單片機(jī)入門教程第三課-半導(dǎo)體存儲器

幾個(gè)基本概念
　　數(shù)的本質(zhì)和物理現(xiàn)象。
　　我們知道，計(jì)算機(jī)可以進(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，怎么可以進(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)，我們可以用’0’和’1’來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為’1’，不亮為’0’。現(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

　　請大家自已寫上3盞燈的情況000 001 010 011 100 101 110 111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順序排更好后，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?yàn)檩敵鲭娐份敵龈唠娖剑o燈通了電。因此，燈亮和滅就可以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子呢？（海軍之）燈語、旗語，電報(bào)，甚至紅、綠燈）
　　位的含義：
　　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，可以代表兩種狀態(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。
　　字節(jié)的含義：
　　一根線可以表于0和1，兩根線可以表達(dá)00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表于0到3，而三根可以表達(dá)0-7，計(jì)算機(jī)中通常用8根線放在一起，同時(shí)計(jì)數(shù)，就可以表過到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)世界是一個(gè)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(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

　　讓我們看圖2。這是一個(gè)存儲器的示意圖：一個(gè)存儲器就象一個(gè)個(gè)的小抽屜，一個(gè)小抽屜里有八個(gè)小格子，每個(gè)小格子就是用來存放“電荷”的，電荷通過與它相連的電線傳進(jìn)來或釋放掉，至于電荷在小格子里是怎樣存的，就不用我們操心了，你可以把電線想象成水管，小格子里的電荷就象是水，那就好理解了。存儲器中的每個(gè)小抽屜就是一個(gè)放數(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個(gè)“單元”。 有了這么一個(gè)構(gòu)造，我們就可以開始存放數(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(gè)存儲器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時(shí)候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時(shí)候，會把每個(gè)單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個(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，這樣電荷就可以自由流動了，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，只要控制不同單元的控制線，就可以向各單元寫入不同的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個(gè)單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開相應(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(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。 我們有一種方法稱這為譯碼，簡單介紹一下：一根線可以代表2種狀態(tài)，2根線可以代表4種狀態(tài)，3根線可以代表幾種，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根線就可以代表了。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖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(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(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)存儲器單元中的數(shù)值是0FFH另一個(gè)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引腳進(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)打開著，如果確實(shí)是要向這個(gè)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(shí)還接入到另一個(gè)存儲器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或?qū)懶盘?，但沒有片選信號，所以另一個(gè)存儲器不會“誤會”而開門，造成沖突。那么會不同時(shí)選中兩片芯片呢？只要是設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)就不會，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，誰者可以走。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
　　按功能可以分為只讀和隨機(jī)存取存儲器兩大類。所謂只讀，從字面上理解就是只可以從里面讀，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，不可以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(jī)存取存儲器，即隨時(shí)可以改寫，也可以讀出里面的數(shù)據(jù)，它類似于我們的黑板，我可以隨時(shí)寫東西上去，也可以用黑板擦擦掉重寫。隨機(jī)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(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器的時(shí)候，而不是指制造這塊芯片的時(shí)候。否則，只讀存儲器中的數(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，可以當(dāng)它還是原材料——白紙的時(shí)候，當(dāng)然可以由印刷廠印上去了。順便解釋一下其它幾個(gè)常見的概念。PROM，稱之為可編程存儲器。這就象我們的練習(xí)本，買來的時(shí)候是空白的，可以寫東西上去，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(bào)銷了。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，可以用一種特殊的方法去掉后重寫，這就是用紫外線照射，紫外線就象“消字靈”，可以把字去掉，然后再重寫。當(dāng)然消的次數(shù)多了，也就不靈光了，所以這種芯片可以擦除的次數(shù)也是有限的——幾百次吧。FLASH，稱之為閃速存儲器，它和EPROM類似，寫上去的東西也可以擦掉重寫，但它要方便一些，不需要光照了，只要用電學(xué)方法就可以擦除，所以就方便許多，而且壽面也很長（幾萬到幾十萬次不等）。 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、EPROM還是FLASH ROM，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。