2.3 存儲器電路

2.3.1 存儲器概述

存儲器是用來存放數據的集成電路或介質，常見的存儲器有半導體存儲器（ROM、RAM）、光存儲器（如CD、VCD、MO、MD、DVD）、磁介質存儲器（如磁帶、磁盤、硬盤）等。存儲器是計算機極為重要的組成部分，有了它計算機才具有存儲信息的功能，才能使計算機可以脫離人的控制自動工作。單片機嵌入式系統中主要使用的存儲器是半導體存儲器，從使用功能上，可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩類。RAM主要用于存放各種現場數據、中間計算結果，以及主機與外設交換信息等，它的存儲單元的內容既可讀出，又可寫入。ROM中存儲的信息只能讀出，不能寫入，如PC主板上的存放BIOS程序的芯片就是ROM存儲器。

在單片機系統中，RAM存儲器常用來作為數據存儲器，ROM存儲器常用來作為程序存儲器。RAM存儲器的優點是讀/寫方便，使用靈活，但斷電后RAM中的信息會丟失，為易失性存儲器。ROM存放的數據一般不能用簡單的方法對其內容進行改寫，正常使用時主要對其進行讀取操作，一般用于存放程序或一些固定的數據，一般在使用之前由生產廠家或用戶將內容直接寫入器件中。ROM存儲器的優點是在斷電時信息不會丟失，為非易失性存儲器。但寫入數據較為復雜，如何寫入數據通常與ROM的類型有關。

2.3.2 存儲器有關概念

1.存儲元

計算機中最小的信息單位是bit，也就是一個二進制位。存儲元是存儲器的最小存儲單位，是組成存儲器的基礎和核心，其作用是用來存放1位二進制代碼0或1。任何具有兩個穩定狀態（雙穩態）的物理器件都可以用來作為存儲元。存儲元也稱為存儲位元。

2.存儲單元

在存儲器中有大量的存儲元，把它們按一定的規則劃分為組，組內所有的存儲元同時進行讀出或寫入操作，這樣的一組存儲元稱為一個存儲單元。

一個存儲單元包含若干存儲元，其具體數量和存儲器組織有關。一般以8個存儲元作為1個存儲單元，也就是1個字節。也可以16個存儲元作為1個存儲單元，也就是2個字節。

在存儲器中每個存儲單元都有一個唯一的整數編碼，稱為存儲地址或字地址。計算機通過這個地址訪問相應的存儲單元。

存儲單元一般用十六進制數表示，而每一個存儲器地址中又存放著一組二進制表示的數，通常稱為該地址的內容。值得注意的是，內儲單元的地址和地址中的內容兩者是不一樣的。前者是存儲單元的編號，表示存儲器總的一個位置，而后者表示這個位置里存放的數據。正如一個是房間號碼，另一個是房間里住的人一樣。

3.存儲容量

存儲容量是指存儲器可以容納的二進制信息量。

存儲容量大小由存儲器的地址線和數據線多少決定。假設某存儲器芯片有M條地址線和N條數據線，則M決定了存儲單元數，N決定了每個存儲單元的數據位數。

芯片的存儲容量=存儲單元數×每個存儲單元的數據位數=2M×N。例如，RAM存儲器RAM 62256的地址線為A0～A14，共15線，數據線為D0～D7，共8線，則該存儲器容量為215×8=262144存儲元。

半導體存儲器芯片是以位b（Bit）為基本單位說明其存儲容量的。但通常我們是以字節B（Byte）為基本單位說明其存儲容量的。

每一千個字節稱為1KB，注意，這里的“千”不是我們通常意義上的1000，而是指1024。即1KB=210B=1024B。更大的存儲單位是MB（220B）、GB（230B）、TB（240B）。

另外，需要注意的是，存儲產品生產商會直接以1GB=109B，1MB=106KB，1KB=103B的計算方式統計產品的容量，這就是為何買回的存儲設備容量達不到標稱容量的主要原因。

下面將分別簡介RAM和ROM兩大類存儲器。

2.3.3 RAM存儲器

RAM存儲器是指斷電時信息會丟失的存儲器，但是這種存儲器可以現場快速地修改信息，所以RAM存儲器是可讀/寫存儲器，一般都作為數據存儲器使用，用來存放現場輸入的數據，或者存放可以更改的運行程序和數據。根據其工作原理不同，可分為以下兩類：基于觸發器原理的靜態讀/寫存儲器（Static RAM，SRAM）和基于分布電容電荷存儲原理的動態讀寫存儲器（Dynamic RAM，DRAM）。前者相對讀/寫速度快，且大多數與相同的程序存儲器EPROM引腳基本兼容，利于印制板電路設計，使用方便，但是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相對較低，但是由于分布電容上的電荷會隨時間而泄漏減少，為保持其內容，需要對其周期性地刷新（即對電容充電），這就需要增加一個刷新電路，附加額外的成本。

一般SRAM用于僅需要小于64KB數據存儲器的小系統，如單片機系統，或作為大系統中的高速緩沖存儲器，如PC的CPU中的Cache；而DRAM常用于需要大于64KB的大系統，這樣刷新電路的附加成本會被大容量的DRAM的低功耗、低成本等利益所補償，大容量數據存儲器采用DRAM是最經濟的方案。

選擇SRAM的另一個依據是當需要用電池作為后備電源進行數據保護時，應該采用CMOS SRAM。這是因為1978年后推出的CMOS SRAM芯片都有低功耗工作方式，一般只要用2V電源電壓且在功耗極低的情況下就可以保持芯片中的數據信息。雖然用電池作為后備電源也可以保護DRAM中的數據，但是由于DRAM需要連續地動態刷新保持數據不變，這就需要給整個存儲器支持系統提供電功率，由此勢必需要使用大容量的電池作為后備電源，因此在單片機系統中常采用SRAM作為數據存儲器。

SRAM的基本結構如圖2.26所示。RAM的結構大體由三部分組成：用于選擇存儲單元的地址譯碼器、由存儲單元所構成的存儲單元矩陣、控制數據流向的輸入/輸出電路（包括讀/寫控制電路、片選信號及輸出緩沖器）。存儲器和外部設備的數據交換是通過數據線進行的，為了節約數據線，一般采用讀/寫共享數據線的方式，其上的數據流向由讀/寫控制電路決定。在存儲器電路中，通常把數據線上一次能傳送的數據稱為一個字，如8位數據線所傳送的字含8位二進制信息，稱字長為8。

每個存儲元可存儲1位二進制信息，存儲元常排列成矩陣的形式，構成存儲體。如一個1024字×1位的存儲芯片，常排列成32×32的矩陣形式，它表示有1024個可尋址的邏輯單元，可存儲1024個字，由這樣的4個存儲芯片就可組成1024字×4位的存儲器。

為了能夠對每個存儲單元進行讀/寫操作，各單元必須有各自的單元地址。當輸入一個地址碼時，利用地址譯碼器就可以在存儲矩陣中找到相應的存儲單元。

讀/寫控制電路用于控制對存儲單元的讀或寫操作。存儲器所設置的片選信號，使得只有在該片選信號有效時，才可以進行讀/寫操作。輸出緩沖器常采用漏極開路電路或三態輸出電路，以便存儲器的輸出可以并聯使用，從而擴充了存儲單元。下面對各組成部分分別加以介紹。

1.地址譯碼方式

地址譯碼有兩種方式，一種是單譯碼方式，或稱為字結構方式，適用于小容量存儲器；另一種是雙譯碼方式，或稱為X-Y譯碼結構。譯碼結構中，把地址譯碼輸出線稱為字選線，簡稱字線。每個存儲單元有兩條傳輸數據的原碼與反碼的數據位線，簡稱位線。位線是存儲體內的數據傳輸線，每一列中各存儲單元的位線是連通的，被選中單元的位線通過輸入/輸出電路可以與存儲器的數據總線相連。

（1）單譯碼結構

圖2.27所示為一種單譯碼結構的16字×4位的存儲器，共有64個存儲單元，排列成16行×4列的矩陣，每個小方塊表示一個存儲單元。電路設有4根地址線，可尋址24=16個地址邏輯單元，若把每個字的所有4位視為一個邏輯單元，使每個邏輯單元的4個存儲單元具有相同的地址碼，譯碼電路輸出的這16根字線剛好可以選擇16個邏輯單元，每選中一個地址，對應字線的4位存儲單元同時被選中。選中的存儲單元將與數據位線連通，即可按照要求實現讀或寫操作了。

（2）雙譯碼結構

圖2.28所示為一個雙譯碼結構的16字×1的地址譯碼存儲器。視每個字的1位存儲單元構成一個邏輯單元，圖中每個小方塊表示一個邏輯單元。16個可尋址邏輯單元排列成4×4的矩陣，為減少地址譯碼電路的輸出數量，采用雙重譯碼結構，每個地址譯碼的輸出線數為22=4根（單譯碼方式需16根地址輸出線）。圖中，A0、A1是行地址碼，A2、A3是列地址碼。行、列地址經譯碼后分別輸出4根字線X0～X3和Y0～Y3。X字線控制矩陣中的每一行是否與位線連通，一行中究竟哪個邏輯單元被選中則由Y字線控制。被選中的單元將與數據線連通，以交換信息。

2.讀/寫控制電路

在RAM結構中，讀出和寫入的數據線是公用的，為了控制電路中數據的流向，設立了專門的讀/寫控制電路。

圖2.29所示為1位數據的讀/寫控制電路。門G1、G2是控制信號為高電平有效的三態門，I/O線即為RAM的外接數據總線。在控制信號的作用下，它可以與存儲單元的內部數據線D接通或斷開。

當片選信號CS=0有效時，讀/寫控制信號WE可以控制信號的流向。若WE=1時，外電路向存儲器讀取數據，門G4導通，輸出高電平，門G3截止，對應輸出給三態門G1的控制信號無效，G1輸出高阻狀態，G2開啟，D上的數據通過G2送到總線I/O上，實現讀操作。當WE=0時，情況剛好和前面相反，這時G1開啟，G2輸出高阻狀態，數據只能由I/O送給D，實現寫操作。

目前大多數存儲器采用獨立的兩根信號線完成讀寫控制。其內部電路與圖2.29略有不同。

單片機系統常用的SRAM主要技術特性如表2.22所示。

表2.22 常用SRAM主要技術特性

3.靜態RAM 62256

（1）引腳圖

RAM 62256是一個32K×8位的靜態隨機讀/寫存儲器芯片，其引腳包含地址線15條，數據線8條，1個片選端，一個寫允許端和一個輸出允許端。該芯片功耗極低，在未選中時僅2.5W，工作時也僅40mW，很適合于用電池供電的RAM電路。圖2.30所示為RAM62256引腳圖。

引腳說明：A0～A14為地址線，D0～D7為數據線，為片選線；為輸出允許，為寫允許，VCC為工作電源（5V），GND為接地。

（2）工作方式表

RAM 62256工作方式如表2.23所示。

（3）連接使用方法

用戶對存儲器芯片的使用，實際上是如何按規定的地址范圍把它同CPU的系統總線正確地連接起來的問題。正常芯片的數據總線可以直接接到系統的數據總線上，地址線可直接連接到系統總線的地址線上，余下的問題是芯片的各控制端如何處理，即控制總線的接法。現以RAM 62256芯片與CPU總線連接為例加以說明。

表2.23 RAM 62256工作方式

在RAM 62256的數據總線和地址總線按一般規律連接后和引腳可直接與和相接，用總線的讀/寫信號控制芯片的讀/寫操作。的連接必須保證在要求的地址范圍內，片選信號低有效，這就存在如何處理總線的高位地址線的問題。在圖2.31中，從CPU的高位地址線A15產生信號，因為RAM 62256的為低有效，所以對于圖2.31（a）所示的接法，當A15=0時選中RAM 62256，RAM 62256的地址確定為0000H～7FFFH，而對于圖2.31（b）所示接法，當A15=1時選中RAM 62256，RAM 62256的地址確定為8000H～FFFFH。

RAM 62256寫入數據的過程如下：

① 在芯片的A0～A14上加入要寫入的單元的地址；

② 在D0～D7上加上要寫入的數據；

③ 在上加上有效的低電平；

④ 在上加上有效的低電平；

⑤ 在上加上高電平。

這樣就將數據寫到了地址所選中的單元中。

RAM 62256讀出數據的過程如下：

① 在芯片的A0～A14上加入要寫入的單元的地址；

② 在上加上有效的低電平；

③ 在上加上低電平；

④ 使為高電平。

這樣相應地址的數據便送到了D0～D7供讀取。

2.3.4 ROM存儲器

前已述及，只讀存儲器（ROM）的特點是：其內容是預先寫入的，而且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失，ROM器件還具有結構簡單、信息度高、價格低、非易失性和可靠性高等特點。對ROM內容的設定（寫入）稱為編程。大多數單片機系統都需要某種形式的ROM存儲器存儲程序。ROM的種類較多，按存儲內容的寫入（常稱為編程）方式可分為固定ROM、可編程的PROM、可擦可編程的EPROM三類。可擦可編程的EPROM又分為UV-EPROM（紫外線擦除可編程，人們常把UV-EPROM稱為EPROM）、E2PROM（電擦除可編程）、Flash E2PROM（閃速存儲器）。

固定ROM又稱Mask ROM，需要存儲的信息由ROM制造廠家寫入，信息存儲可靠性最高，當用量很大時，單片成本最低。

可編程PROM又稱OTP ROM，需要存儲的信息由用戶使用編程器寫入，信息存儲可靠性次之，單片成本較低，只能使用一次，目前已較少使用。

可擦可編程的EPROM，存儲的信息可由用戶通過光或電的方法擦除，需要存儲的信息由用戶使用編程器寫入，信息存儲可靠性較低，單片成本較高。但由于其可反復使用，故得到大多數中小用戶的青睞。

這一類存儲器以閃速存儲器Flash E2PROM系列發展最快。閃速存儲器是Intel公司20世紀90年代初發明的一種高密度、非易失性的讀/寫半導體存儲器，它既有E2PROM的特點，又有RAM的特點，因而是一種全新的存儲結構。所謂的固態盤、U盤、MP3、CF卡等移動存儲器都是以Flash E2PROM作為存儲介質的。

1.ROM的結構與工作原理

ROM的結構與RAM十分相似，如圖2.32所示，它由存儲矩陣、地址譯碼器、輸出緩沖器電路組成。地址譯碼器可以是單譯碼，也可以是雙譯碼。

2.ROM的點陣結構表示法

如圖2.33所示，將存儲器字線和位線畫成相互垂直的一個陣列，每一個交叉點對應一個存儲元，交叉點上有黑點表示該存儲元存1，無黑點表示該存儲元存0，這就是存儲器的點陣圖表示方法。ROM點陣結構表示法是一種新思路，它對后來其他可編程器件的發展起到了奠基作用。

在圖2.33中，如果把ROM視為組合邏輯電路，則地址碼A1A0是輸入變量，數據碼D3～D0是輸出變量，由上圖可得輸出函數表達式：

邏輯函數是與或表達式，每一條字線對應輸入變量的一個最小項。由此可列出邏輯函數真值表，如表2.24所示。

表2.24 圖2.33中ROM存儲器的內容

3.可用紫外線擦除可編程只讀存儲器EPROM

EPROM是Erasable Programmable Read Only Memory的縮寫，因為其擦除方法是用紫外線照射，所以又稱為可用紫外線擦除可多次編程的ROM-UV-EPROM（Ultraviolet-Erasable Programmable Read Only Memory）。用戶可多次改寫內容，改寫時需要寬度約為50ms的高電壓編程脈沖，EPROM芯片外殼上方有窗口，當用紫外線通過這個窗口照射時，寫入的信息被擦除。為避免EPROM的內容在外來光線照射下慢性自動擦除，通常用一種不透光的標簽粘貼在窗口上。EPROM存儲芯片的基本用法與RAM大致相同。

（1）引腳與接線

圖2.34所示為64KB芯片EPROM 27C512外引腳及與CPU的接線方法。其中，A0～A15為地址線，O0～O7為數據線，為片選線，為輸出允許，VCC為工作電源（5V），GND為接地。

27C512是64KB的EPROM，28腳雙列直插式封裝，地址線為16條，8位數據線帶三態輸出緩沖，為片選信號接地，表示在0000H～FFFFH范圍內全部選中27C512，OE為允許輸出引腳，讀出時只需單一的+5V電源，O0～O7為三態輸出，與TTL電平兼容。讀周期類似于RAM，當地址引腳上出現讀出單元地址，和OE都為低電平時，從O0～O7端可讀到數據。

部分EPROM主要技術特性如表2.25所示。新一代的單片機芯片內部都集成了32～64KB大容量的程序存儲器，所以單片機系統中已很少使用EPROM電路。

（2）編程操作

EPROM在工廠提供的產品未被編程前，所有的位都是邏輯1狀態，用戶根據需要使用專用設備編程器把邏輯0狀態寫入所希望的位。如果要把已經寫入的邏輯0改寫成邏輯l，不能用編程器實現，唯一的方法就是通過對EPROM芯片石英玻璃窗口照射一定劑量的紫外線，擦除芯片整片的信息后再重新編程。

表2.25 部分EPROM主要技術特性

4.電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM（E2PROM）

E2PROM是一種具有掉電記憶功能的存儲器，其引腳與接線同SRAM，內容也可以像普通RAM一樣進行改寫，而且改寫時能夠自動擦除并換成新內容。它不像EPROM那樣需要紫外線擦除；而只需用電即可擦除并改寫存儲在其內部的內容。E2PROM通常在內部帶有編程電源。由于它只需外接單一的+5V電源，因此使用起來十分方便。

E2PROM的主要缺點是成本高，擦除和改寫的速度慢。

2.3.5 閃速存儲器

閃速存儲器（Flash Memory）可以用來存放程序，但由于其讀寫方便，也可以像RAM一樣存放需要修改的數據，但由于擦寫壽命限制，Flash Memory并不適合于數據頻繁改寫的場合，現場使用多以讀為主。與其他類型半導體存儲器相比較，Flash Memory具有大容量、讀/寫方便、非易失性和低成本4個顯著優點，在單片機控制系統和移動信息設備中得到廣泛的應用。隨著市場對Flash Memory需求的不斷擴大，各大半導體廠商正不斷推出功能更強、容量更大的Flash Memory產品，技術也日趨成熟。新一代閃速存儲器的特點及其功能描述如下。

（1）低電壓在線編程，使用方便，可多次擦寫

現代的Flash Memory都只使用5V或3V單電源供電，而編程時所需的高壓及時序均由片內的編程電路自動產生，外圍電路少，編程就像裝載普通RAM一樣簡單，而高壓編程電流也只有幾毫安，因此非常適合于在應用系統中（尤其在低電壓系統中）進行在線編程和修改，因而在智能化的工業控制和家電產品等方面都得到了很廣泛的應用。其可重復擦寫壽命也都在105次以上，能夠滿足許多場合的需要。

（2）按塊/按扇區擦除，按字節編程

Flash Memory產品，可以以小扇區為單位進行擦除（幾十字節到幾百字節為一個扇區），也可以全片快速擦除。而編程則是按字節進行的。

（3）完善的數據保護功能

Flash Memory具有以下5種軟硬件保護功能，保證片內數據不會意外丟失。

① 噪聲濾波器：所有的控制線都有過濾電路，以消除任何小于15 ns的噪聲脈沖。

② VCC感應器：一般VCC跌至3.8V以下（對3V器件為1.8V以下）時，編程將被禁止。

③ 上電延遲：VCC在上電后的5ms內，編程被禁止。

④ 三線控制：OE、CE及WE三條控制線只要一條不處于正確電平，編程將被禁止。

⑤ 軟件數據保護：所有對Flash Memory的數據的改寫都需要通過編程算法完成。

在單片機系統中主要采用大容量的Flash Memory，如果單片機內存小于存儲器存儲容量，對Flash Memory的訪問可通過分頁面的方法來進行，詳細的接線方法見7.3節。