计 算 机 电 路 基 础

计 算 机 电 路 基 础

上海第二工业大学计算机与信息学院上海第二工业大学计算机与信息学院

第十章 存储器和可编程逻辑器件

第 10章 存储器和可编程逻辑器件

10.1 10.1 概述概述10.1 10.1 概述概述

10.2 10.2 随机存取存储器随机存取存储器10.2 10.2 随机存取存储器随机存取存储器

10.3 10.3 只读存储器只读存储器10.3 10.3 只读存储器只读存储器

10.4 10.4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLDPLD10.4 10.4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLDPLD

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10.1 概述1 、存储容量 衡量存储容量的常用单位为字节（ Byte ）、千字节

（ KB ）、兆字节（ MB ）和吉字节（ GB ）。 1KB = 1 024Byte = 210Byte 1MB = 1024KB = 1 048 576Byte = 220Byte 1GB = l 024MB = 1 048 576KB = 1 073 741 824Byte = 230Byte 存储器的最大容量可以由存储器地址码的位数确定，

若地址码位数为 N ，即可以产生 2N 个不同的地址码，存储器的最大容量为 2N 字节。

2 、存取时间 信息存入存储器的操作称为写操作，信息从存储器取

出的操作称为读操作。存取时间是描述存储器读 / 写速度的重要参数，通常用 TA 来表示。为了提高内存的工作速度使之与 CPU 的速度匹配，总是希望存取时间越短越好。

3 、可靠性 存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障工

作的情况，一般用平均无故障时间衡量。平均无故障时间（ MTBF ）越长，表示存储器的可靠性越好。

4 、性能 / 价格比 性能 / 价格比是衡量存储器的综合性指标。通常要根

据对存储器提出的不同用途、不同环境要求进行对比选择。

10.2 随机存取存储器1 、 RAM 的结构及工作原理 一般计算机使用的 RAM 芯片都有自己独立的存储体

阵列、译码电路、读写控制电路和 I/O 电路，如下图所示。

地址寄存器

地址译码器

存储器

读写放大电路

数据寄存器

读写控制电路

. . . . . .AB DB

CSR/W

2 、存储容量的扩展•位扩展

2114A

VCCA7A8A9

A6A5A4A3A0A1A2

I /O1I /O2I /O3I /O4CS

GND

21141（ ）

21142（ ）

A9-A0

CS

CS

A9-A0

I /O4- I /O1

I /O4- I /O1

A9-A0

D7-D4

D3-D0

片选

R/W

•字扩展

2114 2114 2114 2114

A9-A0 A9-A0 A9-A0 A9-A0

D3-D0 D3-D0 D3-D0 D3-D0

CS CS CS CS

R/W R/W R/W R/W

译码器

D3-D0

R/W

A9-A0

A11

A10

•位字扩展

2114

A9-A0CS

2114

A9-A0CS

R/W

2114

A9-A0

D7-D4

CS

2114

A9-A0

D3-D0

CS

R/W

D7-D0

R/W

A9-A0

A11

A10

2114

A9-A0

D7-D4

CS

2114

A9-A0

D3-D0

CS

R/W

2114

A9-A0

D7-D4

CS

2114

A9-A0

D3-D0

CS

R/WD3-D0

R/WD7-D4

R/W R/W R/W

译码器

10.3 只读存储器 通常把使用时只读出不写入的存储器称为只读存储

器（ ROM ）。 ROM 中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后仍然保留。

1 、 ROM 的结构及工作原理

N(字)xM(位)存储单元矩阵

地址寄存器

地址译码器

输出缓冲器片选逻辑

......

...

输出数据M位

N=2P

地址输入

A1A2

AP

片选

CS

...

...

2 、 EPROM 和 E2PROM 为了适应程序调试的要求，针对—般 PROM 的不可

修改特性，设计出可以多次擦写的可编程 ROM （ EPROM ）。其特点是可以根据用户的要求用工具擦去 ROM 中存储的原有内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以多次进行。同其它 ROM 一样，其中保存的信息不会因断电而丢失。

目前最常用的 EPROM 是通过电方法擦除其中的已有内容，通常也称为电可擦除可编程 ROM （ EEPROM ），它和 EPROM 相比有许多优点，擦除时间短且工作可靠是最突出的特点，已逐渐替代了 EPROM 。

10.4 可编程逻辑器件 PLD

1 、 PLD 的基本结构和分类

•PLD 的基本结构

输入电路

与门阵列

或门阵列

输出电路

输入项 积项 或项. . . . . .输

入输出

• PLD 的分类 PLD 内部通常只有一部分或某些部分是可编

程的，根据它们可编程情况可分为四类：可编程只读存储器 PROM 、可编程逻辑阵列 PLA、可编程阵列逻辑 PAL 、通用阵列逻辑 GAL。按可编程和改写方法分为：第一代 PLD ，采用一次性掩膜编程方式；第二代 PLD ，采用紫外光擦除方式；第三代 PLD ，采用一种电擦除的可编程器件；第四代 PLD ，是一种在系统可编程器件。

2 、可编程逻辑阵列 PLA • 基本原理

4321432143216321 )()()()( xxxxxxxxxxxxyyyf

3 、可编程阵列逻辑 PAL• PAL 的基本结构 PAL 的基本逻辑结构由可编程的“与阵列”和固定

的“或阵列”组成，“与阵列”的输出送给“或阵列”，如图所示。

• 优点 PAL 器件在逻辑设计领域中具有独特的地位。它很多

特性超越了常规的逻辑设计方法，给设计者带来很多好处。优点如下：

1 ）可编程方式代替常规逻辑设计，至少可减少器件数目 4倍，从而节省了空间；

2 ）简化了电路布线过程，缩短了器件传输延迟时间，有利于提高系统速度；

3 ）具有保护特性； 4 ）直接地进行逻辑替换，在逻辑设计中，可用 PAL

替代多种逻辑功能标准器件。特别是在实现大规模的集成电路上进行优化设计；

5 ）设计灵活简便，能满足高性能的要求。

4 、通用逻辑阵列 GAL 通用逻辑阵列是 Lattice公司研制的一种电可擦除、

可多次编程的 PLD 器件，其功能比 PLA更强，性能也较优越。它具有很强的可编程的输出级，能灵活地改变工作方式，既能用作组合逻辑器件，也可用作时序逻辑器件；其输入引脚，既能用作输出端，也可配置成输入端，而且 GAL还可设置加密位。

GAL 的优点： 1 ） GAL系列是简化系统设计的新一代器件，用户

不必为寻找最适合某一特定的设计的结构而操心。 GAL 具有很强的通用性，便于设计。

2 ）便于生产、大大简化生产的流程。 3 ）具有可试验性强、低功耗和速度高等特点。

本章小结 本章主要介绍了随机存储器和只读存储器，以及存

储器的定义和性能指标。讲述了随机存储器的结构、工作原理和存储器芯片进行扩展的三种方式：位扩展、字扩展和位字扩展。对只读存储器的分类、结构和工作原理也进行了介绍。

本章还讲述了可编程逻辑器件 PLD 的基本结构和分类。 PLD 根据可编程情况可分为四类 :可编程只读存储器 PROM 、可编程逻辑阵列 PLA 、可编程阵列逻辑 PAL 、通用阵列逻辑 GAL 。文中分别介绍了可编程逻辑阵列 PLA 、可编程阵列逻辑 PAL 和通用阵列逻辑 GAL 的基本原理和结构，以及它们的优缺点。