1、（8-1）第十章第十章 数字系统的应用数字系统的应用一、半导体存储器一、半导体存储器二、可编程逻辑器件二、可编程逻辑器件三、摸量和数字量的转换量三、摸量和数字量的转换量（8-2）半导体存储器半导体存储器概述概述 只读存储器只读存储器(ROM)读写存储器读写存储器(RAM)（8-3）概述概述 存储器是用来存储二值数字信息的大存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量存储器能的重要部件。它实际上是将大量存储器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆
2、。每个房为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码间有一个号码（地址码（地址码），每个房间内），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一有一定内容（一个二进制数码，又称为一个个“字字”）。）。(2)读写存储器读写存储器(RAM)(1)只读存储器只读存储器(ROM)半导体存储器可分为两大类：半导体存储器可分为两大类：（8-4）只读存储器只读存储器(ROM)只读存储器在工作时其存储内容是只读存储器在工作时其存储内容是固定不变的，因此，只能读出，不能固定不变的，因此，只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。随时写入，所以称为只读存储器。ROM的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理
3、ROM主要由主要由地址译码器地址译码器、存储矩阵存储矩阵和和输出电路输出电路三部分三部分组成。组成。下图是一个最简单的二极管下图是一个最简单的二极管ROM电路：电路：Read Only Memory.（8-5）A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端输出输出电路电路存储存储矩阵矩阵字线字线位线位线0W1W2W3W（8-6）000011111111111000000001地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端字线字线 输入任
4、意一个输入任意一个地址码，译码器地址码，译码器就可使与之对应就可使与之对应的某条字线为高的某条字线为高电平，进而从位电平，进而从位线上读出四位输线上读出四位输出数字量。出数字量。见书见书276（8-7）+VCCW3W0W1W2D0D1D2D3 左图是左图是使用使用 MOS 管的管的ROM 矩阵：有矩阵：有 MOS 管的管的单元存储单元存储“0”，无，无 MOS 管的管的单元存储单元存储“1”。P278 简化图简化图（8-8）在前面介绍的两种存储器中，其存储在前面介绍的两种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为使用时不能变
5、动，称为固定固定 ROM。有一种可编程序的有一种可编程序的 ROM，在出厂时，在出厂时全部存储全部存储“1”，用户可根据需要将某些，用户可根据需要将某些单元改写为单元改写为“0”,然而只能改写一次，然而只能改写一次，称其为称其为 PROM。字线字线位位线线熔熔断断丝丝 若将熔丝烧断，若将熔丝烧断，该单元则变成该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后显然，一旦烧断后不能再恢复。不能再恢复。（8-9）PROM 中的内容只能写一次，有时中的内容只能写一次，有时仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多次的写多次的 ROM，简称，简称 EPROM。它所。它所存储的信息可以用紫
6、外线或存储的信息可以用紫外线或 X 射线照射射线照射檫去，然后又可以重新编制信息。檫去，然后又可以重新编制信息。存储容量是存储容量是 ROM 的主要技术指的主要技术指标之一，它一般用标之一，它一般用 存储字数：存储字数：2N .输出位数：输出位数：M 来表示来表示(其中其中N为存为存储器的地址线数储器的地址线数)。例如：。例如：128(字字).8(位位)、1024(字字)8(位位)等等。等等。.（8-10）ROM的应用举例的应用举例1.用于实现逻辑函数用于实现逻辑函数 P278SC7421mmmm7653mmmmSC0m7m0w7w（8-11）2.ROM 在波形发生器中的应用在波形发生器中的应
7、用ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34A1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963（8-12）tuo0ROMD/A计计数数器器CP计数脉冲计数脉冲送示波器送示波器34uoA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963（8-13）0w7w0D1D2D3D4D5D6D3 用用ROM构成字符发生器构成字符发生器（8-14）（8-15）（8
8、-16）（8-17）读写存储器读写存储器(RAM)读写存储器又称读写存储器又称随机存储器随机存储器。读写存储器的特点是：在工作过程中，读写存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器，简称被称为随机存储器，简称 RAM。Random Access Memory.RAM 按功能可分为按功能可分为 静态、动态两类；静态、动态两类；RAM 按所用器件又可分为双极型和按所用器件又可分为双极型和 MOS型两种。型两种。（8-18）W3W2W1W0地地址址译译码码器器读
9、写读写 及及 输入输入/输出控制输出控制I/O1I/O0CSR/WA0A1D1D1D0D0存存储储矩矩阵阵 存储器的整体结构存储器的整体结构P 283 图图10-9（8-19）RAM组件及组件及其连接其连接123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R/WRAM 2114 管脚图管脚图2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管脚图管脚图A2A711112141324A8D5D6D7RDWR（8-20）1.扩大扩
10、大 RAM(如如2114)的的位数位数 要达到这个目的方法很简单，只要把要达到这个目的方法很简单，只要把各片各片地址线对应连接地址线对应连接在一起，而在一起，而数据线并数据线并联使用联使用即可，示范接线如下图：即可，示范接线如下图：D7A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2D0.D6D5D4D1D3D2D0.CSR/WA0A92114(1)2114(2)用用(两片两片2114)1024 4 构成构成 1024 8（8-21）2.增加增加 RAM(如如2114)的的字数字数 通过用通过用10244(4片片2114)构成构成40964为例，介绍为例，介绍 解决这类问题
11、的解决这类问题的办法。办法。(1).访问访问4096个单元，个单元，必然有必然有 12 根地址线；根地址线；(2).访问访问 RAM2114，只需只需 10 根地址线，尚余根地址线，尚余 2根地址线根地址线；(3).设法用设法用剩余的剩余的 2根根地址线去控制地址线去控制4个个2114的片的片选端选端。思路：思路：（8-22）CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4译译码码器器A11A10A0A9D3D2D1D02114(1)2114(2)2114(3)2114(4)R/WY0Y3（8-23）
12、A11A10选中片序号选中片序号 对应的存储单元对应的存储单元 0 0 1 1 1 0 0 12114(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000 10231024 20472048 30713072 4095（8-24）可编程逻辑器件可编程逻辑器件二、可编程只读存储器二、可编程只读存储器(PROM)PROM)一、可编程逻辑器件的构成一、可编程逻辑器件的构成三、可编程阵列逻辑三、可编程阵列逻辑PLAPLA四、通用阵列逻辑四、通用阵列逻辑GALGAL（8-25）一、一、可编程逻辑器件的构成可编程逻辑器件的构成每个器件的逻辑规模小，功耗相对比每个器件的逻辑规模小，功耗相对比 较大，用其
13、构成的系统布线复杂，占较大，用其构成的系统布线复杂，占 用用PCB(Printed Circuit Board)板面积大板面积大。按逻辑功能数字芯片电路可分为按逻辑功能数字芯片电路可分为:1.通用型通用型:TTL74系列、系列、CMOS4000系列等系列等（8-26）2.专用型：专用型：为专门限定的产品或应用设计为专门限定的产品或应用设计 的产品的产品ASIC-Application Specific integrated Circuit专用型比通用型用量少，因而设计成本与专用型比通用型用量少，因而设计成本与制造成本都高，制造成本都高，（8-27）ASIC全定制全定制半定制半定制PLD用户不可
14、改用户不可改硬件的软化设计硬件的软化设计3.CPLD-complex4.FPGA-Field Gate2.GAL-Generic1.PAL-Array logic（8-28）硬件的软化设计硬件的软化设计一个器件的逻辑功能可以通过编程来一个器件的逻辑功能可以通过编程来配置配置.（8-29）可编程器件的结构可编程器件的结构：输入电路输入电路“与与”阵阵列列“或或”阵阵列列输出电路输出电路（8-30）PLD中逻辑器件的符号中逻辑器件的符号:1.互补缓冲器互补缓冲器AAA2.固定连接固定连接3.编程连接编程连接4.被擦除被擦除（8-31）5.与逻辑与逻辑&Z=ACEABC D EZ=A+C+EA BC
15、 D E6.或逻辑或逻辑（8-32）二、可编程只读存储器二、可编程只读存储器（PROM）与阵列与阵列P287OD1D2D&OWOW7W OAOA2A1A或阵列或阵列（8-33）例：试用例：试用PROM实现逻辑函数实现逻辑函数CAYoCABY 1DBCBCDADCBAY27632mmmm1312mm 141076mmmmAABCDD2m3m13m12m10m7m6m14moY1Y2Y（8-34）ROM:与阵列是固定的，是不可编程的，叫做完全译码与阵列是固定的，是不可编程的，叫做完全译码器，如果有器，如果有n n位地址输入，与阵列就必须存储位地址输入，与阵列就必须存储2 2n n个最小项。或个最小
16、项。或阵列根据需要是可编程的。阵列根据需要是可编程的。ROM的缺点：的缺点：不使用的最小项占用存储容量。不使用的最小项占用存储容量。PLA特点特点:与阵列、或阵列都是可编程的，与阵列、或阵列都是可编程的，不使用的最不使用的最小项不占用存储容量小项不占用存储容量。一、一、PLA的结构与工作原理的结构与工作原理地址码地址码与阵列与阵列字线字线或阵列或阵列位线位线与阵列存放的不是最小项，而是与项。与阵列存放的不是最小项，而是与项。与项相加，可编程与项相加，可编程逻辑函数不用最小项之和表达式，而逻辑函数不用最小项之和表达式，而是用最简与或表达式。是用最简与或表达式。三、可编程逻辑阵列（三、可编程逻辑阵
17、列（PLA)（8-35）例：用例：用PLAPLA实现实现4 4位二进制到格雷码的转换。位二进制到格雷码的转换。ABCDWXYZ00000000000100010010001100110010010001100101011101100101011101001000110010011101101011111011111011001010110110111110100111111000解：解：1 1、列状态转换真值表、列状态转换真值表2 2、写出逻辑函数最简与或式。、写出逻辑函数最简与或式。写出与或表达式有几种方法？写出与或表达式有几种方法？卡诺图法。卡诺图法。直接观擦法。直接观擦法。W=AX=A
18、BY=B CZ=CDZ=CDBABA CBCBDCDC地址译码器输地址译码器输出字线是出字线是7 7个个与项而不是最与项而不是最小项。小项。令字线：令字线：AP 0BAP 1BAP 2CBP 3CBP 4DCP 5DCP 6W=P0X=P1+P2Y=P3+P4Z=P5+P6格雷码格雷码输出：输出：（8-36）4 4个地址变量，八条线，个地址变量，八条线，原、反变量都需要。原、反变量都需要。AABBCCDD有几个与项画几条字线。有几个与项画几条字线。AP 0BAP 1BAP 2CBP 3CBP 4DCP 5DCP 60P1P2P3P4P5P6P3 3、画、画PLAPLA阵列图阵列图W=P0X=P
19、1+P2Y=P3+P4Z=P5+P6WXYZ与阵列存储容量为：与阵列存储容量为：8X7=56或阵列存储容量为或阵列存储容量为：4X7=28总存储容量为：总存储容量为：84同样一个码制变换电同样一个码制变换电路，路，ROMROM占用占用192192个存个存储单元，而储单元，而PLAPLA只占只占用用8484个存储单元。个存储单元。用同样的硅片面积用同样的硅片面积PLAPLA可以实现更多逻辑功能。可以实现更多逻辑功能。或阵列是与项相加或阵列是与项相加（8-37）同理：同理：P291例题例题图是图是p290 图图 10-20（8-38）数数/模与模模与模/数变换器数变换器一、一、概述概述二、二、D/
20、A 变换器变换器三、三、A/D 变换器变换器（8-39）数数/模与模模与模/数变换器是计算机与外部数变换器是计算机与外部设备的重要接口设备的重要接口,也是数字测量和数字控也是数字测量和数字控制系统的重要部件。制系统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称能将数字量转换为模拟量的装置称为数为数/模变换器模变换器(简称简称D/A变换器变换器);能将能将模拟量转换为数字量的装置称为模模拟量转换为数字量的装置称为模/数数变换器变换器(简称简称A/D变换器变换器)。下面，对这两个器件的工作原理及下面，对这两个器件的工作原理及 其简单应用做一些介绍是十分必要的。其简单应用做一些介绍是十分必要的。一、概述
21、一、概述（8-40）二、二、D/A 变换器变换器 由于构成数字代码的每一位都有由于构成数字代码的每一位都有一定的一定的“权权”，因此为了将数字量转，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按换成模拟量，就必须将每一位代码按其其“权权”转换成相应的模拟量，然后转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是与该数字量成正比的模拟量，这就是构成构成D/A变换器的基本思想。变换器的基本思想。D/A变换器的电路形式很多，这里变换器的电路形式很多，这里只介绍两种。只介绍两种。（8-41）1 权电阻权电阻D/A变换器变换器+-
22、AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k 这种变换器由这种变换器由“电子模拟开电子模拟开关关”、“权电阻求和网络权电阻求和网络”、“运运算放大器算放大器”和和“基准电源基准电源”等部分等部分组成。组成。（8-42）+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k 电子模拟开关电子模拟开关(S0 S3 )是受二进制数是受二进制数D0 D3 控制控制并由电子器件构成的开关。当并由电子器件构成的开关。当 DK 1 时，则开关时，则开关S SK K 接到位置接到位置1
23、 1上，将基准电源上，将基准电源U UR R经电阻经电阻R Rk k引起的电引起的电流接到运算放大器的虚地点；当流接到运算放大器的虚地点；当D Dk k0 0 时，开关时，开关S Sk k 接到位置接到位置0 0，将相应电流直接接地而不进运放。，将相应电流直接接地而不进运放。（8-43）T1T2SDa模拟电子开关的模拟电子开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D=1 时，时，T2 管饱管饱和导通，和导通，T1 管截止，则管截止，则 S 与与 a 点通点通；当当 D=0 时，时，T1 管饱管饱和导通，和导通，T2 管截止，则管截止，则 S 被接地被接地。前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到“
24、1”端端，后者，后者则则 相当于开关相当于开关S 接到接到“0”端端。（8-44）+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 kUo =-URRFR（）D3D0D1D223202122根据反相比例运算公式可得：根据反相比例运算公式可得：显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换。（8-45）2 T形解码网络形解码网络D/A变换器变换器(以以4位为例位为例)+-AuoS2S3S1S02R2R2R2
25、RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0IABCD 由于解码网络的电路结构和参数匹配，使由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半，四点的电位逐位减半，下面分析输入数字量和输出模拟电压下面分析输入数字量和输出模拟电压 uo 之间之间的关系的关系:（8-46）3、D/A转换器的输出方式转换器的输出方式单极性输出方式：单极性输出方式：0 或者或者 ux 7E/87E/8 ux 6E/86E/8 ux 5E/85E/8 ux 4E/84E/8 ux 3E/83E/8 ux 2E/82E/8 ux 1E/81E/8 ux
26、0A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态关系表逻辑状态关系表（8-56）2 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重比喻来说明。若有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为8、4、2、1克。设待克。设待秤重量秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来克，可以用下
27、表步骤来秤量：秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论（8-57）10001000A /Dux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uouc控控制制逻逻辑辑数码寄存器数码寄存器移位寄存器移位寄存器时钟时钟清清 0、置数、置数清清 0、置数、置数CP、(移位命令移位命令)“1”状态是否保留状态是否保留控制端
28、控制端（8-58）3 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标 一、一、分辨率分辨率：以输出二进制代码的：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。越小，转换精度越高。二、二、转换速度转换速度：完成一次：完成一次A/D转换转换所需要的时间，即从它接到转换命令所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。所需要的时间。三、三、相对精度相对精度：实际转换值和理：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。想特性之间的最大偏差。四、其它：四、其它：功率功率。电源电压电源电压
29、、电电压范围压范围等。等。（8-59）4 集成电路集成电路A/D转换器转换器 ADC0804 及其应用及其应用 ADC0804 是分辨率为八位是分辨率为八位的模数转换组件的模数转换组件,采用逐次逼近采用逐次逼近型工作原理。型工作原理。A/D变换组件也有多种型号变换组件也有多种型号可供选择，如：高速的，高分可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选使用者可根据任务要求进行选择。下面以择。下面以 ADC0804 为例为例，介，介绍集成电路绍集成电路A/D变换器。变换器。（8-60）+-+-11控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电
30、阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND.D7D0WRCSINTRRDCSDAC0804 内部电路框图内部电路框图（8-61）CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRU in(+)U in(-)DAC 0804 管脚分布图管脚分布图（8-62）转换时间约转换时间约 100 微秒微秒CSWRINTRRD数据数据读出读出ADC0804 工作时序图工作时序图（8-63）控控 制制 端端CS WR RDINTR 对输入模对输入模拟信号进行拟信号进行A/D变换变换 在在WR 上升沿后约上升沿后约 100微秒微秒 变换完成。变换完成。RD=0 时三态门时三态门接通外部总线接通外部总线,RD=1 时三态门处于高时三态门处于高阻态。阻态。当当A/D变换结束时，变换结束时，INTR 自动自动 变低以便变低以便通知其它设备通知其它设备(如计算如计算机机)取结果，在取结果，在RD 前前沿后沿后INTR自动变高。自动变高。读出输出读出输出数字信号数字信号中断请求中断请求功功能能说说明明00
