從零開始51單片機教程——連載4 存儲器結(jié)構(gòu)

單片機內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)分析
我們來思考一個問題，當(dāng)我們在編程器中把一條指令寫進單片要內(nèi)部，然后取下單片機，單片機就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個地方，并且這個地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會丟失，這是個什么地方呢？這個地方就是單片機內(nèi)部的只讀存儲器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個數(shù)字寫進去了嗎？原來在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設(shè)備對ROM進行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數(shù)據(jù)寫進去，所以我們還是把它稱為ROM。

數(shù)的本質(zhì)和物理現(xiàn)象：我們知道，計算機能進行數(shù)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，怎么能進行數(shù)學(xué)運算呢？我們做數(shù)學(xué)題如37+45是這樣做的，先在紙上寫37，然后在下面寫45，然后大腦運算，最后寫出結(jié)果，運算的原材料：37、45和結(jié)果：82都是寫在紙上的，計算機中又是放在什么地方呢？為了解決這個問題，先讓我們做一個實驗：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’來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為’1’，不亮為’0’?，F(xiàn)在放上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢？我們列表來看一下：

狀態(tài)
表達	0 0	0 1	1 0	1 1

我們來看，這個000，001，101 不就是我們學(xué)過的的二進制數(shù)嗎？本來，燈的亮和滅只是一種物理現(xiàn)象，可當(dāng)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(shù)字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會亮呢？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替代了。這樣，數(shù)字就和電平的高、低聯(lián)系上了。（請想一下，我們還看到過什么樣的類似的例程呢？（海軍之）燈語、旗語，電報，甚至紅、綠燈）

什么是位：
通過上面的實驗我們已經(jīng)知道：一盞燈亮或者說一根線的電平的高低，能代表兩種狀態(tài)：0和1。實際上這就是一個二進制位，因此我們就把一根線稱之為一“位”，用BIT表示。

什么是字節(jié)：
一根線能表于0和1，兩根線能表達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根線放在一起，同時計數(shù)，就能表過到0-255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個字節(jié)（BYTE）。不要問我為什么是8根而不是其它數(shù)，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，很多事情你無法問為什么，只能說：它是一種規(guī)定，大家在以后的學(xué)習(xí)過程中也要注意這個問題）

存儲器的工作原理：

1、存儲器構(gòu)造

存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的，也就是說，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習(xí)慣認為的1234這樣的數(shù)字，這樣，我們的一個謎團就解開了，計算機也沒什么神秘的嗎。

圖2

圖3

有了這么一個構(gòu)造，我們就能開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進一個數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了（看圖3）?？墒菃栴}出來了，看圖2，一個存儲器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時候，會把每個單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個單元，都只能放同一個數(shù)，這當(dāng)然不是我們所希望的，因此，要在結(jié)構(gòu)上稍作變化，看圖2，在每個單元上有個控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進哪個單元，就給一個信號這個單元的控制線，這個控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就能自由流動了，而其它單元控制線上沒有信號，所以開關(guān)不打開，不會受到影響，這樣，只要控制不一樣單元的控制線，就能向各單元寫入不一樣的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開對應(yīng)的控制開關(guān)就行了。

2、存儲器譯碼

那么，我們怎樣來控制各個單元的控制線呢？這個還不簡單，把每個單元元的控制線都引到集成電路的外面不就行了嗎？事情可沒那么簡單，一片27512存儲器中有65536個單元，把每根線都引出來，這個集成電路就得有6萬多個腳？不行，怎么辦？要想法減少線的數(shù)量。我們有一種辦法稱這為譯碼，簡單介紹一下：一根線能代表2種狀態(tài)，2根線能代表4種狀態(tài)，3根線能代表幾種，256種狀態(tài)又需要幾根線代表？8種，8根線，所以65536種狀態(tài)我們只需要16根線就能代表了。

3、存儲器的選片及總線的概念

至此，譯碼的問題解決了，讓我們再來關(guān)注另外一個問題。送入每個單元的八根線是用從什么地方來的呢？它就是從計算機上接過來的，一般地，這八根線除了接一個存儲器之外，還要接其它的器件，如圖4所示。這樣問題就出來了，這八根線既然不是存儲器和計算機之間專用的，如果總是將某個單元接在這八根線上，就不好了，比如這個存儲器單元中的數(shù)值是0FFH另一個存儲器的單元是00H，那么這根線到底是處于高電平，還是低電平？豈非要打架看誰歷害了？所以我們要讓它們分離。辦法當(dāng)然很簡單，當(dāng)外面的線接到集成電路的管腳進來后，不直接接到各單元去，中間再加一組開關(guān)（參考圖4 ）就行了。平時我們讓開關(guān)關(guān)閉著，如果確實是要向這個存儲器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，再讓開關(guān)接通就行了。這組開關(guān)由三根引線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數(shù)據(jù)寫入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫信號，開關(guān)就合上了，并將傳過來的數(shù)據(jù)（電荷）寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀信號，開關(guān)合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。注意圖4，讀和寫信號同時還接入到另一個存儲器，但是由于片選端不一樣，所以雖有讀或?qū)懶盘?，但沒有片選信號，所以另一個存儲器不會“誤會”而開門，造成沖突。那么會不一樣時選中兩片芯片呢？只要是設(shè)計好的系統(tǒng)就不會，因為它是由計算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频?，如果真的出現(xiàn)同時出現(xiàn)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，用來傳遞數(shù)據(jù)的八根線并不是專用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱之為數(shù)據(jù)總線，總線英文名為BUS，總即公交車道，誰者能走。而十六根地址線也是連在一起的，稱之為地址總線。

半導(dǎo)體存儲器的分類

按功能能分為只讀和隨機存取存儲器兩大類。所謂只讀，從字面上理解就是只能從里面讀，不能寫進去，它類似于我們的書本，發(fā)到我們手回之后，我們只能讀里面的內(nèi)容，不能隨意更改書本上的內(nèi)容。只讀存儲器的英文縮寫為ROM（READ ONLY MEMORY）

所謂隨機存取存儲器，即隨時能改寫，也能讀出里面的數(shù)據(jù)，它類似于我們的黑板，我能隨時寫東西上去，也能用黑板擦擦掉重寫。隨機存儲器的英文縮寫為RAM（READ RANDOM MEMORY）這兩種存儲器的英文縮寫一定要記牢。

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候，而不是指制造這塊芯片的時候。不然，只讀存儲器中的數(shù)據(jù)是怎么來的呢？其實這個道理也很好理解，書本拿到我們手里是不能改了，能當(dāng)它還是原材料——白紙的時候，當(dāng)然能由印刷廠印上去了。

順便解釋一下其它幾個常見的概念。

PROM，稱之為可編程存儲器。這就象我們的練習(xí)本，買來的時候是空白的，能寫東西上去，可一旦寫上去，就擦不掉了，所以它只能用寫一次，要是寫錯了，就報銷了。（現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰）

EPROM，稱之為紫外線擦除的可編程只讀存儲器。它里面的內(nèi)容寫上去之后，如果覺得不滿意，能用一種特殊的辦法去掉后重寫，這就是用紫外線照射，紫外線就象“消字靈”，能把字去掉，然后再重寫。當(dāng)然消的次數(shù)多了，也就不靈光了，所以這種芯片能擦除的次數(shù)也是有限的——幾百次吧。（現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰）

EEPROM，也叫E2PROM稱之為電可擦可編程只讀存儲器，它和EEPROM類似，寫上去的東西也能擦掉重寫，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數(shù)據(jù)，所以就方便許多，而且壽命也很長（幾萬到幾十萬次不等）。

FLASH，稱之為閃速存儲器，屬于EEPROM的改進產(chǎn)品，它的最大特點是必須按塊(Block)擦除(每個區(qū)塊的大小不定，不同廠家的產(chǎn)品有不同的規(guī)格)， 而EEPROM則可以一次只擦除一個字節(jié)(Byte)。FLASH現(xiàn)在常用于大容量存儲,比如u盤

再次強調(diào)，這里的所有的寫都不是指在正常工作條件下。不管是PROM還是EPROM，它們的寫都要有特殊的條件，一般我們用一種稱之為“編程器”的設(shè)備來做這項工作，一旦把它裝到它的工作位置，就不能隨便改寫了。