單片機存儲器,單片機存儲器結構原理是什么?
加入技術(shù)交流群
存儲器是單片機的又一個(gè)重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個(gè)單元的存儲器結構示意圖。其中每個(gè)存儲單元對應一個(gè)地址，256個(gè)單元共有256個(gè)地址，用兩位16進(jìn)制數表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個(gè)存儲單元可存放一個(gè)八位二進(jìn)制信息，通常用兩位16進(jìn)制數來(lái)表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個(gè)概念，不能混淆。
一、程序存儲器
程序是控制計算機動(dòng)作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構成的機器指令。如前述用助記符編寫(xiě)的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫(xiě)成二進(jìn)制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問(wèn)題之前必須事先將編好的程序、表格、常數匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱(chēng)為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時(shí)設置。由于PC程序計數器為16位，使得程序存儲器可用16位二進(jìn)制地址，因此，內外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內部有4k字節的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個(gè)字節，這時(shí)片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開(kāi)始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開(kāi)始。不過(guò)，這時(shí)應使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時(shí)，用戶(hù)在0000H至0FFFH范圍內使用內部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲器。
二、數據存儲器
單片機的數據存儲器由讀寫(xiě)存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實(shí)時(shí)輸入的數據。8051內部有256個(gè)單元的內部數據存儲器，其中00H～7FH為內部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專(zhuān)用寄存器區。實(shí)際使用時(shí)應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數據存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來(lái)在學(xué)習指令系統和程序設計時(shí)會(huì )經(jīng)常用到它們。8051內部數據存儲器地址由00H至FFH共有256個(gè)字節的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數據RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個(gè)字節中，還開(kāi)辟有一個(gè)所謂“位地址”區，該區域內不但可按字節尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進(jìn)行位操作的數據，可以存放到這個(gè)區域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個(gè)RAM字節，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來(lái)選用。在這兩位上放入不同的二進(jìn)制數，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。
三、特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數器PC和四個(gè)工作寄存器區外，其余21個(gè)特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個(gè)是雙字節寄存器，它們共占用了26個(gè)字節。各特殊功能寄存器的符號和地址見(jiàn)附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實(shí)際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類(lèi)，一類(lèi)與芯片的引腳有關(guān)，另一類(lèi)作片內功能的控制用。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實(shí)際上是4個(gè)八位鎖存器（每個(gè)I/O口一個(gè)），每個(gè)鎖存器附加有相應的輸出驅動(dòng)器和輸入緩沖器就構成了一個(gè)并行口。MCS－51共有P0～P3四個(gè)這樣的并行口，可提供32根I/O線(xiàn)，每根線(xiàn)都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標志寄存器PSW、數據指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關(guān)部分再作進(jìn)一步介紹
單片機內部存儲結構分析
我們來(lái)思考一個(gè)問(wèn)題，當我們在編程器中把一條指令寫(xiě)進(jìn)單片要內部，然后取下單片機，單片機就可以執行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個(gè)地方，并且這個(gè)地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會(huì )丟失，這是個(gè)什么地方呢？這個(gè)地方就是單片機內部的只讀存儲器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱(chēng)它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個(gè)數字寫(xiě)進(jìn)去了嗎？原來(lái)在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱(chēng)為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設備對ROM進(jìn)行寫(xiě)的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數據寫(xiě)進(jìn)去，所以我們還是把它稱(chēng)為ROM。
數的本質(zhì)和物理現象：我們知道，計算機能進(jìn)行數學(xué)運算，這可令我們非常的難以理解，計算機嗎，我們雖不了解它的組成，但它總只是一些電子元器件，怎么能進(jìn)行數學(xué)運算呢？我們做數學(xué)題如37+45是這樣做的，先在紙上寫(xiě)37，然后在下面寫(xiě)45，然后大腦運算，最后寫(xiě)出結果，運算的原材料：37、45和結果：82都是寫(xiě)在紙上的，計算機中又是放在什么地方呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，先讓我們做一個(gè)實(shí)驗：這里有一盞燈，我們知道燈要么亮，要么不亮，就有兩種狀態(tài)，我們能用’0’和’1’來(lái)代替這兩種狀態(tài)，規定亮為’1’，不亮為’0’?，F在放上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢？我們列表來(lái)看一下：
狀態(tài) |
|
|
|
|
表達 | 0 0 | 0 1 | 1 0 | 1 1 |
請大家自已寫(xiě)上3盞燈的情況000 001 010 011 100 101 110 111
我們來(lái)看，這個(gè)000，001，101 不就是我們學(xué)過(guò)的的二進(jìn)制數嗎？本來(lái)，燈的亮和滅只是一種物理現象，可當我們把它們按一按的次序排更好后，燈的亮和滅就代表了數字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會(huì )亮呢？看電路1，是因為輸出電路輸出高電平，給燈通了電。因此，燈亮和滅就能用電路的輸出是高電平還是低電平來(lái)替代了。這樣，數字就和電平的高、低聯(lián)系上了。（請想一下，我們還看到過(guò)什么樣的類(lèi)似的例程呢？（海軍之）燈語(yǔ)、旗語(yǔ)，電報，甚至紅、綠燈）
什么是位：
通過(guò)上面的實(shí)驗我們已經(jīng)知道：一盞燈亮或者說(shuō)一根線(xiàn)的電平的高低，能代表兩種狀態(tài)：0和1。實(shí)際上這就是一個(gè)二進(jìn)制位，因此我們就把一根線(xiàn)稱(chēng)之為一“位”，用BIT表示。
什么是字節：
一根線(xiàn)能表于0和1，兩根線(xiàn)能表達00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是能表于0到3，而三根能表達0-7，計算機中常常用8根線(xiàn)放在一起，同時(shí)計數，就能表過(guò)到0-255一共256種狀態(tài)。這8根線(xiàn)或者8位就稱(chēng)之為一個(gè)字節（BYTE）。不要問(wèn)我為什么是8根而不是其它數，因為我也不知道。（計算機世界是一本人造的世界，不是自然界，很多事情你無(wú)法問(wèn)為什么，只能說(shuō)：它是一種規定，大家在以后的學(xué)習過(guò)程中也要注意這個(gè)問(wèn)題）
存儲器的工作原理：
1、存儲器構造
存儲器就是用來(lái)存放數據的地方。它是利用電平的高低來(lái)存放數據的，也就是說(shuō)，它存放的實(shí)際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的1234這樣的數字，這樣，我們的一個(gè)謎團就解開(kāi)了，計算機也沒(méi)什么神秘的嗎。
|
|
圖2〈存儲器構造〉
圖3〈存儲器構造〉讓我們看圖2。單片機里面都有這樣的存儲器，這是一個(gè)存儲器的示意圖：一個(gè)存儲器就象一個(gè)個(gè)的小抽屜，一個(gè)小抽屜里有八個(gè)小格子，每個(gè)小格子就是用來(lái)存放“電荷”的，電荷通過(guò)與它相連的電線(xiàn)傳進(jìn)來(lái)或釋放掉，至于電荷在小格子里是怎樣存的，就不用我們操心了，你能把電線(xiàn)想象成水管，小格子里的電荷就象是水，那就好理解了。存儲器中的每個(gè)小抽屜就是一個(gè)放數據的地方，我們稱(chēng)之為一個(gè)“單元”。
有了這么一個(gè)構造，我們就能開(kāi)始存放數據了，想要放進(jìn)一個(gè)數據12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿(mǎn)電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了（看圖3）?？墒菃?wèn)題出來(lái)了，看圖2，一個(gè)存儲器有好多單元，線(xiàn)是并聯(lián)的，在放入電荷的時(shí)候，會(huì )將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時(shí)候，會(huì )把每個(gè)單元中的電荷都放掉，這樣的話(huà)，不管存儲器有多少個(gè)單元，都只能放同一個(gè)數，這當然不是我們所希望的，因此，要在結構上稍作變化，看圖2，在每個(gè)單元上有個(gè)控制線(xiàn)，我想要把數據放進(jìn)哪個(gè)單元，就給一個(gè)信號這個(gè)單元的控制線(xiàn)，這個(gè)控制線(xiàn)就把開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這樣電荷就能自由流動(dòng)了，而其它單元控制線(xiàn)上沒(méi)有信號，所以開(kāi)關(guān)不打開(kāi)，不會(huì )受到影響，這樣，只要控制不一樣單元的控制線(xiàn)，就能向各單元寫(xiě)入不一樣的數據了，同樣，如果要某個(gè)單元中取數據，也只要打開(kāi)對應的控制開(kāi)關(guān)就行了。
2、存儲器譯碼
那么，我們怎樣來(lái)控制各個(gè)單元的控制線(xiàn)呢？這個(gè)還不簡(jiǎn)單，把每個(gè)單元元的控制線(xiàn)都引到集成電路的外面不就行了嗎？事情可沒(méi)那么簡(jiǎn)單，一片27512存儲器中有65536個(gè)單元，把每根線(xiàn)都引出來(lái)，這個(gè)集成電路就得有6萬(wàn)多個(gè)腳？不行，怎么辦？要想法減少線(xiàn)的數量。我們有一種辦法稱(chēng)這為譯碼，簡(jiǎn)單介紹一下：一根線(xiàn)能代表2種狀態(tài)，2根線(xiàn)能代表4種狀態(tài)，3根線(xiàn)能代表幾種，256種狀態(tài)又需要幾根線(xiàn)代表？8種，8根線(xiàn)，所以65536種狀態(tài)我們只需要16根線(xiàn)就能代表了。
3、存儲器的選片及總線(xiàn)的概念
至此，譯碼的問(wèn)題解決了，讓我們再來(lái)關(guān)注另外一個(gè)問(wèn)題。送入每個(gè)單元的八根線(xiàn)是用從什么地方來(lái)的呢？它就是從計算機上接過(guò)來(lái)的，一般地，這八根線(xiàn)除了接一個(gè)存儲器之外，還要接其它的器件，如圖4所示。這樣問(wèn)題就出來(lái)了，這八根線(xiàn)既然不是存儲器和計算機之間專(zhuān)用的，如果總是將某個(gè)單元接在這八根線(xiàn)上，就不好了，比如這個(gè)存儲器單元中的數值是0FFH另一個(gè)存儲器的單元是00H，那么這根線(xiàn)到底是處于高電平，還是低電平？豈非要打架看誰(shuí)歷害了？所以我們要讓它們分離。辦法當然很簡(jiǎn)單，當外面的線(xiàn)接到集成電路的管腳進(jìn)來(lái)后，不直接接到各單元去，中間再加一組開(kāi)關(guān)（參考圖4）就行了。平時(shí)我們讓開(kāi)關(guān)打開(kāi)著(zhù)，如果確實(shí)是要向這個(gè)存儲器中寫(xiě)入數據，或要從存儲器中讀出數據，再讓開(kāi)關(guān)接通就行了。這組開(kāi)關(guān)由三根引線(xiàn)選擇：讀控制端、寫(xiě)控制端和片選端。要將數據寫(xiě)入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫(xiě)信號，開(kāi)關(guān)就合上了，并將傳過(guò)來(lái)的數據（電荷）寫(xiě)入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀信號，開(kāi)關(guān)合上，數據就被送出去了。注意圖4，讀和寫(xiě)信號同時(shí)還接入到另一個(gè)存儲器，但是由于片選端不一樣，所以雖有讀或寫(xiě)信號，但沒(méi)有片選信號，所以另一個(gè)存儲器不會(huì )“誤會(huì )”而開(kāi)門(mén)，造成沖突。那么會(huì )不一樣時(shí)選中兩片芯片呢？只要是設計好的系統就不會(huì )，因為它是由計算控制的，而不是我們人來(lái)控制的，如果真的出現同時(shí)出現選中兩片的情況，那就是電路出了故障了，這不在我們的討論之列。
從上面的介紹中我們已經(jīng)看到，用來(lái)傳遞數據的八根線(xiàn)并不是專(zhuān)用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱(chēng)之為數據總線(xiàn)，總線(xiàn)英文名為BUS，總即公交車(chē)道，誰(shuí)者能走。而十六根地址線(xiàn)也是連在一起的，稱(chēng)之為地址總線(xiàn)。
半導體存儲器的分類(lèi)
按功能能分為只讀和隨機存取存儲器兩大類(lèi)。所謂只讀，從字面上理解就是只能從里面讀，不能寫(xiě)進(jìn)去，它類(lèi)似于我們的書(shū)本，發(fā)到我們手回之后，我們只能讀里面的內容，不能隨意更改書(shū)本上的內容。只讀存儲器的英文縮寫(xiě)為ROM（READ ONLY MEMORY）
所謂隨機存取存儲器，即隨時(shí)能改寫(xiě)，也能讀出里面的數據，它類(lèi)似于我們的黑板，我能隨時(shí)寫(xiě)東西上去，也能用黑板擦擦掉重寫(xiě)。隨機存儲器的英文縮寫(xiě)為RAM（READ RANDOM MEMORY）這兩種存儲器的英文縮寫(xiě)一定要記牢。
注意：所謂的只讀和隨機存取都是指在正常工作情況下而言，也就是在使用這塊存儲器的時(shí)候，而不是指制造這塊芯片的時(shí)候。不然，只讀存儲器中的數據是怎么來(lái)的呢？其實(shí)這個(gè)道理也很好理解，書(shū)本拿到我們手里是不能改了，能當它還是原材料——白紙的時(shí)候，當然能由印刷廠(chǎng)印上去了。
順便解釋一下其它幾個(gè)常見(jiàn)的概念。
PROM，稱(chēng)之為可編程存儲器。這就象我們的練習本，買(mǎi)來(lái)的時(shí)候是空白的，能寫(xiě)東西上去，可一旦寫(xiě)上去，就擦不掉了，所以它只能用寫(xiě)一次，要是寫(xiě)錯了，就報銷(xiāo)了。
EPROM，稱(chēng)之為紫外線(xiàn)擦除的可編程只讀存儲器。它里面的內容寫(xiě)上去之后，如果覺(jué)得不滿(mǎn)意，能用一種特殊的辦法去掉后重寫(xiě)，這就是用紫外線(xiàn)照射，紫外線(xiàn)就象“消字靈”，能把字去掉，然后再重寫(xiě)。當然消的次數多了，也就不靈光了，所以這種芯片能擦除的次數也是有限的——幾百次吧。
FLASH，稱(chēng)之為閃速存儲器，它和EPROM類(lèi)似，寫(xiě)上去的東西也能擦掉重寫(xiě)，但它要方便一些，不需要光照了，只要用電學(xué)辦法就能擦除，所以就方便許多，而且壽面也很長(cháng)（幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)次不等）。
再次強調，這里的所有的寫(xiě)都不是指在正常工作條件下。不管是PROM、EPROM還是FLASH ROM，它們的寫(xiě)都要有特殊的條件，一般我們用一種稱(chēng)之為“編程器”的設備來(lái)做這項工作，一旦把它裝到它的工作位置，就不能隨便改寫(xiě)了。
評論