基本要求：掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址、等基掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址、等基本概念。本概念。掌握掌握RAM、ROM的的工作原理及典型应用。工作原理及典型应用。了解存储器的存储单元的

2、组成及工作原理。了解存储器的存储单元的组成及工作原理。了解了解CPLD、FPGA的结构及实现逻辑功能的编程的结构及实现逻辑功能的编程原理。原理。信息与电气工程学院概述概述半导体存贮器半导体存贮器能存放大量二值信息的半导体器件。能存放大量二值信息的半导体器件。可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由用户可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由用户通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵活、处理速度快、可靠性高等优点。活、处理速度快、可靠性高等优点。存储器的主要性能指标存储器的主要性能指标取快速度取快速度存储时间短存储时间短存储数据量

3、大存储数据量大存储容量大存储容量大信息与电气工程学院7.1只读存储器只读存储器7.1.1ROM的的定义与基本结构定义与基本结构7.1.2两维译码两维译码7.1.3可编程可编程ROM7.1.4集成电路集成电路ROM7.1.5ROM的读操作与时序图的读操作与时序图7.1.6ROM的应用举例的应用举例信息与电气工程学院存储器存储器RAM(Random-AccessMemory)ROM(Read-OnlyMemory)RAM(随机存取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。在运行状态可以随时进行读或写操作。存储的数据必须有电源供应才能保存存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电一旦

4、掉电,数据全部丢失。数据全部丢失。ROM(只读存储器只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。在正常工作状态只能读出信息。断电后信息不会丢失，常用于断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息（如程序、常数等）存放固定信息（如程序、常数等）。固定固定ROM可可编程编程ROMPROMEPROME2PROMSRAM(StaticRAM)：静态静态RAMDRAM(Dynamic RAM)：动态动态RAM7.1只读存储器只读存储器信息与电气工程学院几个基本概念：几个基本概念：存储容量存储容量(M)：存储二值信息的总量。存储二值信息的总量。字数字数：字的总量。：字的总量。字长字长（位数）：表示一个信息多位二进

5、制码称为一个字，（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，字的位数称为字长。字的位数称为字长。存储容量存储容量(M)字数字数位数位数地址地址：每个字的编号。：每个字的编号。字数字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）为存储器外部地址线的线数）信息与电气工程学院只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。称为只读存储器。(Read-OnlyMemory)ROM的分类的分类按写入情况划分按写入情况划分固定固定ROM可可编程编程ROMPROMEPROME2PROM按存贮单元中按存贮单元中器件划分器件划分二极管二极管ROM三极

6、管三极管ROMMOS管管ROM7.1.1ROM的的定义与基本结构定义与基本结构信息与电气工程学院存储矩阵存储矩阵地地址址译译码码器器地地址址输输入入7.1.1ROM的定义与基本结构的定义与基本结构数据输出数据输出控制信号输入控制信号输入输出控制电路输出控制电路地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出控制电路输出控制电路信息与电气工程学院1)ROM（二极管二极管PROM）结构示意图结构示意图存储存储矩阵矩阵位线位线字线字线输出控制电路输出控制电路M=4 4地址译码器地址译码器信息与电气工程学院字线与位线的交点都是一个字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管存储单元。交点处有二极管相当存相

7、当存1 1，无二极管相当存，无二极管相当存0 0当当OE=1时输出为高阻状态时输出为高阻状态000101111101111010001101地地址址A1A0D3D2D1D0内内容容当当OE=0时时信息与电气工程学院字线字线存储存储矩阵矩阵位线位线字线与位线的字线与位线的交点都是一个交点都是一个存储单元。存储单元。交点处有交点处有MOS管相当存管相当存0，无，无MOS管管相当存相当存1。7.1.2两维译码两维译码该存储器的容量该存储器的容量=?信息与电气工程学院7.1.3可编程可编程ROM（256X1位位EPROM）256个个存储单元排成存储单元排成16 16的矩阵的矩阵行译码器从行译码器从16

8、行中选出要行中选出要读的一行读的一行列译码器再从选中的一行存列译码器再从选中的一行存储单元中选出要读的一列的储单元中选出要读的一列的一个存储单元。一个存储单元。如选中的存储单元的如选中的存储单元的MOS管管的浮栅注入了电荷，该管截的浮栅注入了电荷，该管截止，读得止，读得1；相反读得；相反读得0信息与电气工程学院7.1.4集成电路集成电路ROMAT27C010128K8位位ROM 信息与电气工程学院工作模式工作模式A16 A0VPPD7 D0读读00XAiX数据输出数据输出输出无效输出无效X1XXX高阻高阻等待等待1XXAiX高阻高阻快速编程快速编程010AiVPP数据输入数据输入编程校验编程校

9、验001AiVPP数据输出数据输出信息与电气工程学院7.1.5ROM的读操作与时序图的读操作与时序图（2）加入有效的片选信号）加入有效的片选信号（3）使输出使能信号）使输出使能信号有效，经过一定延时后，有效数据有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；出现在数据线上；（4）让片选信号）让片选信号或输出使能信号或输出使能信号 无效，经过一定延无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。时后数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；信息与电气工程学院（1）用于存储固定的专用程序用于存储固定的专用程序（2）利用利用

10、ROM可实现查表或码制变换等功能可实现查表或码制变换等功能查表功能查表功能查某个角度的三角函数查某个角度的三角函数把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为存放在该地址内的数据，这称为“造表造表”。使用时，。使用时，根据输入的地址根据输入的地址(角度角度)，就可在输出端得到所需的函数，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为值，这就称为“查表查表”。码制变换码制变换把欲变换的编码作为地址，把最终的把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。目的编码作为相应存储单元中的内容即可。7.1.6ROM

11、的应用举例的应用举例信息与电气工程学院CI3 I2 I1 I0二进制码O3O2O1O0格雷码CI3 I2 I1 I0格雷码O3O2O1O0二进制码00 0 0 00 0 0 010 0 0 00 0 0 000 0 0 10 0 0 110 0 0 10 0 0 100 0 1 00 0 1 110 0 1 00 0 1 100 0 1 10 0 1 010 0 1 10 0 1 000 1 0 00 1 1 010 1 0 00 1 1 100 1 0 10 1 1 110 1 0 10 1 1 000 1 1 00 1 0 110 1 1 00 1 0 000 1 1 10 1 0 010

12、 1 1 10 1 0 101 0 0 01 1 0 011 0 0 01 1 1 101 0 0 11 1 0 111 0 0 11 1 1 001 0 1 01 1 1 111 0 1 01 1 0 001 0 1 11 1 1 011 0 1 11 1 0 101 1 0 01 0 1 011 1 0 01 0 0 001 1 0 11 0 1 111 1 0 11 0 0 101 1 1 01 0 0 111 1 1 01 0 1 101 1 1 11 0 0 011 1 1 11 0 1 0用用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路实现二进制码与格雷码相互转换的电路信息与电气工程学

13、院C(A4)I3 I2 I1 I0(A3A2A1A0)二进制码O3O2O1O0(D3D2D1D0)格雷码C(A4)I3 I2 I1 I0(A3A2A1A0)格雷码O3O2O1O0(D3D2D1D0)二进制码00 0 0 00 0 0 010 0 0 00 0 0 000 0 0 10 0 0 110 0 0 10 0 0 100 0 1 00 0 1 110 0 1 00 0 1 100 0 1 10 0 1 010 0 1 10 0 1 000 1 0 00 1 1 010 1 0 00 1 1 100 1 0 10 1 1 110 1 0 10 1 1 000 1 1 00 1 0 110

14、 1 1 00 1 0 000 1 1 10 1 0 010 1 1 10 1 0 101 0 0 01 1 0 011 0 0 01 1 1 101 0 0 11 1 0 111 0 0 11 1 1 001 0 1 01 1 1 111 0 1 01 1 0 001 0 1 11 1 1 011 0 1 11 1 0 101 1 0 01 0 1 011 1 0 01 0 0 001 1 0 11 0 1 111 1 0 11 0 0 101 1 1 01 0 0 111 1 1 01 0 1 101 1 1 11 0 0 011 1 1 11 0 1 0C=A4I3 I2 I1 I0=A

15、3A2A1A0O3O2O1O0=D3D2D1D0信息与电气工程学院用用ROM实现二进制码与格雷码相互转换的电路实现二进制码与格雷码相互转换的电路 信息与电气工程学院7.2随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)7.2.2同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器（SSRAM）7.2.4存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器信息与电气工程学院7.2随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）7.2.1静态随机存取存储器静态随机存取存储器(SRAM)1SRAM的本结构的本结构CE OEWE=100高阻高

16、阻CEOEWE=00X输入输入CEOEWE=010输出输出CEOEWE=011高阻高阻信息与电气工程学院SRAM的工作模式的工作模式工作模式工作模式 CE WE OE I/O0I/Om-1保持保持(微功耗微功耗)1XX高阻高阻读读010数据输出数据输出 写写00X数据输入数据输入 输出无效输出无效 011高阻高阻信息与电气工程学院1.RAM存储单元存储单元静态静态SRAM(StaticRAM)双稳态存储单元双稳态存储单元电路电路列存储单元公用的门列存储单元公用的门控制管，与读写控制电路相接控制管，与读写控制电路相接Yi1时时导通导通本单元门控制管本单元门控制管:控控制触发器与位线的制触发器与位

17、线的接通。接通。Xi=1时时导通导通来自列地址译码来自列地址译码器的输出器的输出来自行地址译码来自行地址译码器的输出器的输出信息与电气工程学院1.RAM存储单元存储单元静态静态SRAM(StaticRAM)T5、T6导通导通T7、T8均导通均导通Xi=1Yj=1触发器的输出与数据触发器的输出与数据线接通，该单元通过线接通，该单元通过数据线读取数据。数据线读取数据。触发器与位线接通触发器与位线接通信息与电气工程学院（a）（b）3.SRAM的读写操作及时序图的读写操作及时序图读操作时序图读操作时序图信息与电气工程学院3.SRAM的写操作及时序图的写操作及时序图写操作时序图写操作时序图信息与电气工程

18、学院7.2.2同步静态随机存取存储器同步静态随机存取存储器（SSRAM）SSRAM是一种高速是一种高速RAM。与。与SRAM不同不同,SSRAM的读写的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。信息与电气工程学院寄存地址线上的地址寄存地址线上的地址寄存要写入的寄存要写入的数据数据ADV=0:普通模式读写普通模式读写ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写=0:写操作写操作=1:读操作读操作寄存各种使能控制信号，生成最终的寄存各种使能控制信号，生成最终的内部读写控制信号；内部读写控制信号；2 2位二进制计数器位二进制计数器,处理处理A1A0信息与电气工程学院ADV=0:

19、普通模式读写普通模式读写片片选选无无效效=0:写操作写操作WE=1:读操作读操作WE普通模式读写模式普通模式读写模式:在每个时钟有效沿锁存输入信号在每个时钟有效沿锁存输入信号,在一在一个时钟周期内个时钟周期内,由内部电路完成数据的读由内部电路完成数据的读(写写)操作。操作。读读A1地址地址单元单元数据数据I/O输输出出A1数据数据;开始开始读读A2数据数据I/O输输出出A2数据数据;开始开始读读A3数据数据I/O输输出出A6数据数据;开始开始读读A7数据数据开始开始读读A4地址地址单元单元数据数据I/O输输入入A5数据数据;开始开始写写A6数据数据I/O输输出出A4数据数据;开始开始写写A5数

20、据数据,信息与电气工程学院读读A2地址地址单元单元数据数据丛发丛发模式模式读读A2+1中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A2+2中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A2+3中的中的数据数据丛发丛发模式模式重新重新读读A2中的中的数据数据ADV=1:丛发模式读写丛发模式读写丛发模式读写模式：在有新地址输入后丛发模式读写模式：在有新地址输入后,自动产生后续地址自动产生后续地址进行读写操作进行读写操作,地址总线让出地址总线让出读读A1地址地址单元单元数据数据丛发丛发模式模式读读A1+1中的中的数据数据丛发丛发模式模式读读A1+2中的中的数据数据信息与电气工程学院在由在由SSRAM构成的计算机系统中

21、，由于在时钟构成的计算机系统中，由于在时钟有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁有效沿到来时，地址、数据、控制等信号被锁存到存到SSRAM内部的寄存器中，因此读写过程的内部的寄存器中，因此读写过程的延时等待均在时钟作用下，由延时等待均在时钟作用下，由SSRAM内部控制内部控制完成。此时，系统中的微处理器在读写完成。此时，系统中的微处理器在读写SSRAM的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个的同时，可以处理其他任务，从而提高了整个系统的工作速度。系统的工作速度。SSRAM的使用特点：的使用特点：信息与电气工程学院1、动态存储单元及基本操作原理、动态存储单元及基本操作原理 T 存储单元存储单元

22、写操作写操作:X=1=0T导通，电容器导通，电容器C与位线与位线B连通连通输入缓冲器被选通，输入缓冲器被选通，数据数据DI经缓冲器和经缓冲器和位线写入存储单元位线写入存储单元如果如果DI为为1，则向，则向电容器充电，电容器充电，C存存1;反之电容器放电反之电容器放电,C存存0。-刷新刷新R行选线行选线X读读/写写输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B7.2.3动态随机存取存储器动态随机存取存储器信息与电气工程学院读操作读操作:X=1=1T导通，电容器导通，电容器C与位线与位线B连通连通输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器被选通，被选通

23、，C中存储的数据中存储的数据通过位线和缓冲器输出通过位线和缓冲器输出 T/刷新刷新R行选线行选线X输出缓冲器输出缓冲器/灵敏放大器灵敏放大器刷新缓冲器刷新缓冲器输入缓冲器输入缓冲器位位线线B每次读出后，必须及时每次读出后，必须及时对读出单元刷新，即此对读出单元刷新，即此时刷新控制时刷新控制R也为高电平，也为高电平，则读出的数据又经刷新则读出的数据又经刷新缓冲器和位线对电容器缓冲器和位线对电容器C进行刷新。进行刷新。信息与电气工程学院7.2.4存储器容量的扩展存储器容量的扩展位扩展可以利用芯片的并联方式实现。位扩展可以利用芯片的并联方式实现。CE A11A0WED0D1D2D3WECEA0A11

24、4K4位位I/O0I/O1I/O2I/O3D12D13D14D15CEA0A114K4位位I/O0I/O1I/O2I/O3WE1.字长（位数）的扩展字长（位数）的扩展-用用4K4位的芯片组成位的芯片组成4K16位位的的存储系统。存储系统。信息与电气工程学院7.2.4RAM存储容量的扩展存储容量的扩展2.字数的扩展字数的扩展用用用用8K8位的芯片组成位的芯片组成32K8位的存储系统。位的存储系统。RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1芯片数芯片数=4=4RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A12

25、12CE1RAM1D D0 0D D7 7A A0 0A A1212CE1系统地址线数系统地址线数=15=15系统系统:A0A14A13A14?2000H2001H2002H 3FFFH4000H400H4002H 5FFFH6000H6001H6002H 7FFFH0000H0001H0002H 1FFFH芯片芯片:A0A12信息与电气工程学院32K8位存储器系统的地址分配表位存储器系统的地址分配表各各RAM芯片芯片译码器译码器有效输有效输出端出端扩展的地扩展的地址输入端址输入端A14A138K8位位RAM芯片地址输入端芯片地址输入端A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

26、对应的十对应的十六进制地六进制地址码址码00000000000000000000000000010000000000010 11111111111110000H0001H0002H 1FFFH01000000000000000000000000010000000000010 11111111111112000H2001H2002H 3FFFH10000000000000000000000000010000000000010 11111111111114000H400H4002H 5FFFHY0Y1Y2Y311000000000000000000000000010000000000010 11111111111116000H6001H6002H 7FFFH信息与电气工程学院 字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入字数的扩展可以利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端来实现。端来实现。信息与电气工程学院