引言#

欢迎来到第11章的学习。在之前的章节中，我们探讨了计数器等时序逻辑电路。本章我们将进入一个同样至关重要的领域：存储器和逻辑阵列。我们将学习计算机是如何存储海量数据，以及如何利用类似存储器的结构来实现复杂的逻辑功能。

1. 什么是存储阵列 (Memory Arrays)?#

存储阵列是一种能够高效存储大量数据的电子设备。它的核心工作原理是：通过一个唯一的地址（Address）来读出（read）或写入（write）一个数据值（Data）。

• 基本概念：
  • 地址 (Address)：可以想象成每个存储单元的“门牌号”。如果一个存储器有 N 个地址位，那么它总共可以区分 2^N 个不同的存储位置。
  • 数据 (Data)：存储在每个地址位置上的信息。如果数据宽度为 M 位，那么每个地址位置可以存储一个 M 位的数据值。
• 三种常见的存储器类型：
  1. 动态随机存取存储器 (DRAM)：常用于计算机的主内存（内存条）。
  2. 静态随机存取存储器 (SRAM)：常用于高速缓存（CPU Cache）。
  3. 只读存储器 (ROM)：用于存储固件，如计算机的BIOS。

2. 存储阵列的结构#

我们可以将存储阵列想象成一个二维的表格，由许多微小的位单元 (bit cells) 组成，每个位单元只能存储1位（0或1）。

• 关键参数定义：

  • 深度 (Depth)：存储器中有多少行，它等于地址位所能表示的数量，即 2^N。每一行存储一个“字（word）”。
  • 宽度 (Width)：存储器中有多少列，它等于每个数据值的位数，即 M。
  • 阵列大小 (Array Size)：总的存储容量。计算公式为：深度 × 宽度 = 2^N × M。

• 示例：2² × 3位 存储阵列

  • 这个描述意味着：
    • 地址位 N = 2。因此，深度为 2² = 4，有4个独立的存储位置（地址为 00, 01, 10, 11）。
    • 数据位 M = 3。因此，宽度为3，每个存储位置可以存放一个3位的数据。
  • 总容量：4个字，每个字3位。
  • 举例说明：如下图所示，当地址为 “10” 时，对应的数据是 “100”。

3. 存储阵列的内部工作原理：位单元、字线和位线#

• 位单元 (Bit Cell)：存储阵列中最基本的单元，用于存储1个二进制位。
• 字线 (Wordline)：
  • 可以理解为“行选择”线，其作用类似于一个**使能（enable）**信号。
  • 每一条字线连接着存储阵列中的一整行位单元。
  • 地址输入通过一个译码器（Decoder），确保在任何时刻只有一条字线被激活（变为高电平 HIGH）。
  • 被激活的字线所对应的那一行，就是当前要进行读/写操作的行。
• 位线 (Bitline)：
  • 可以理解为“列数据”线。
  • 每一条位线连接着存储阵列中的一整列位单元。
  • 写入数据时：通过位线将数据（0或1）送入被字线选中的那一行位单元中。
  • 读取数据时：被字线选中的那一行位单元，会将其存储的值（0或1）输出到位线上。

上图展示了一个 4x3 的存储阵列。一个2位地址（例如 10）输入到2:4译码器，译码器会激活 wordline₂。此时，只有第二行的位单元（从上往下数，以0开始）被选中，它们存储的数据（100）就会分别出现在 Data₂, Data₁, Data₀ 上。

1. RAM vs. ROM#

• 随机存取存储器 (RAM - Random Access Memory):

  • 易失性 (Volatile)：一旦断电，存储在里面的数据就会全部丢失。
  • 特点：读写速度都很快。
  • 命名来源：可以随机（即以任意顺序）访问任何一个数据单元，且访问时间基本相同，这与早期磁带等顺序访问设备形成对比。
  • 应用：计算机的主内存（DRAM）。

• 只读存储器 (ROM - Read Only Memory):

  • 非易失性 (Nonvolatile)：断电后数据不会丢失。
  • 特点：读取速度快，但写入操作非常慢，甚至完全不能写入。
  • 命名来源：历史上，ROM的数据在制造时就被写入，或者通过烧断熔丝的方式一次性写入，之后就无法修改。
  • 现代发展：如今，像闪存 (Flash memory) 这样的ROM是可以被多次擦写，但其写入机制仍比RAM复杂且慢。U盘、固态硬盘（SSD）和手机存储都属于ROM。

2. RAM的两种主要类型：DRAM 与 SRAM#

RAM根据其位单元的构造不同，分为动态（DRAM）和静态（SRAM）两种。

• DRAM (动态随机存取存储器)

  • 发明人：Robert Dennard（1966年于IBM）。他的发明使得高密度、低成本的计算机主内存成为可能，极大地推动了计算机革命。
  • 存储原理：每个位单元使用一个电容 (Capacitor) 来存储数据。电容里有电荷代表 “1”，没有电荷代表 “0”。
  • 为何称为“动态” (Dynamic)：
    1. 电荷泄漏：电容中的电荷会随着时间慢慢泄漏掉，所以必须周期性地刷新（Refreshed），即重新充电，以保持数据不丢失。
    2. 破坏性读取：读取数据时，电容会放电，导致存储的值被破坏。因此，每次读取后，控制器都必须立即将数据重新写入（rewritten）。
  • 优缺点：结构简单（一个晶体管一个电容），集成度高，成本低，适合做大容量内存。但速度相对较慢，且需要刷新电路。

• SRAM (静态随机存取存储器)

  • 存储原理：每个位单元使用一对交叉耦合的反相器 (cross-coupled inverters) 构成一个锁存器来存储数据。
  • 为何称为“静态” (Static)：只要保持通电，这对反相器就会稳定地维持在 “0” 或 “1” 的状态，不需要周期性刷新。
  • 优缺点：速度极快，不需要刷新。但每个位单元需要多个晶体管（通常是6个），结构复杂，成本高，功耗也更大，不适合做大容量内存。
  • 应用：常用作CPU内部的高速缓存（L1, L2, L3 Cache），以弥补CPU与主内存（DRAM）之间的速度差距。

3. ROM的内部实现#

• ROM的点表示法 (Dot Notation)：

  • 在ROM的阵列图中，我们可以用一个“点”来简化表示连接。
  • 当字线被激活时，如果交叉点有“点”，则位线被拉高（或拉低），输出为 “1”（或 “0”）。如果没有“点”，则位线保持默认状态。
  • 下图中的点阵实际上定义了存储在ROM中的数据。

• 闪存 (Flash Memory) 的发明：

  • 发明人：舛冈富士雄 (Fujio Masuoka) 于上世纪70年代末在东芝公司发明了闪存。
  • 命名来源：其数据擦除过程（一次性擦除一个块）让他想起了相机的闪光灯（flash），因此得名。
  • 意义：闪存是一种非易失性、可多次擦写的ROM，它的出现彻底改变了便携式电子产品的存储方式。如今，闪存已发展成为一个年产值数百亿美元的巨大市场。

1. PLA (可编程逻辑阵列)#

• 结构：由一个可编程的 AND 阵列 和一个可编程的 OR 陣列 组成。

• 原理：专门用于实现“积之和 (Sum-of-Products)”形式的组合逻辑。

  • AND 阵列：用于生成所有需要的“积”项（product terms / implicants）。
  • OR 陣列：用于将不同的积项“或”起来，形成最终的输出。

• 特点：只能实现组合逻辑，内部连接是固定的。

• 示例：

  • X = (NOT A)BC + ABC
  • Y = AB
  • 在下图中，AND阵列生成了 (NOT A)BC、ABC 和 AB 三个积项。OR阵列则将前两项相加以得到X，并将第三项直接输出为Y。

2. FPGA (现场可编程门阵列)#

FPGA 是一种更高级、更灵活的可编程逻辑器件。它像一个由海量基础逻辑模块组成的“芯片画布”，用户可以通过编程来定义这些模块的功能以及它们之间的连接方式。

• 核心组成部分：

  1. 逻辑单元 (LE - Logic Elements) 或 可配置逻辑块 (CLB)：这是FPGA的核心，用于执行基本的逻辑运算。
  2. 输入/输出单元 (IOE - Input/Output Elements)：位于芯片边缘，负责与外部电路进行通信。
  3. 可编程互连资源 (Programmable Interconnection)：像一张巨大的“电话交换网”，由导线和可编程开关组成，用于连接不同的LE和IOE。
  4. 专用硬件模块：现代FPGA通常还集成了许多专用硬核，如 RAM模块、DSP模块（用于数字信号处理）和乘法器等，以提高特定任务的执行效率。

• 逻辑单元 (LE) 的内部结构：

  • 一个典型的LE主要由以下部分组成：
    • 查找表 (LUT)：一个小的RAM，用于实现组合逻辑。例如，一个4输入LUT可以实现任意4输入的组合逻辑功能。
    • 触发器 (Flip-flop)：用于实现时序逻辑，使电路能够存储状态。
    • 多路选择器 (Multiplexer)：用于在LE内部选择信号路径，例如选择输出是直接来自LUT（组合逻辑输出），还是来自触发器（时序逻辑输出）。

上图为Altera Cyclone IV系列FPGA中一个逻辑单元的详细结构图，清晰地展示了LUT、触发器（Register）以及相关的选择和控制逻辑。

3. FPGA 设计流程#

使用FPGA进行设计，通常遵循以下步骤，并借助专用的CAD（计算机辅助设计）工具（如 Intel Quartus 或 AMD Vivado）：

1. 设计输入 (Enter the design)：使用硬件描述语言 (HDL)（如 Verilog 或 VHDL）或原理图来描述你的电路功能。
2. 仿真 (Simulate)：在计算机上对设计进行仿真，以验证其逻辑功能是否正确。
3. 综合 (Synthesize)：CAD工具将你的HDL代码“翻译”成由LUT、触发器等底层元件组成的逻辑网表，并将其映射到目标FPGA芯片的具体资源上。
4. 下载 (Download)：将生成的配置文件（位流文件）下载到FPGA芯片中。这个过程是在配置FPGA内部的LUT内容和互连开关。
5. 测试 (Test)：在实际硬件上运行并测试设计，验证其是否符合预期。