计算机导论411-存储器-计算机辅助电路.ppt

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1、4.11 存储器,新编电类专业计算机基础,目 录,目 录,存储器概念,在计算机系统中用来存储大量数据的器件叫存储器。,存储器,存储器分类,按存储介质分类,半导体存储器,数 据,数据总线,半导体存储器组成,、地址译码器,、存储器阵列,、I/O控制电路,地址输入,字选 通信号,控制信号输入,地址译码器,I/O控制电路,M列,N行,存储器基本结构,存储阵列组成,存储阵列由大量的存储单元组成。,每个存储单元中能存放位二值数据(0,1)。,排列成N行M列矩阵形式。,M个存储单元称为一个字，M称为字长。,共N个字，为寻找不同的字，必须给每个字一个编码，称为地址。,地址译码器作用,地址译码器的作用就是将输入

2、的二进制地址编码译成相应的字选通信号，从存储矩阵中选出指定的字输入输出。,(0100)B,二进制地址位数n与存储矩阵中字的个数N满足关系式N=2n。,地址0 x04被选中,4位二进制,地址译码器,I/O控制电路作用,I/O控制电路 通常都包含三态缓冲器，以便与计算机系统的数据总线连接。,当存储器中有数据输出时，三态缓冲器打开，有足够能力驱动数据总线。,没有数据输出时，输出高阻态，以免影响数据总线。,I/O控制电路,0,1,0,1,1,0,1,目 录,编程器,编写程序,ROM作用,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,0,传统的ROM一般是用来存放计算机程序的，计算机上电后自动将ROM中的程序

3、读出来运行，计算机断电后程序不丢失。,1,1,0,1,1,0,ROM中的程序一般由专用的装置写入的（如编程器），程序一旦被写入，在正常工作下不能被随意改写。,ROM结构,位线,字线,存储单元由字线与位线交叉处二极管构成。,存储阵列为88矩阵，即有8个字，每个字长为8位。,地址译码器的二进制地址输入为3位A0、A1、A2，8个字选通输出Y0Y7。,8个字，至少需3位二进制地址输入。,8位,ROM读操作,1,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,Y0、Y2Y7输出高电平，与其相连接二极管均不导通，对输出无影响。,Y1输出低电平，与其相连二极管均导通，相应位线变为低电平，未与Y1跨接二极管位线保持

4、 高电平。,使能,字线与位线交叉处相当于一个存储单元，此处若跨接二极管相当于存储一个1，否则存储0。,存储器容量,存储器容量字数字长，即MN。,单位：K、M、G。,1K=210=1024 bit(位),1M=220=1024K,1G=230=1024M,如：MN=88=64bit(位),目 录,ROM128存储器原理图,1、2片74HC138译码器级联成4-16线译码器,2、2片74HC125,构建成可以存放16个字节的ROM128存储器,3、128个IN4148二极管,等效为,ROM128存储器工作原理,通过短路片将矩阵电路中的二极管连接时，则字线与位线交叉处相当于一个存储单元,1、短路环连

5、接，存储0；2、短路环断开，存储1。,ROM128存储器工作原理,0000,与Y0相连的所有二极管导通，相应的位线变为低电平，未与Y0跨接二极管的位线保持高电平。,11111110,11111110,多输入输出组合逻辑电路实验,1、连线；,注意A9实验区的连接：先连接JPR4，然后将JPR3与实验大板上的Vcc与GND用杜邦线分别连接以接通电源。,多输入输出组合逻辑电路实验,1、连线；2、对ROM128编程，示例详见表4.23；,插上短路器连接二极管相当于存储一个0，否则存储1,多输入输出组合逻辑电路实验,1、连线；2、对ROM128编程，示例详见表4.23；3、拨动开关KA0 KA3，通过L

6、ED的显示状态找到对应的关系。,例：拨动KA0KA3使A3A0输入1101，根据ROM128中存储的数据，LED显示状态如图中所示。,1011,10110000,LED流水灯实验,清零按键,步进按键,快速按键,注意，使用按键S9时，可通过JP23调整LED流水灯的速度。,目 录,随机存取存储器分类,SRAM基本结构,+,+,A0,A1,An-1,I/O0,I/Om-1,、地址译码器,、存储器阵列,、I/O控制电路,SRAM结构框图,属于时序 逻辑电路,可读可写,存储单元是由锁存器(或触发器)构成,SRAM结构框图,SRAM基本结构,+,+,A0,A1,An-1,I/O0,I/Om-1,n位二进

7、制地址线,m位双向数据线,总容量：2nm,片选信号,写使能信号输入,输出使能 信号输入,SRAM特性,缺点：存储单元管子数目多，成本高，集成度受到限制，因此目前在计算机系 统中SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存，仅 有少量的网络服务器以及路由器上能够使用SRAM。,优点：性能好、速度快。,目 录,IS62C256AL 随机存储器简介,没有数据就没有计算机，所以数据的存放和读取是计算机操作的关键。,中文名称：集成芯片解决方案公司,英文全称：Integrated Silicon Solution,Inc,数据的存放,为了便于更好地理解存储器的工作方式，我们可将存储器设想成一

8、个有许多相同房间的大楼，每个房间存放的都是数据。,一条数据线,事实上，存储器的数据是通过数据线上的2种电平状态来实现的，即0(低电平)和1(高电平)，除此以外的状态对电路来说都是没有任何意义。,0,1,单个房间,M个存储单元（字长）,多条数据线,单个房间,要存放大于1以上的数字时，只需要增加数据线的数目就可以。,如：8条数据线，就能表示28即256种不同状态，也就是说一个“房间”(字长)一次只能放进或取出0255中的任何一个数据。,0255,“房间”地址码,每个“房间”都有编号，也就是说每个房间都有它的地址，以方便寻找。那么，为了了能够准确地找到存放或取出数据的不同“房间”即字，则需要先给每个

9、“房间”编排一个可以按照一定规律方便找到的地址码，也就是地址线的作用。,一条地址线,同样，一条地址线只有两种状态0和1，也就只能区分2个房间。因此要增加可寻房间数量，也要通过增加地址线数目来实现。,多条地址线,同样，一条地址线只有两种状态，也就只能区分2个房间。因此要增加可寻房间数量，也要通过增加地址线数目来实现。,结论分析,数据线个数决定了每个“房间”能够存放数字大小范围，如8条数据线，就决定此“房间”能存放数据为28=256，即0 255数字中任何一个。地址线个数决定了可寻“房间”数量，如3条地址线，就决定可寻房间个数为23=8个。,IS62C256AL 存储器读写原理图,8条数据线：每个

10、存储“房间”有8个存储单元，即字长。,15条地址线：可寻找215个地址数，即可编排32768个数据存储“房间”地址。,存储容量832768=2561024即256Kb=32KB,在计算机中，“b”表示bit，即位；“B”表示Byte，字节，即8bit(位),IS62C256AL 存储器读写原理图,KA0KA14为地址输入开关，闭合时，对应地址线上输入为逻辑1，断开时则为0，这15个开关的闭合或断开状态决定了存储器 的操作地址。,KD0KD7为数据开关，其闭合或断开的状态决定了操作存储的数据。,IS62C256AL 存储器读写原理图,当按下WR键时，将由数据开关KD0KD7所产生的数据写入由地址

11、开关KA0KA14所产生的地址 存储“房间”。,当按下RD键时，将由地址开关KA0KA14所确定的地址存储“房间”的电平数据反应在存储器D0D7数据线上。,在RD键按下时，数据开关KD0-KD7必须全部断开。,CE片选，为1时，禁止器件工作，反之则选中该器 件。,目 录,数据读写控制,10,9,8,7,6,5,4,3,25,24,21,23,2,26,1,20,A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,12,13,15,16,17,18,19,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,11,WE,OE,CE,27,22,5V,5V

12、,5V,IS62C256AL,KA0,KA1,KA14,KD0,KD1,KD7,C10 104,C10104,S9WR,S8RD,存储器读写原理图,数据输入电路,可控电子开关,显示存储器数据总线上当前数据状态,手动数据输入开关,存储器数据线,写使能有效时，同步打开74HC125，KD0KD7接入总线，数据被写入到存储器相应的地址中。,11111111,11111111,11111111,00000000,数据输入电路,写使能有效时，同步打开74HC125，KD0KD7接入总线，数据被写入到存储器相应的地址中。,当数据输入完成，读使能，同步关闭74HC125，此时不管KDi开关输入为高电平或低电

13、平，则输出 均为高阻态，从而保证手动数据输入KD0KD7及时退出总线控制。,11111111,11111111,00000000,目 录,数据输入电路,三态缓冲隔离器，EN为读写使能信号线,数据与地址输入控制电路的作用,当数据输入完成后，只要按下S1(READ)“读使能”键，即可禁止74HC125三态门工作，从而保证手动输入电路及时退出总线控制，将存储器的操作交给其它控制电路。,0,1,1,1,0,0,1,1,1,0,当需要手动输入数据时，只要按下S2(WRITE)“写使能”键，即可打开74HC125三态门让出全部总线，供手动电路进行数据输入操作；,目 录,地址线数目确定,11个地址空间，至少

14、需要4根地址线才能满足其全部寻址空间2416,寻址范围为015 11，满足11个地址空间要求。,为什么要地址产生电 路,地址产生电路,地址产生源,对于一颗CPU芯片或者计算机系统来说，它都有一个最大寻址空间的指标，但最大寻址空间并不等于必须的寻址空间，计算机使用多少寻址空间是由计算机的程序指令决定的，所以对计算机的程序实验来讲，只要满足其具体实验要求的寻址空间就足够了，所以8位计数器对其相关电路的实验已经完全够用了，选择计数器做地址数据的产生是因为计算机对存储器的操作也是以计数器的方式进行的。,计数器产生地址信息,地址输入电路,地址码输出,地址信息显示,地址产生,目 录,SRAM实验电路组成,

15、数据输入电路,地址输入电路,控制电路,SRAM读写电路,SRAM实验过程,SRAM实验流程简图,接通电源,按下S2，LED2点亮,地址开关全拨为0，ADDR全灭,数据开关全拨为0，DATA全灭,按下S11，将数据写入对应地址,重复上面三个步骤，拨号其它地址和数据,向SRAM写入数据,从SRAM读出数据,按下S1，LED2熄灭,将地址开关全拨为0,按下S10键,在DATA显示器上读到先前输入的数据,重复上面三个步骤，校验其它地址对应的数据,4.12 计算机系统辅助电路,新编电类专业计算机基础,目 录,计算机信息输入方式,人是通过人机界面向计算机发出指令，而人工输入则是计算机人机界面的重要组成部分

16、。,触摸,声音,按键输入,按键是最常用、最便捷的一种计算机信息输入的方式。,按键抖动？,抖动产生原因,理想效果,未按下时为高电平,刚释放时出现抖动,刚按下时出现抖动,按下稳定后为低电平,实际效果,由于按键本身的机械特性和人手指的不稳定性等综合因素，致使按键刚按下的瞬间产生了抖动。,刚释放时出现抖动,多个窄脉冲干扰：宽度一般可达毫秒，若加在相对高速的数字电路中将会产生很大的影响，比如若将这个电路作为计数器的手动CP脉冲输入，则按一次键会产生无法预计的多个计数。,输入,输出,当B由0V2时，输出Y变为低,当B由V2V1时，输出Y变为高,回差电压：V2-V1,特点：抗干扰能力很强，常用于波形整形、变

17、换,施密特反相器工作原理,常见消抖方法,阻 容 消 抖,1,RS触发器消抖,2,延 时 消 抖,3,最终输出,刚释放时出现抖动,刚按下时出现抖动,阻容消抖-解决方法(1),单触点按键的无消抖电路,阻容消抖电路,Y,施密特反相器,A,B,整形前阻容消抖输出,整形后阻容消抖输出,输出抖动波形,按键断开：电容充满电，A、B输出“1”，Y输出“0”,按键按下：A点为0V，C通过R2对地放电，B点电位缓慢下降，若出现抖动时，B点也不会立刻上升为+E，而是缓慢上升。此时放电时间充电时间,按键释放：A、B点电位上升，C又开始充电且充电时间放电时间。若出现抖动时，B点也不会立刻下降到0V，而是缓慢上升到+E,

18、0,RS触发器消抖-解决方法(2),开关电路,RS触发器消抖,Y,输出,输出,0,1,0,1,0,1,延时消抖-解决方法(3),单触点按键的无消抖电路,Y,启动延时,停止延时,软件消抖：延时td时间后再判断按键是否仍然按下，若仍按下，则本次按键有效；否则本次按键无效。,目 录,复位电路的作用,在现代数字及计算机系统中，都存在有触发器电路。,输入,输出状态不定,上电,输出,所以若要使数字设备或计算机正常工作，在上电时必须要使系统中所有触发器的输出处于指定的高或低状态。,能使设备在刚上电时，且电源电压稳定后，自动产生一个具有一定宽度的高或低电平的脉冲信号。,复位电路：,常见复位电路,RC复位电路,

19、1,集成复位电路,2,RC复位电路-低电平复位,电源,RC复位,Vc不能突变，保持低电平,电容两端电压,CPU复位电压,CPU复位时间,Vc上升至电源电压，CPU开始正常工作,条件：只要选择合适的R和C，Vc就可以在CPU复位电压以下持续足够时间使CPU复位。,总结：相当于在CPU上电时，自动产生一个一定宽度的低电平脉冲信号，使CPU复位。,RC复位电路-高电平复位,电源,RC复位,CPU复位电压,CPU复位时间,VR降低至0V，CPU则正常工作,条件：只要选择合适的R和C，VR就可以在CPU复位电压以上持续足够时间使CPU复位。,总结：相当于在CPU上电时，自动产生一个一定宽度的高电平脉冲信

20、号，使CPU复位。,低电平复位原理图,高电平复位原理图,VR=E电源电压,电阻两端电压,电容两端电压成指数规律上升,电容两端电压仍然为0，不能突变,RC复位电路练习,该复位电路适用于高电平复位还是低电平复位？,试述复位原理，画出上电时Vc波形？,试述二极管D的作用。,当电源电压消失时为电容C提供一个迅速放电的回路，使RESET端迅速回零，以使下次上电时CPU能可靠复位。,D处流过电流远大于R处流过电流,经验之谈,复位电路在电路设计中非常重要，,存储器上电丢失数据。,如果CPU的复位电路设计得不合理将,会导致CPU严重死机，并且影响与,CPU有关的外围器件的稳定性，比如,重点提示,RC复位电路,

21、由于RC复位电路是靠电容充放电实现复位电平的产生，而电容充放电速度较慢，所产生的信号不陡峭。,在电源频繁上、下电过程中就有可能产生不正确的复位信号。因此在许多要求较严格的场合就不能使用RC复位电路。,RC复位不足,解决方法：集成复位电路,集成复位电路,集成复位电路保证了电源电压E在低于某个阈值 VTH以下时，产生正确的复位信号。,两个输入P、N，一个输出,当VPVN时，输出高电平,将N端电压稳定在一定值，取得VP、VN的比较参考电压,当VPVN时，输出低电平,集成复位电路,集成复位电路保证了电源电压E在低于某个阈值 VTH以下时，产生正确的复位信号。,集成复位电路工作原理,集成复位电路保证了电

22、源电压E在低于某个阈值 VTH以下时，产生正确的复位信号。,正常工作时，计数器正常计 数，计数溢出后，计数器一 直输出高电平“1”,当EVTH、VPVN时刻，比较器输出高电平，并且该 高电平触发计数器开始计数,当EVTH、VPVN时，比较器 输出低电平，该低电平使计 数器复位输出低电平“0”，此 时计数器停止计数,集成复位电路波形分析,正常工作,复位过程,正常工作,t1时刻之前,t1t5区间,t5时刻之后,如此过程怎样理解？,集成复位电路波形分析,1,1,0,0,1,1,0,0,1,开始计数,正在计数,计数溢出,1,0,1,复位信号结束,集成复位电路结果分析,目 录,振荡器概述,众所周知，心脏

23、是人体血液循环的动力器官，它好象一台血泵，不停地收缩与舒张，将血液输送到人体的各个器官。,计算机的工作原理就是在时钟节拍的作用下，将预先编好的程序一步一步地执行下去，其中时钟信号就来源于振荡器。,计算机正常工作,提示,反复循环,RC振荡器解决方法(1),上电,0,1,这样由于电容C的充放电在输出Y就得到了一个脉冲波，它的频率和周期与R、C及V1、V2有关。经推导它的周期为:,由于电容C的容量误差较大，且温度稳定性较差，因此RC振荡器所产生的信号频率不是很稳定。在数字钟等频率要求十分严格的场合时就不适用了。,作用：,晶体振荡器解决方法2,若要得到频率稳定性很高的波形，就要采用由石英晶体谐振器组成

24、的晶体振荡器了。,石英晶体谐振器,简称：晶振,它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。石英晶体的选频特性非常好，它有一个极其稳定的串联谐振频率fs，只有频率为fs的信号最容易通过，而其它频率的信号均会被晶体衰减。它的谐振频率fs与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。因此可以制成各种频率的石英晶体谐振器。,晶体振荡器解决方法2,集成电路CD4060解决方法3,CD4060的内部逻辑框图,集成电路CD4060为带振荡器的14级异步二进制计数/分频器。它由一个振荡器和一个14级异步二进制计数/分频器组成。,集成电路CD4060解决方法3,CD4060的内部逻辑框图,在管脚RST上加高电平：,1,0,0,0 0 0,1,1,0,集成电路CD4060解决方法3,Q14,Q4 Q5 Q6Q13 Q14,COUT,CIN,RST,G1,G2,G3,G7,G8,G5,G4,G6,振荡器由G1和G2组成，当RST为低电平时它们正常工作。,RC振荡电路,集成电路CD4060解决方法3,振荡器由G1和G2组成，当RST为低电平时它们正常工作。,石英晶体振荡电路,