從零開始51單片機(jī)教程——連載4 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分析
我們來思考一個(gè)問題，當(dāng)我們?cè)诰幊唐髦邪岩粭l指令寫進(jìn)單片要內(nèi)部，然后取下單片機(jī)，單片機(jī)就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機(jī)的某個(gè)地方，并且這個(gè)地方在單片機(jī)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(jī)內(nèi)部的只讀存儲(chǔ)器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲(chǔ)器呢？剛才我們不是明明把兩個(gè)數(shù)字寫進(jìn)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(duì)ROM進(jìn)行寫的操作，在單片機(jī)正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數(shù)據(jù)寫進(jìn)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(jì)算機(jī)能進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，這可令我們非常的難以理解，計(jì)算機(jī)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(shù)學(xué)運(yùn)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(yùn)算，最后寫出結(jié)果，運(yùn)算的原材料：37、45和結(jié)果：82都是寫在紙上的，計(jì)算機(jī)中又是放在什么地方呢？為了解決這個(gè)問題，先讓我們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：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(dá)	0 0	0 1	1 0	1 1

我們來看，這個(gè)000，001，101 不就是我們學(xué)過的的二進(jìn)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?cè)俪橄笠徊剑瑹魹槭裁磿?huì)亮呢？看電路1，是因?yàn)檩敵鲭娐份敵龈唠娖剑o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(qǐng)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(bào)，甚至紅、綠燈）

什么是位：
通過上面的實(shí)驗(yàn)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(shí)際上這就是一個(gè)二進(jìn)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(dá)00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是能表于0到3，而三根能表達(dá)0-7，計(jì)算機(jī)中常常用8根線放在一起，同時(shí)計(jì)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(gè)字節(jié)（BYTE）。不要問我為什么是8根而不是其它數(shù)，因?yàn)槲乙膊恢?。（?jì)算機(jī)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(gè)問題）

存儲(chǔ)器的工作原理：

1、存儲(chǔ)器構(gòu)造

存儲(chǔ)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(shí)際上是電平的高、低，而不是我們所習(xí)慣認(rèn)為的1234這樣的數(shù)字，這樣，我們的一個(gè)謎團(tuán)就解開了，計(jì)算機(jī)也沒什么神秘的嗎。

圖2

圖3

有了這么一個(gè)構(gòu)造，我們就能開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號(hào)和第三號(hào)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(gè)存儲(chǔ)器有好多單元，線是并聯(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，不管存儲(chǔ)器有多少個(gè)單元，都只能放同一個(gè)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(gè)單元上有個(gè)控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進(jìn)哪個(gè)單元，就給一個(gè)信號(hào)這個(gè)單元的控制線，這個(gè)控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就能自由流動(dòng)了，而其它單元控制線上沒有信號(hào)，所以開關(guān)不打開，不會(huì)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(gè)單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開對(duì)應(yīng)的控制開關(guān)就行了。

2、存儲(chǔ)器譯碼

那么，我們?cè)鯓觼砜刂聘鱾€(gè)單元的控制線呢？這個(gè)還不簡單，把每個(gè)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(chǔ)器中有65536個(gè)單元，把每根線都引出來，這個(gè)集成電路就得有6萬多個(gè)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(chǔ)器的選片及總線的概念

至此，譯碼的問題解決了，讓我們?cè)賮黻P(guān)注另外一個(gè)問題。送入每個(gè)單元的八根線是用從什么地方來的呢？它就是從計(jì)算機(jī)上接過來的，一般地，這八根線除了接一個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)器和計(jì)算機(jī)之間專用的，如果總是將某個(gè)單元接在這八根線上，就不好了，比如這個(gè)存儲(chǔ)器單元中的數(shù)值是0FFH另一個(gè)存儲(chǔ)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(jìn)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(shí)我們讓開關(guān)關(guān)閉著，如果確實(shí)是要向這個(gè)存儲(chǔ)器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲(chǔ)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(hào)，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(hào)，開關(guān)合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。注意圖4，讀和寫信號(hào)同時(shí)還接入到另一個(gè)存儲(chǔ)器，但是由于片選端不一樣，所以雖有讀或?qū)懶盘?hào)，但沒有片選信號(hào)，所以另一個(gè)存儲(chǔ)器不會(huì)“誤會(huì)”而開門，造成沖突。那么會(huì)不一樣時(shí)選中兩片芯片呢？只要是設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)就不會(huì)，因?yàn)樗怯捎?jì)算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频?，如果真的出現(xiàn)同時(shí)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(chǔ)器的分類

按功能能分為只讀和隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(jìn)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(chǔ)器的英文縮寫為ROM（READ ONLY MEMORY）

所謂隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，即隨時(shí)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(shí)寫東西上去，也能用黑板擦擦掉重寫。隨機(jī)存儲(chǔ)器的英文縮寫為RAM（READ RANDOM MEMORY）這兩種存儲(chǔ)器的英文縮寫一定要記牢。

注意：所謂的只讀和隨機(jī)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(chǔ)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(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是怎么來的呢？其實(shí)這個(gè)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(shí)候，當(dāng)然能由印刷廠印上去了。

順便解釋一下其它幾個(gè)常見的概念。

PROM，稱之為可編程存儲(chǔ)器。這就象我們的練習(xí)本，買來的時(shí)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(cuò)了，就報(bào)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(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(gè)字節(jié)(Byte)。FLASH現(xiàn)在常用于大容量存儲(chǔ),比如u盤

再次強(qiáng)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(xiàng)工作，一旦把它裝到它的工作位置，就不能隨便改寫了。