從零開(kāi)始51單片機教程——連載4 存儲器結構

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

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

圖3

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)關(guān)閉著(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。（現在已經(jīng)被淘汰）

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。（現在已經(jīng)被淘汰）

EEPROM，也叫E2PROM稱(chēng)之為電可擦可編程只讀存儲器，它和EEPROM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，只要用電就能擦除或者重新改寫(xiě)數據，所以就方便許多，而且壽命也很長(cháng)（幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)次不等）。

FLASH，稱(chēng)之為閃速存儲器，屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品，它的最大特點(diǎn)是必須按塊(Block)擦除(每個(gè)區塊的大小不定，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品有不同的規格)， 而EEPROM則可以一次只擦除一個(gè)字節(Byte)。FLASH現在常用于大容量存儲,比如u盤(pán)

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還是EPROM，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。