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单片机存储器结构

单片机内部存储结构分析
我们来思考一个问题 ， 当我们在编程器中把一条指令写进单片要内部 ， 然后取下单片机 ， 单片机就可以执行这条指令 ， 那么这条指令一定保存在单片机的某个地方 ， 并且这个地方在单片机掉电后依然可以保持这条指令不会丢失 ， 这是个什么地方呢?这个地方就是单片机内部的只读存储器即ROM(READONLY MEMORY) 。为什么称它为只读存储器呢?刚才我们不是明明把两个数字写进去了吗?原来在89C51中的ROM是一种电可擦除的ROM ， 称为FLASHROM ， 刚才我们是用的编程器 ， 在特殊的条件下由外部设备对ROM进行写的操作 ， 在单片机正常工作条件下 ， 只能从那面读 ， 不能把数据写进去 ， 所以我们还是把它称为ROM 。
数的本质和物理现象：我们知道 ， 计算机能进行数学运算 ， 这可令我们非常的难以理解 ， 计算机吗 ， 我们虽不了解它的组成 ， 但它总只是一些电子元器件 ， 怎么能进行数学运算呢?我们做数学题如37+45是这样做的 ， 先在纸上写37 ， 然后在下面写45 ， 然后大脑运算 ， 最后写出结果 ， 运算的原材料：37、45和结果：82都是写在纸上的 ， 计算机中又是放在什么地方呢?为了解决这个问题 ， 先让我们做一个实验：这里有一盏灯 ， 我们知道灯要么亮 ， 要么不亮 ， 就有两种状态 ， 我们能用’0’和’1’来代替这两种状态 ， 规定亮为’1’ ， 不亮为’0’ 。现在放上两盏灯 ， 一共有几种状态呢?我们列表来看一下：
请大家自已写上3盏灯的情况000 001 010 011 100 101 110 111
我们来看 ， 这个000 ， 001 ， 101不就是我们学过的的二进制数吗?本来 ， 灯的亮和灭只是一种物理现象 ， 可当我们把它们按一按的次序排更好后 ， 灯的亮和灭就代表了数字了 。让我们再抽象一步 ， 灯为什么会亮呢?看电路1 ， 是因为输出电路输出高电平 ， 给灯通了电 。因此 ， 灯亮和灭就能用电路的输出是高电平还是低电平来替代了 。这样 ， 数字就和电平的高、低联系上了 。(请想一下 ， 我们还看到过什么样的类似的例程呢?(海军之)灯语、旗语 ， 电报 ， 甚至红、绿灯)
什么是位：
通过上面的实验我们已经知道：一盏灯亮或者说一根线的电平的高低 ， 能代表两种状态：0和1 。实际上这就是一个二进制位 ， 因此我们就把一根线称之为一“位” ， 用BIT表示 。
什么是字节：
一根线能表于0和1 ， 两根线能表达00 ， 01 ， 10 ， 11四种状态 ， 也就是能表于0到3 ， 而三根能表达0-7 ， 计算机中常常用8根线放在一起 ， 同时计数 ， 就能表过到0-255一共256种状态 。这8根线或者8位就称之为一个字节(BYTE) 。不要问我为什么是8根而不是其它数 ， 因为我也不知道 。(计算机世界是一本人造的世界 ， 不是自然界 ， 很多事情你无法问为什么 ， 只能说：它是一种规定 ， 大家在以后的学习过程中也要注意这个问题)
存储器的工作原理：
1、存储器构造
存储器就是用来存放数据的地方 。它是利用电平的高低来存放数据的 ， 也就是说 ， 它存放的实际上是电平的高、低 ， 而不是我们所习惯认为的1234这样的数字 ， 这样 ， 我们的一个谜团就解开了 ， 计算机也没什么神秘的吗 。
 

图2

图3
让我们看图2 。单片机里面都有这样的存储器 ， 这是一个存储器的示意图：一个存储器就象一个个的小抽屉 ， 一个小抽屉里有八个小格子 ， 每个小格子就是用来存放“电荷”的 ， 电荷通过与它相连的电线传进来或释放掉 ， 至于电荷在小格子里是怎样存的 ， 就不用我们操心了 ， 你能把电线想象成水管 ， 小格子里的电荷就象是水 ， 那就好理解了 。存储器中的每个小抽屉就是一个放数据的地方 ， 我们称之为一个“单元” 。
有了这么一个构造 ， 我们就能开始存放数据了 ， 想要放进一个数据12 ， 也就是00001100 ， 我们只要把第二号和第三号小格子里存满电荷 ， 而其它小格子里的电荷给放掉就行了(看图3) 。可是问题出来了 ， 看图2 ， 一个存储器有好多单元 ， 线是并联的 ， 在放入电荷的时候 ， 会将电荷放入所有的单元中 ， 而释放电荷的时候 ， 会把每个单元中的电荷都放掉 ， 这样的话 ， 不管存储器有多少个单元 ， 都只能放同一个数 ， 这当然不是我们所希望的 ， 因此 ， 要在结构上稍作变化 ， 看图2 ， 在每个单元上有个控制线 ， 我想要把数据放进哪个单元 ， 就给一个信号这个单元的控制线 ， 这个控制线就把开关打开 ， 这样电荷就能自由流动了 ， 而其它单元控制线上没有信号 ， 所以开关不打开 ， 不会受到影响 ， 这样 ， 只要控制不一样单元的控制线 ， 就能向各单元写入不一样的数据了 ， 同样 ， 如果要某个单元中取数据 ， 也只要打开对应的控制开关就行了 。
2、存储器译码
那么 ， 我们怎样来控制各个单元的控制线呢?这个还不简单 ， 把每个单元元的控制线都引到集成电路的外面不就行了吗?事情可没那么简单 ， 一片27512存储器中有65536个单元 ， 把每根线都引出来 ， 这个集成电路就得有6万多个脚?不行 ， 怎么办?要想法减少线的数量 。我们有一种办法称这为译码 ， 简单介绍一下：一根线能代表2种状态 ， 2根线能代表4种状态 ， 3根线能代表几种 ， 256种状态又需要几根线代表?8种 ， 8根线 ， 所以65536种状态我们只需要16根线就能代表了 。
 
(图4)
3、存储器的选片及总线的概念
至此 ， 译码的问题解决了 ， 让我们再来关注另外一个问题 。送入每个单元的八根线是用从什么地方来的呢?它就是从计算机上接过来的 ， 一般地 ， 这八根线除了接一个存储器之外 ， 还要接其它的器件 ， 如图4所示 。这样问题就出来了 ， 这八根线既然不是存储器和计算机之间专用的 ， 如果总是将某个单元接在这八根线上 ， 就不好了 ， 比如这个存储器单元中的数值是0FFH另一个存储器的单元是00H ， 那么这根线到底是处于高电平 ， 还是低电平?岂非要打架看谁历害了?所以我们要让它们分离 。办法当然很简单 ， 当外面的线接到集成电路的管脚进来后 ， 不直接接到各单元去 ， 中间再加一组开关(参考图4)就行了 。平时我们让开关关闭着 ， 如果确实是要向这个存储器中写入数据 ， 或要从存储器中读出数据 ， 再让开关接通就行了 。这组开关由三根引线选择：读控制端、写控制端和片选端 。要将数据写入片中 ， 先选中该片 ， 然后发出写信号 ， 开关就合上了 ， 并将传过来的数据(电荷)写入片中 。如果要读 ， 先选中该片 ， 然后发出读信号 ， 开关合上 ， 数据就被送出去了 。注意图4 ， 读和写信号同时还接入到另一个存储器 ， 但是由于片选端不一样 ， 所以虽有读或写信号 ， 但没有片选信号 ， 所以另一个存储器不会“误会”而开门 ， 造成冲突 。那么会不一样时选中两片芯片呢?只要是设计好的系统就不会 ， 因为它是由计算控制的 ， 而不是我们人来控制的 ， 如果真的出现同时出现选中两片的情况 ， 那就是电路出了故障了 ， 这不在我们的讨论之列 。
从上面的介绍中我们已经看到 ， 用来传递数据的八根线并不是专用的 ， 而是很多器件大家共用的 ， 所以我们称之为数据总线 ， 总线英文名为BUS ， 总即公交车道 ， 谁者能走 。而十六根地址线也是连在一起的 ， 称之为地址总线 。
半导体存储器的分类
按功能能分为只读和随机存取存储器两大类 。所谓只读 ， 从字面上理解就是只能从里面读 ， 不能写进去 ， 它类似于我们的书本 ， 发到我们手回之后 ， 我们只能读里面的内容 ， 不能随意更改书本上的内容 。只读存储器的英文缩写为ROM(READONLY MEMORY)
所谓随机存取存储器 ， 即随时能改写 ， 也能读出里面的数据 ， 它类似于我们的黑板 ， 我能随时写东西上去 ， 也能用黑板擦擦掉重写 。随机存储器的英文缩写为RAM(RandomAccess Memory)这两种存储器的英文缩写一定要记牢 。
注意：所谓的只读和随机存取都是指在正常工作情况下而言 ， 也就是在使用这块存储器的时候 ， 而不是指制造这块芯片的时候 。不然 ， 只读存储器中的数据是怎么来的呢?其实这个道理也很好理解 ， 书本拿到我们手里是不能改了 ， 能当它还是原材料——白纸的时候 ， 当然能由印刷厂印上去了 。
顺便解释一下其它几个常见的概念 。
PROM ， 称之为可编程存储器 。这就象我们的练习本 ， 买来的时候是空白的 ， 能写东西上去 ， 可一旦写上去 ， 就擦不掉了 ， 所以它只能用写一次 ， 要是写错了 ， 就报销了 。(现在已经被淘汰)
EPROM ， 称之为紫外线擦除的可编程只读存储器 。它里面的内容写上去之后 ， 如果觉得不满意 ， 能用一种特殊的办法去掉后重写 ， 这就是用紫外线照射 ， 紫外线就象“消字灵” ， 能把字去掉 ， 然后再重写 。当然消的次数多了 ， 也就不灵光了 ， 所以这种芯片能擦除的次数也是有限的——几百次吧 。(现在已经被淘汰)
EEPROM ， 也叫E2PROM称之为电可擦可编程只读存储器 ， 它和EEPROM类似 ， 写上去的东西也能擦掉重写 ， 但它要方便一些 ， 不需要光照了 ， 只要用电就能擦除或者重新改写数据 ， 所以就方便许多 ， 而且寿命也很长(几万到几十万次不等) 。
FLASH ， 称之为闪速存储器 ， 属于EEPROM的改进产品 ， 它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定 ， 不同厂家的产品有不同的规格) ， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte) 。FLASH现在常用于大容量存储,比如u盘
【单片机存储器结构】再次强调 ， 这里的所有的写都不是指在正常工作条件下 。不管是PROM还是EPROM ， 它们的写都要有特殊的条件 ， 一般我们用一种称之为“编程器”的设备来做这项工作 ， 一旦把它装到它的工作位置 ， 就不能随便改写了 。

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