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寄存器与存储器及应用,8.1寄存器8.2存储器8.3寄存器与存储器例表本章小结,主要内容,寄存器的功能、分类、结构、工作原理；存储器的功能、分类、结构、工作原理；寄存器、存储器的应用。,主要技能,寄存器与存储器的正确使用技能和功能测试技能；熟练应用寄存器和存储器构成具特定功能的逻辑电路；能完成电路的安装与功能调试。,基本概念,寄存器；移位寄存器；序列信号；随机存取存储器；只读存储器。,存储器,存储预置数,设计项目,广告灯控制电路,寄存器：用于暂时存储二进制数据或代码的电路。存储器：用于长期存储大量二进数据或代码的电路。集成很高。,寄存器与存储器的区别：,8.1.1寄存器的结构、原理,一、基本寄存器仅有并入、并出存取数据功能的寄存器。1.组成：N个D触发器构成。,寄存器：用于暂时存储二进制数据与代码的电路。分类：基本寄存器、移位寄存器。组成：触发器和门电路。一个触发器能存放一位二进制数码；N个触发器可以存放N位二进制数码。,8.1寄存器及应用,控制时钟脉冲端输入,输出端,数码输入端,2.工作原理,二、具有锁存功能的寄存器1.锁存器的结构及工作原理,CP-即为送数脉冲输入端，又为锁存控制信号输入端，即使能信号，低电平有效。,当CP=1时，D数据输入不影响电路的状态，电路锁定原数据。即当使能信号结束后（锁存），数据被锁住，输出状态保持不变。,当CP=0时，Q=D，电路接收输入数据；即当使能信号到来（不锁存数据）时，输出端的信号随输入信号变化；,由D锁存器组成。,锁存器具有接收、存放、输出和清除数码的功能，在接收指令（在计算机中称为写指令）控制下，将数据送入寄存器存放；需要时可在输出指令（读出指令）控制下，将数据由寄存器输出。,2.集成数码锁存器74LS373,74LS373是8位数据锁存器。,74LS373功能表,0C为三态控制端（低电平有效）：当0C=1时，输出为高阻态；当0C=0时，8个数据传送到输出端,C为锁存控制输入端（高电平有效）：当C=0时，保持输入端数据不变，当C=1时，接收输入端数据。,三、移位寄存器,移位寄存器：存储数据，所存数据可在移位脉冲作用下逐位左移或右移。即实现串入串出。在数字电路系统中，由于运算（如:二进制的乘除法）的需要，常常要求实现移位功能。分类：单向移位、双向移位。,1单向移位寄存器（1）右移位寄存器,串行数据输入,同步移位时钟输入端,清零端,工作过程：,假设要传送数据1011。,1,1,0,1,串入串出：前触发器输出端Q与后数据输入端D相连接。当时钟到时，加至串行输入端DSR的数据送Q0，同时Q0的数据右移至Q1，Q1的数据右移至Q2，以此类推。将数码1101右移串行输入给寄存器共需要4个移位脉冲,Q3可串行输出从输入端DSR存入的数据，4个移位脉冲后收到第一个数据，要全部输出共需8个移位脉冲。,时序图：,2.具有并入并出、串入串出功能的移位寄存器：,1,并入并出：当IE=1时，在时钟脉冲CP的作用下并行数据输入端D0D3的数会存入寄存器Q0Q3。,串入串出：原理与前述相同，略。,3.集成双向移位寄存器74LS194,74LS194是四位双向移位寄存器。,引脚及功能简介：,74LS194功能表,工作方式控制端S1S0区分四种功能：S1S0=00、保持；S1S0=10、左移存储；S1S0=01、右移存储；S1S0=11并入并出,8.1.2移位寄存器的应用,一、移位寄存器构成序列脉冲发生器,序列信号：是在同步脉冲的作用下按一定周期循环产生的一串二进制信号。如：0111-0111，每4位重复一次，称为4位序列信号。,序列脉冲信号广泛用于数字设备测试、通信和遥控中的识别信号或基准信号等。,移位寄存器组成的8位序列信号发生器，序列信号为：00001111,电路产生的序列信号为：00001111,工作原理分析：,S1S0=01，为右移方式，Q3作为输出端。,首先令CR0，输出端全为零，Q3非后送DSR，则DSR为1；然后；连续送入移位脉冲，各输出状态的如表所示规模变化。,状态表,产生序列信号的关键：是从移位寄存器的输出端引出一个反馈信号送至串行输入端，反馈电路由组合逻辑门电路构成。n位移位寄存器构成的序列信号发生器产生的序列信号的最大长度P=2n。,思考:下列两个序列信号的形式.,(1),(2),00000001001101111000110011101111,电路清零以后，在连续脉冲的作用下，数据右移，Q3Q2Q1Q0的数据依次为：,有8种不同的状态输出。如果译码器将这8种状态译成07共8个数字，则，上述电路就构成8进制计数器。注：此处译码器不是LED管显示译码器。,计数前，如果不清零，由于随机性，随着计数脉冲的到来，Q3Q2Q1Q0的状态可能进入如下的无效循环：01001001001001011011011011011010,二、移位寄存构成计数器,工作原理分析：,无效循环：译码器无法对八种状态译码，我们把这种循环称为无效循环。因此，不允许寄存器工作在这种循环状态。,改进电路：,当n=4时，反馈逻辑表达式为。,当n=8时，反馈逻辑表达式为。,计数器的最大长度：N=2n-1,三、数据显示锁存器,在计数显示电路中，如果计数器的计数值变化的速度很快，人眼则无法辨认显示的字符。如：信号源频率显示器。,在计数器和译码器之间加入锁存器，就可控制数据显示的时间。,若锁存信号C0时，数据被锁存，译码显示电路稳定显示锁存的数据。,若锁存信号C1时，显示值随数据变化而变化，时实显示。,工作原理分析：,四、移位寄存器构成分频器,在数字系统中，常常需要获得不同频率的时钟或基准信号，其方法一般是对系统主时钟信号进行分频。在计数器一章中，我们已讨论了利用计数器实现n分频。既然寄存器可以构成计数器，利用移位寄存器也可以实现分频，分频器有固定分频和可编程分频。,1.固定比分频器,从序列信号发生器的Q3的输出波形，不难发现，Q3波形的频率恰为时钟波形频率的1/8。显然采用不同的反馈逻辑，可以构成不同的固定比分频器。,2.可编程分频器,可编程分频器：指分频器的分频比可以受程序控制。,电路的结构特点：,两片74LS194的S1=1，。若S1S0=10，则74LS194工作在左移位状态，S1S0=11，则74LS194工作在并行置数状态。,74LS138的8个输出端接两片74LS194的并行输入数据端。由于74LS138的输出状态，由输入端ABC决定，故移位的数据是可变化的。,以下是可编程分频器的工作过程演示：,工作原理分析：,011,4,3,2,CP1,清零,S1S0=11；并行置数。,S1S0=10；左移传送。,S1S0=11；并行置数。,小结:74LS138译码器地址输入端A2A1A0（CBA）的取值，决定了分频比，将CBA代表的二进制数转换成十进制数再加1，即为分频系数。,思考：若ABC=000,001、-111分别是多少分频器？,分频器的输出波形：,作业题,6.4、6.5、6.6,8.2存储器,8.2.1存储器的概述,半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等。,存储器：用于长期存储大量数据、资料及运算程序等二进信息的单元。,发展：,寄存器与存储器的区别：寄存器：用于暂时存储二进制数据或代码的电路。存储器：用于长期存储大量二进数据或代码的电路。集成很高。,按照内部信息的存取方式可分为：,存储器的分类：,随机存取存储器RAM按硬件结构可分为：,只读存储器ROM按数据输入方式可分为：,存储单元：存储一位二进制数的最小电路；字：构成二进制信息的最小集合（1、2、4、8、16）；存储容量：存储二进制数的总量，单位：K（210=1024）。,基本概念：,一、组成：,8.2.2随机存取存储器RAM,RAM：可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作。,分类：根据内容结构不同可分为：SRAM（静态随机存取）、DRAM（动态随机存取）。,优点：读写方便，使用灵活。缺点：掉电丢失信息。,当给定行和列的地址时，行和列的地址译码器分别选中相应的行线和列线，这两种输出线（行与列）的交点处的存储单元便被选中（注：选中的存储器可能是一位也可能是多位）。,工作过程：,第一步：选中存储信息,如果此时读写控制电路有相应的有效信号，则实现对选中存储单元的信息进行读写操作。,二、各组成的结构与工作原理,1.存储矩阵,用于存储信息的主体电路。它由若干存储单元以矩阵的形式构成。有若干行和若干列。,如：存储容量为256X4=1K的存储器，它由1024个存储单元以32行和32列矩阵的形式构成的。它的一个字由4位二进制数组成。,第二步：进行读写操作,当给定行和列的地址时，行和列的地址译码器分别选中相应的行线和列线，这两种输出线（行与列）的交点处的存储单元便被选中（注：选中的存储器可能是一位也可能是多位）。,存储器信息（字）位置的确定：,32行32列矩阵,存储器容量：（字数）（位数）=2564,字数：32X8=256,存储器有32条行线、8条列线；,存储器的容量计算：,2RAM的存储单元,按结构不同可分为:静态存储单元SRAM、动态存储单元DRAM,利用CMOS构成的基本RS触发器来存储信息。保存的信息不易丢失，可长期保存。典型的SRAM的存储单元需要六个晶体管（三极管）构成。用于小容量、高速存储器。,利用MOS管的栅极电容C存储电荷来储存信息，电容是会漏电的，所以必须通过不停的给电容充电来维持信息，这个充电的过程叫再生或刷新（REFRESH）。由于电容的充放电是需要,静态存储单元(SRAM),动态存储单元（DRAM）,相对较长的时间的，DRAM的速度要慢于SRAM。DRAM的一个存储单元只需要一个晶体管和一个电容。因此，DRAM的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。,3地址译码电路,地址号：存放在同一个字中的存储单元编为一组所赋予的号码。每个字赋予一个地址号，地址号的位数n应满足：2n=256（字数）。地址号由行地址码与列地址码两部分组成。,行地址加列地址共8位二进数A0A7，可对256个字单元进行编码，这样每个字就有一个地址号了。,此存储矩阵有行32个，可用5位二进数进行编码，行地址码A0A4从0000011111。,此存储器有列8个，可用3位进制数进行编码，列地址码A5A7从000111。,思考：地址号为：11100010的数据位置。多少行？多少列？,地址号：00111111,地址译码电路：用于将地址号转换为寻找所需存储数据的信息电路。即；通过所给的地址号可查找到所要信息。,4读/写与片选控制电路,片选与读写控制电路：,C.=1，G3导通，G1、G2高阻态截止。若地址A7A0为00011111，于是位于31，0的存储单元所存储的信息送出到I/O端，存储器执行读操作;,A.=1时，G1，G2，G3均为高阻态，芯片未选中;,B.=0时，芯片被选中;,D.=0，G1、G2导通，G3高阻态截止，I/O端的数据以互补的形式出现在数据线D、上，并被存入31，0存储单元，存储器执行写操作。,三、集成随机存取存储器RAM电路6116,存储容量：16K=2K（2048）8位。地址线：11条A0A10；数据线：8条I/O0I/O7；,工作方式：片选信号=0有效；控端=0、=1，实现写操作；控端=1，=0，实现读操作。,6116是一种典型的动态RAM。,四、集成随机存取存储器的扩展,1位扩展,例：试用10241RAM扩展成10248RAM,RAM的扩展分为：位扩展和字扩展。,位扩展：前后的字数不变，因为RAM的地址线N决定字数（即字=2n），所以地址线不变。位数扩展只需将N个相同的RAM的地址线、读写线、片选线其用，输出线并行则可实现位扩展。,确定所需10241RAM的片数为:N=总存储容量片存储容量=8(片),解：,2字扩展,字扩展则改变地址线N的数量，符合：字=2n关系。,例：试用2564RAM扩展成10244存储器,确定所需的2564RAM的片数为：N=总存储容量1片存储容量=4片,确定地址线的根数：字数从256（28）扩展为1024（210），由此地址线应从8根扩展为10根。寻址范围：00000000001111111111（000H3FFH)地址线扩展的方法：利用一个2线4线译码器接到各片的片选线。,解：,字扩展原理：,字扩展需要增加2位地址号，地址线满足：210=1024,片1寻址范围:0000000000B0011111111B(000H0FFH)片2寻址范围:0100000000B0111111111B(100H1FFH)片3寻址范围:1000000000B1011111111B(200H2FFH)片4寻址范围:1100000000B1111111111B(300H3FFH),读写线并联,片选线作为地址线扩展,各片存储器的地址范围：,3字位同时扩展,例：试把642RAM扩展为2564存储器,解：,字扩展所需片数:644RAM2564RAM，需4片644RAM组成2564RAM；字数由64扩展为256，地址线由原来的6条A5A0扩展为8条A7A0。,位扩展所需片数:642RAM644RAM，需两片642RAM组成644RAM；,确定芯片的总片数N：2564RAM需642RAM的芯片数为:,地址范围：00H3FH,地址范围：40H73FH,地址范围：80HBFH,地址范围：CFHFFH,8.2.3只读存储器ROM,一、组成地址译码器；存储矩阵；输出电路。,ROM：只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。,分类：掩膜存储器、可编程存储器（PROM）、可改写存储器（EPRPM、EOROM、FlashMemory)。,二、只读ROM结构和工作原理,1.掩膜ROM掩膜ROM又称为固定式ROM。在制造时，生产厂家利用掩膜技术的信息写入存储器中。存储信息是一次性的。,二极管式掩膜ROM结构：存储矩阵：由二极管组成的存储单元组成。地址译码器：选中存储单元中相应信息。输出缓冲器：提高负载能力、输出相应信息（注是三态控制）。,各单元存储信息,地址译码器输出,1010,0101,工作原理分析：,可实现存储信息的编写。在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是1。,2可编程只读存储器（PROM）,用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。熔丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。,3可擦可编程ROM（EPROM）,EPROM的另外一种广泛使用的存储器。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。常用的EPROM2716、2732、27512，即标号为27的芯片都是EPROM。实训中使用的2764就属于这一类型。,E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存储器，又可写为EEPROM。主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。28系列的芯片都是E2PROM。,4可擦可编程ROM（E2PROM）,