單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)2B

存儲器

兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)來存儲二進(jìn)制信息分為內(nèi)存和外存內(nèi)部存儲器的類型：(1)隨機(jī)存儲器(randomaccessmemory，簡稱RAM)隨機(jī)存儲器(又稱讀寫存儲器)指通過指令可以隨機(jī)地、個別地對各個存儲單元進(jìn)行訪問，一般訪問所需時間基本固定，而與存儲單元地址無關(guān)。(2)只讀存儲器(readonlymemory,簡稱ROM)只讀存儲器是一種對其內(nèi)容只能讀不能寫入的存儲器，在制造芯片時預(yù)先寫入內(nèi)容。它通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號等。由于它和讀寫存儲器分享主存儲器的同一個地址空間，故仍屬于主存儲器的一部分。(3)可編程序的只讀存儲器(programmableROM,簡稱PROM)一次性寫入的存儲器，寫入后，只能讀出其內(nèi)容，而不能再進(jìn)行修改。OTP(OneTimeProgram)(4)可擦除可編程序只讀存儲器(ErasablePROM,簡稱EPROM)可用紫外線擦除其內(nèi)容的PROM，擦除后可再次寫入。(5)可用電擦除的可編程只讀存儲器(ElectricallyEPROM,簡稱E2PROM)可用電改寫其內(nèi)容的存儲器，近年來發(fā)展起來的快擦型存儲器(flashmemory)具有E2PROM的特點(diǎn)。上述各種存儲器，除了RAM以外，即使停電，仍能保持其內(nèi)容，稱之為“非易失性存儲器”，而RAM為“易失性存儲器”。MRAM(MagneticRandomAccessMemory)GMR（GiantMagnetoResistance）存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)主要性能指標(biāo)為主存容量、存儲器存取時間和存儲周期時間。

計算機(jī)可尋址的最小信息單位是一個存儲字，稱為“字可尋址”機(jī)器。一個存儲字所包括的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長。一個字又可以劃分為若干個“字節(jié)”?，F(xiàn)代計算機(jī)中，大多數(shù)把一個字節(jié)定為8個二進(jìn)制位，因此，一個字的字長通常是8的倍數(shù)。有些計算機(jī)可以按“字節(jié)”尋址，稱為“字節(jié)可尋址”計算機(jī)。以字或字節(jié)為單位來表示主存儲器存儲單元的總數(shù)，就得到了主存儲器的容量。常用的計量存儲空間的單位有K、M、G。1K=210、1M=220、1G=230

存儲器的速度，一般用存儲器存取時間和存儲周期來表示。

存取時間(memoryaccesstime)又稱存儲器訪問時間，是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。

存儲周期(memorycycletime)指連續(xù)啟動兩次獨(dú)立的存儲器操作(例如連續(xù)兩次讀操作)所需間隔的最小時間。通常，存儲周期略大于存取時間，其差別與主存儲器的物理實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)有關(guān)。存儲器的基本操作

存儲器用來暫時存儲CPU正在使用的指令和數(shù)據(jù)，它和CPU的關(guān)系最為密切?？偩€包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。CPU通過使用AR(地址寄存器)和DR(數(shù)碼寄存器)和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。若AR為K位字長，DR為n位字長，則允許主存包含2K個可尋址單位(字節(jié)或字)。在一個存儲周期內(nèi)，CPU和主存之間通過總線進(jìn)行n位數(shù)據(jù)傳送。此外，控制總線包括控制數(shù)據(jù)傳送的讀(read)、寫(write)和表示存儲器功能完成的(ready)控制線。讀/寫存儲器(即隨機(jī)存儲器(RAM))

半導(dǎo)體讀/寫存儲器按存儲元件在運(yùn)行中能否長時間保存信息來分，有靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器兩種。

靜態(tài)存儲器利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息，只要不斷電，信息是不會丟失的；

動態(tài)存儲器利用MOS電容存儲電荷來保存信息，使用時需不斷給電容充電才能使信息保持。

靜態(tài)存儲器的集成度低，功耗大、速度快；

動態(tài)存儲器的集成度高，功耗小，速度快；它主要用于大容量存儲器。圖5.2MOS靜態(tài)存儲器的存儲單元1.靜態(tài)存儲器(SRAM)MOS靜態(tài)存儲器結(jié)構(gòu)圖①讀周期參數(shù)若片選信號先建立，其輸入輸出波形如圖

(a)所示；若地址先建立，其輸入輸出波形如圖所示。描述寫周期的開關(guān)參數(shù)②寫周期的參數(shù)2.動態(tài)存儲器(DRAM)(1)存儲單元和存儲器原理早期位動態(tài)存儲器所用的三管式存儲單元，下圖是三管存儲單元電路圖。三管單元布線較復(fù)雜，所用元件仍較多，但電路穩(wěn)定。

三管存儲單元電路圖目前是單管存儲單管存儲單元線路圖(2)再生(refresh)DRAM是通過把電荷充積到MOS管的柵極電容或?qū)ｉT的MOS電容中去來實(shí)現(xiàn)信息存儲的。由于電容漏電阻的存在，隨著時間的增加，其電荷會逐漸漏掉，從而使存儲的信息丟失。為了保證存儲信息不遭破壞，必須在電荷漏掉以前就進(jìn)行充電，以恢復(fù)原來的電荷。這一充電過程稱為再生，或稱為刷新。對于DRAM，再生一般應(yīng)在小于或等于2ms的時間內(nèi)進(jìn)行一次。SRAM則不同，由于SRAM是以雙穩(wěn)態(tài)電路為存儲單元的，因此它不需要再生。

DRAM采用“讀出”方式進(jìn)行再生。對單管單元的讀出是一種破壞性讀出(若單元中原來充有電荷，讀出時，CS放電)，而接在單元數(shù)據(jù)線上的讀放是一個再生放大器，在讀出的同時，讀放又使該單元的存儲信息自動地得以恢復(fù)。由于DRAM每列都有自己的讀放，因此，只要依次改變行地址，輪流對存儲矩陣的每一行所有單元同時進(jìn)行讀出，當(dāng)把所有行全部讀出一遍，就完成了對存儲器的再生(這種再生稱行地址再生)。16K×1動態(tài)存儲器框圖(4)DRAM與SRAM的比較DRAM的優(yōu)點(diǎn)。

①使用簡單的單管單元作為存儲單元，因此，每片存儲容量較大，約是SRAM的4倍；由于DRAM的地址是分批進(jìn)入的，所以它的引腳數(shù)比SRAM要少很多，它的封裝尺寸也可以比較小。這些特點(diǎn)使得在同一塊電路板上，使用DRAM的存儲容量要比用SRAM大4倍以上。②

DRAM的價格比較便宜，大約只有SRAM的1/4。③由于使用動態(tài)元件，DRAM所需功率大約只有SRAM的1/6。

DRAM作為計算機(jī)主存儲器的主要元件得到了廣泛的應(yīng)用，DRAM的存取速度以及存儲容量正在不斷改進(jìn)提高。DRAM的缺點(diǎn)。

①由于使用動態(tài)元件，它的速度比SRAM要低。

②

DRAM需要再生，這不僅浪費(fèi)了寶貴的時間，還需要有配套的再生電路，它也要用去一部分功率。SRAM一般用作容量不大的高速存儲器。非易失性半導(dǎo)體存儲器即使停電，所存儲的內(nèi)容也不會丟失。根據(jù)半導(dǎo)體制造工藝的不同，可分為ROM、PROM、EPROM、E2PROM、FlashMemory。1.只讀存儲器(ROM)掩模式ROM由芯片制造商在制造時寫入內(nèi)容，以后只能讀而不能再寫入。2.可編程序的只讀存儲器(PROM)PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來確定ROM中的內(nèi)容，常見的熔絲式PROM是以熔絲的接通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”。剛出廠的產(chǎn)品，其熔絲是全部接通的，使用前，用戶根據(jù)需要斷開某些單元的熔絲(寫入)。顯而易見，斷開后的熔絲是不能再接通了，因此，它是一次性寫入的存儲器。掉電后不會影響其所存儲的內(nèi)容。3.可擦可編程序的只讀存儲器(EPROM)為了能多次修改ROM中的內(nèi)容，產(chǎn)生了EPROM。其基本存儲單元由一個管子組成，但與其他電路相比管子內(nèi)多增加了一個浮置柵，如圖5.15所示。EPROM存儲單元和編程電壓4.可電擦可編程序只讀存儲器(E2PROM)E2PROM的編程序原理與EPROM相同，但擦除原理完全不同，重復(fù)改寫的次數(shù)有限制(因氧化層被磨損)，一般為10萬次。其讀寫操作可按每個位或每個字節(jié)進(jìn)行，類似于SRAM，但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒，比SRAM長得多。E2PROM每個存儲單元采用兩個晶體管。其柵極氧化層比EPROM薄，因此具有電擦除功能。5.快擦除讀寫存儲器(FlashMemory)FlashMemory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它與EPROM一樣，用單管來存儲一位信息，它與E2PROM相同之處是用電來擦除。但是它只能擦除整個區(qū)或整個器件?？觳脸x寫存儲器兼有ROM和RAM兩者的性能，又有ROM，DRAM一樣的高密度。目前價格已略低于DRAM，芯片容量已接近于DRAM，是唯一具有大存儲量、非易失性、低價格、可在線改寫和高速度(讀)等特性的存儲器。它是近年來發(fā)展很快很有前途的存儲器。FlashMemory存儲單元和擦除電壓列出幾種存儲器的主要應(yīng)用存儲器應(yīng)用SRAMcacheDRAM計算機(jī)主存儲器ROM固定程序，微程序控制存儲器PROM用戶自編程序。用于工業(yè)控制機(jī)或電器中EPROM用戶編寫并可修改程序或產(chǎn)品試制階段試編程序E2PROMIC卡上存儲信息FlashMemory固態(tài)盤，IC卡DRAM的研制與發(fā)展1.增強(qiáng)型DRAM(EDRAM)增強(qiáng)型DRAM(EDRAM)改進(jìn)了CMOS制造工藝，使晶體管開關(guān)加速，其結(jié)果使EDRAM的存取時間和周期時間比普通DRAM減少一半，而且在EDRAM芯片中還集成了小容量SRAMcache。2.cacheDRAM(CDRAM)

其原理與EDRAM相似，其主要差別是SRAMcache的容量較大，且與真正的cache原理相同。在存儲器直接連接處理器的系統(tǒng)中，cacheDRAM可取代第二級cache和主存儲器(第一級cache在處理器芯片中)。CDRAM還可用作緩沖器支持?jǐn)?shù)據(jù)塊的串行傳送。3.EDODRAM擴(kuò)充數(shù)據(jù)輸出(extendeddataout,簡稱EDO)，它在完成當(dāng)前內(nèi)存周期前即可開始下一內(nèi)存周期的操作，因此能提高數(shù)據(jù)帶寬或傳輸率。4.同步DRAM(SDRAM)具有新結(jié)構(gòu)和新接口的SDRAM已被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)中。它的讀寫周期(10ns～15ns)比EDODRAM(20ns～30ns)快。典型的DRAM是異步工作的，處理器送地址和控制信號到存儲器后，等待存儲器進(jìn)行內(nèi)部操作，影響了系統(tǒng)性能。而SDRAM與處理器之間的數(shù)據(jù)傳送是同步的，在系統(tǒng)時鐘控制下，處理器送地址和控制命令到SDRAM后，在經(jīng)過一定數(shù)量的時鐘周期后，SDRAM完成讀或?qū)懙膬?nèi)部操作。在此期間，處理器可以去進(jìn)行其他工作，而不必等待之。SDRAM的內(nèi)部邏輯如圖5.17所示。

同步動態(tài)隨機(jī)存儲器(SDRAM)5.RambusDRAM(RDRAM)6.集成隨機(jī)存儲器(IRA