單片機入門教程第三課-半導體存儲器

幾個基本概念
　　數的本質和物理現象。
　　我們知道，計算機可以進行數學運算，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，怎么可以進行數學運算呢？我們做數學題如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，最后寫出結果，運算的原材料：37、45和結果：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，我們可以用’0’和’1’來代替這兩種狀態，規定亮為’1’，不亮為’0’。現在放上兩盞燈，一共有幾種狀態呢？我們列表來看一下：

狀態	?	?	?	?
表達	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000，001，101 不就是我們學過的的二進制數嗎？本來，燈的亮和滅只是一種物理現象，可當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，燈亮和滅就可以用電路的輸出是高電平還是低電平來替代了。這樣，數字就和電平的高、低聯系上了。（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，甚至紅、綠燈）
　　位的含義：
　　通過上面的實驗我們已經知道：一盞燈亮或者說一根線的電平的高低，可以代表兩種狀態：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。
　　字節的含義：
　　一根線可以表于0和1，兩根線可以表達00，01，10，11四種狀態，也就是可以表于0到3，而三根可以表達0-7，計算機中通常用8根線放在一起，同時計數，就可以表過到0-255一共256種狀態。這8根線或者8位就稱之為一個字節（BYTE）。不要問我為什么是8根而不是其它數，因為我也不知道。（計算機世界是一個人造的世界，不是自然界，很多事情你無法問為什么，只能說：它是一種規定，大家在以后的學習過程中也要注意這個問題）
　　存儲器的工作原理：
　　1、存儲器構造 存儲器就是用來存放數據的地方。它是利用電平的高低來存放數據的，也就是說，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的1234這樣的數字，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

　　讓我們看圖2。這是一個存儲器的示意圖：一個存儲器就象一個個的小抽屜，一個小抽屜里有八個小格子，每個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。存儲器中的每個小抽屜就是一個放數據的地方，我們稱之為一個“單元”。 有了這么一個構造，我們就可以開始存放數據了，想要放進一個數據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）。可是問題出來了，看圖2，一個存儲器有好多單元，線是并聯的，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，這當然不是我們所希望的，因此，要在結構上稍作變化，看圖2，在每個單元上有個控制線，我想要把數據放進哪個單元，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據了，同樣，如果要某個單元中取數據，也只要打開相應的控制開關就行了。 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，2根線可以代表4種狀態，3根線可以代表幾種，256種狀態又需要幾根線代表？8種，8根線，所以65536種狀態我們只需要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。辦法當然很簡單，當外面的線接到集成電路的引腳進來后，不直接接到各單元去，中間再加一組開關（參考圖4）就行了。平時我們讓開關打開著，如果確實是要向這個存儲器中寫入數據，或要從存儲器中讀出數據，再讓開關接通就行了。這組開關由三根引線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數據寫入片中，先選中該片，然后發出寫信號，開關就合上了，并將傳過來的數據（電荷）寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發出讀信號，開關合上，數據就被送出去了。注意圖4，讀和寫信號同時還接入到另一個存儲器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或寫信號，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。那么會不同時選中兩片芯片呢？只要是設計好的系統就不會，因為它是由計算控制的，而不是我們人來控制的，如果真的出現同時出現選中兩片的情況，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看到，用來傳遞數據的八根線并不是專用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱之為數據總線，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。
　　半導體存儲器的分類
　　按功能可以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可以從里面讀，不能寫進去，它類似于我們的書本，發到我們手回之后，我們只能讀里面的內容，不可以隨意更改書本上的內容。只讀存儲器的英文縮寫為ROM（READ ONLY MEMORY） 所謂隨機存取存儲器，即隨時可以改寫，也可以讀出里面的數據，它類似于我們的黑板，我可以隨時寫東西上去，也可以用黑板擦擦掉重寫。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。否則，只讀存儲器中的數據是怎么來的呢？其實這個道理也很好理解，書本拿到我們手里是不能改了，可以當它還是原材料——白紙的時候，當然可以由印刷廠印上去了。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。這就象我們的練習本，買來的時候是空白的，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。當然消的次數多了，也就不靈光了，所以這種芯片可以擦除的次數也是有限的——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）。 再次強調，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。