只读存储器 (ROM) 在设计上类似于静态或动态 RAM 电路，不同之处在于“锁存”机制是为一次性（或有限）操作而设计的。最简单的 ROM 类型是使用微小的“熔断器”，可以选择性地熔断或单独放置以表示两种二进制状态。显然，一旦其中一个小保险丝熔断，就不能再完整了，所以这种ROM电路的写入只是一次。 因为它可以被写入（编程）一次，所以这些电路有时被称为 PROM（可编程只读存储器）。然而，并非所有的书写方法都像熔断的保险丝一样永久。如果可以制造出一个晶体管锁存器，只需付出很大的努力就可以重置，那么就可以构建一个介于 RAM 和 ROM 之间的存储设备。这种设备被赋予了一个相当矛盾的名称：EPR

也许最巧妙的技术是延迟线 .延迟线是延迟脉冲或波信号传播的任何类型的设备。如果您曾在峡谷或洞穴中听到来回回声，您就会体验到音频延迟线：噪声波以声速传播，从墙壁上反弹并改变传播方向。 如果信号没有定期加强，延迟线会在非常临时的基础上“存储”数据，但它完全存储数据这一事实本身就是一种可用于存储技术的现象。 早期的计算机延迟线使用充满液态汞的长管，它被用作声波沿管长度传播的物理介质。在每一端安装一个电/声换能器，一个通过电脉冲产生声波，另一个从声波产生电脉冲。 串行二进制数据流作为电压信号发送到发射传感器。声波序列将从左到右穿过管中的水银，并被另一端的换能器接收。接收换能器将按照与发送脉冲相同

现在我们可以继续研究特定类型的数字存储设备。首先，我想探索一些不需要任何移动部件的技术。正如人们可能怀疑的那样，这些不一定是最新的技术，尽管它们很可能在未来取代移动部件技术。 一种非常简单的电子存储器是双稳态多谐振荡器。能够存储一位数据，它是易失性的（需要电源来维持其内存）并且速度非常快。 D-latch 可能是用于内存使用的双稳态多谐振荡器的最简单实现，D 输入用作数据“写”输入，Q 输出用作“读”输出，使能输入用作读/写控制线： 如果我们需要多于一位的存储（我们可能会这样做），我们将不得不在某种阵列中排列许多锁存器，我们可以在其中选择性地寻址我们正在读取的哪个（或哪个集合）或写给。

当我们将信息存储在某种电路或设备中时，我们不仅需要某种方式来存储和检索它，还需要精确定位何处 在它所在的设备中。 大多数（如果不是全部）存储设备都可以被认为是一系列邮箱、文件柜中的文件夹或其他一些隐喻，信息可以位于不同的地方。 当我们提到存储在存储设备中的实际信息时，我们通常将其称为数据 .此数据在存储设备中的位置通常称为地址 ，让人想起邮政服务。 对于某些类型的存储设备，可以通过数字电路中的并行数据线调用存储某些数据的地址（我们将在本课后面更详细地讨论这一点）。 对于其他类型的设备，数据是根据某种类型媒体（轨道 和部门 例如，圆形计算机磁盘）。 但是，一些存储设备（例如磁带）具有一

尽管许多教科书都很好地介绍了数字存储技术，但我打算使这一章独一无二，在某种程度上详细介绍过去和现在的技术。虽然这些存储器设计中的许多已经过时，但它们的基本原理仍然非常有趣和具有教育意义，甚至可能会在未来的存储器技术中重新应用。 数字存储器的基本目标是提供一种存储和访问二进制数据的方法：1 和 0 的序列。信息的数字存储相对于模拟技术的优势与信息数字通信相对于模拟通信的优势非常相似。 这并不是说数字数据存储绝对优于模拟，但它确实解决了与模拟技术相关的一些更常见的问题，因此在消费和工业应用中广受欢迎。数字数据存储也很好地补充了数字计算技术，从而在计算机世界中找到了自然的应用。 数字数据存储最

工业控制网络的一个主要考虑因素是保证从一个节点到另一个节点的最大通信时间，其中现实生活中的过程的监视和控制必须经常在设定的时间快速发生。 如果您使用数字网络控制核反应堆冷却剂阀门的位置，您需要能够保证阀门的网络节点在正确的时间从控制计算机接收正确的定位信号。否则，可能会发生非常糟糕的事情！ 网络保证数据“吞吐量”的能力称为确定性。确定性网络具有保证的从节点到节点的数据传输的最大时间延迟，而非确定性网络则没有。非确定性网络的杰出例子是以太网，其中节点依靠随机延时电路在冲突后重置和重新尝试传输。 由于节点的数据传输可能会因重复冲突后的一系列重置和重试而无限延迟，因此无法保证其数据会被发送到网

除了物理网络的问题（信号类型和电压电平、连接器引脚排列、布线、拓扑等），还需要一种标准化的方式来在网络中的多个节点之间仲裁通信，即使它很简单作为两个节点的点对点系统。当一个节点在网络上“交谈”时，它会在网络布线上生成一个信号，无论是高低直流电压电平、某种调制的交流载波信号，甚至是光纤中的光脉冲。 “监听”的节点只是测量网络上的应用信号（来自传输节点）并被动监控它。然而，如果两个或多个节点同时“通话”，它们的输出信号可能会发生冲突（想象一下，两个逻辑门试图将相反的信号电压施加到总线上的一条线上！），破坏传输的数据。 允许节点传输到总线或网络布线的标准化方法称为协议。有许多不同的协议可用于仲裁多

点对点 用网络连接两个数字设备，将有一种称为“点对点”的网络： 网络接线被符号化为两个设备之间的单线。实际上，它可能是双绞线、同轴电缆、光纤，甚至是七芯 BogusBus。现在，我们只关注网络的“形状”，技术上称为拓扑。 包括此网络上的更多设备（有时称为节点），我们有多种网络配置选项可供选择： 总线拓扑 一种使用公共传输介质的网络，网络的所有节点都连接到它。 星形拓扑 一种使用集线器、交换机或计算机作为中央网络并且所有节点都连接到它的网络。选定的集线器、交换机或计算机充当服务器 许多网络标准规定了所使用的拓扑类型，而其他标准则更为通用。例如，以太

通过电压信号发送（二进制）数字信息的一种现代替代方法是使用光学（光）信号。来自数字电路（高/低电压）的电信号可以通过 LED 或固态激光器转换为离散的光信号（光或无光）。同样，通过使用光电二极管或光电晶体管引入门电路的输入，光信号可以转换回电形式。 以光学形式传输数字信息可以在露天完成，只需将激光瞄准远处的光电探测器，但可能会出现温度反转层、灰尘、雨、雾和其他障碍物形式的光束干扰重大工程问题： 避免露天光学数据传输问题的一种方法是将光脉冲沿超纯玻璃纤维发送。 玻璃纤维 将“传导”一束光，就像铜线传导电子一样，具有完全避免电感、电容和外部干扰等所有相关问题的优点，这

使用 BogusBus，我们的信号非常简单明了：每条信号线（1 到 5）携带一位数字数据，0 伏代表“关”，24 伏直流代表“开”。因为所有位同时到达目的地，我们将称 BogusBus 为 parallel 网络技术 . 如果我们通过添加二进制编码（到发送端）和解码（到接收端）来提高 BogusBus 的性能，以便用更少的线获得更多的分辨率，它仍然是一个并行网络。 然而，如果我们在发送端增加一个并串转换器，在接收端增加一个串并转换器，我们就会有完全不同的东西。 主要是使用串行技术，我们被迫发明巧妙的方法来传输数据位。 因为串行数据要求我们通过相同的布线通道从发送器到接收器发送所有数据位

总线和网络旨在允许在互连的各个设备之间进行通信。节点之间的信息或数据流可以采用多种形式： 对于单工通信，所有数据流都是单向的：从指定的发送器到指定的接收器。 BogusBus 是单工通信的一个例子，其中发射器向远程监控位置发送信息，但没有信息发送回水箱。 如果我们只想单向发送信息，那么单纯形就可以了。然而，大多数应用程序需要更多： 双工通信 对于双工通信，每个设备的信息流都是双向的。双工可以进一步分为两个子类别： 半双工 一种通讯方式可以比作一根拉紧的绳子两端的两个锡罐：任一罐都可以用来发送或接收，但不能同时使用。 全双工通信更像是一部真正的电话

储罐和监控位置之间的电线称为总线或网络 .这两个术语之间的区别更多的是语义而不是技术，并且出于所有实际目的，这两个术语可以互换使用。根据我的经验，术语“总线”通常用于指代计算机设备外壳内连接数字组件的一组电线，而“网络”则是指物理上更广泛的东西。 然而，近年来，“总线”一词在描述专门用于长距离互连离散仪表传感器的网络中越来越流行（“现场总线”和“Profibus”是两个例子）。无论哪种情况，我们都参考了将两个或多个数字设备连接在一起以便在它们之间进行数据通信的方式。 “现场总线”或“Profibus”等名称不仅包含总线或网络的物理接线，还包含指定的通信电压电平、时序（尤其是串行数据传输）、

在大型复杂数字系统的设计中，通常需要让一台设备与其他设备进行数字信息通信。数字信息的一个优点是它比在模拟媒体中符号化的信息更能抵抗传输和解释的错误。 这说明了数字编码电话连接的清晰度、压缩音频磁盘，以及工程界对数字通信技术的热情。然而，数字通信有其独特的缺陷，并且存在多种不同且不兼容的发送方式。 希望本章能让您了解数字通信的基础知识、优点、缺点和实际考虑。 假设我们的任务是远程监控储水罐的液位。我们的工作是设计一个系统来测量水箱中的水位，并将此信息发送到远处，以便其他人可以对其进行监控。 测量储罐的液位非常容易，可以使用多种不同类型的仪器来完成，例如浮球开关、压力变送器、超声波液位检测

也许 ADC 最重要的考虑因素是它的分辨率 .分辨率是转换器输出的二进制位数。由于 ADC 电路接收一个连续可变的模拟信号，并将其分解为许多离散步骤中的一个，因此了解这些步骤总共有多少个很重要。 例如，一个 10 位输出的 ADC 最多可以表示 1024 (210 ) 信号测量的独特条件。在0%到100%的测量范围内，转换器输出的唯一二进制数为1024个（从0000000000到1111111111，含） 11 位 ADC 的输出状态将是其两倍（2048，或 211 )，代表了 0% 到 100% 之间信号测量的独特条件的两倍。 分辨率在数据采集系统（设计用于以电子形式解释和记录物理测量

一种更先进的 ADC 技术是所谓的 delta-sigma 或 ΔΣ（使用正确的希腊字母表示法）。在数学和物理中，大写的希腊字母 delta (Δ) 代表差异 或改变 , 而大写字母 sigma (Σ) 代表求和 :将多个术语加在一起。有时，该转换器以相反的顺序用相同的希腊字母表示：sigma-delta 或 ΣΔ。 在 ΔΣ 转换器中，模拟输入电压信号连接到积分器的输入端，在对应于输入幅度的输出端产生电压变化率或斜率。然后通过比较器将此斜坡电压与地电位（0 伏）进行比较。 比较器充当一种 1 位 ADC，根据积分器输出是正还是负产生 1 位输出（“高”或“低”）。然后比较器的输出通过一个

到目前为止，我们只能通过使用 DAC 作为 ADC 电路的一部分来避免闪存转换器中组件的庞大数量。然而，这并不是我们唯一的选择。如果我们用一个模拟斜坡电路和一个精确计时的数字计数器代替，就可以避免使用DAC。 这是所谓的single-slope背后的基本思想 ，或集成 ADC。我们不使用具有斜坡输出的 DAC，而是使用称为积分器的运算放大器电路 生成锯齿波，然后通过比较器与模拟输入进行比较。 锯齿波超过输入信号电压电平所需的时间是通过以精确频率方波（通常来自晶体振荡器）计时的数字计数器来测量的。基本原理图如下所示： 此处显示的 IGFET 电容器放电晶体管方案有点过于简化。实

在我看来，基于计数器 DAC 的转换器主题的第三种变体是最优雅的。该电路使用一个递增/递减计数器，而不是驱动 DAC 的常规“递增”计数器。 计数器连续计时，上/下控制线由比较器的输出驱动。因此，当模拟输入信号超过 DAC 输出时，计数器进入“向上计数”模式。 当 DAC 输出超过模拟输入时，计数器切换到“向下计数”模式。无论哪种方式，DAC 输出始终在正确的方向计数以跟踪 输入信号。 注意在循环结束时不需要移位寄存器来缓冲二进制计数。由于计数器的输出连续跟踪输入（而不是计数以满足输入然后重置回零），二进制输出会随着每个时钟脉冲合法地更新。 这种转换器电路的一个优点是速

解决数字斜坡 ADC 缺点的一种方法是所谓的连续逼近 ADC。此设计中唯一的变化是一个非常特殊的计数器电路，称为逐次逼近寄存器 . 该寄存器不是按二进制顺序向上计数，而是通过尝试从最高有效位开始到最低有效位结束的所有位值来计数。在整个计数过程中，寄存器监视比较器的输出，看二进制计数是小于还是大于模拟信号输入，相应地调整位值。 寄存器计数的方式与十进制到二进制转换的“试算”方法相同，即尝试从 MSB 到 LSB 的不同位值，以获得与原始十进制数相等的二进制数。这种计数策略的优点是结果更快：与常规计数器的 0 到全计数序列相比，DAC 输出以更大的步长收敛到模拟信号输入上。 没有显示逐次逼近

也称为楼梯坡道 ，或者干脆计数器 A/D 转换器，这也很容易理解，但不幸的是有几个限制。 基本思想是将自由运行的二进制计数器的输出连接到 DAC 的输入，然后将 DAC 的模拟输出与要数字化的模拟输入信号进行比较，并使用比较器的输出告诉计数器何时停止计数和复位。下图展示了基本思想： 当计数器随着每个时钟脉冲递增计数时，DAC 输出略高（更正）的电压。比较器将该电压与输入电压进行比较。 如果输入电压大于 DAC 输出，则比较器的输出将为高电平，计数器将继续正常计数。但最终，DAC 输出将超过输入电压，导致比较器的输出变低。 这将导致两件事发生：首先，比较器输出的高到低转换将导

也称为并行 A/D转换器，这个电路最容易理解。它由一系列比较器组成，每个比较器将输入信号与唯一的参考电压进行比较。比较器输出连接到优先编码器电路的输入，然后产生二进制输出。下图显示了一个 3 位闪存 ADC 电路： Vref 是由精密稳压器提供的稳定参考电压，作为转换器电路的一部分，示意图中未显示。当模拟输入电压超过每个比较器的参考电压时，比较器输出将依次饱和至高电平状态。优先级编码器根据最高阶有效输入生成一个二进制数，忽略所有其他有效输入。 操作时，闪存 ADC 会产生如下所示的输出： 对于此特定应用程序，不需要具有所有固有复杂性的常规优先级编码器。由于顺序