单片机与嵌入式系统2B

1、 存储器存储器 两个稳定的物理状态来存储二进制信息两个稳定的物理状态来存储二进制信息 分为内存和外存分为内存和外存 内部存储器的类型：内部存储器的类型： (1) (1) 随机存储器随机存储器(random access memory(random access memory，简称，简称RAM) RAM) 随机存储器随机存储器( (又称读写存储器又称读写存储器) )指通过指令可指通过指令可以随机地、个别地对各个存储单元进行访问，一般以随机地、个别地对各个存储单元进行访问，一般访问所需时间基本固定，而与存储单元地址无关。访问所需时间基本固定，而与存储单元地址无关。 (2) (2) 只读存储器只读存

2、储器(read only memory,(read only memory,简称简称ROM)ROM) 只读存储器是一种对其内容只能读不能写入的只读存储器是一种对其内容只能读不能写入的存储器，在制造芯片时预先写入内容。存储器，在制造芯片时预先写入内容。 它通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、它通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。由于它和读写存储器分享主存字符及图形符号等。由于它和读写存储器分享主存储器的同一个地址空间，故仍属于主存储器的一部储器的同一个地址空间，故仍属于主存储器的一部分。分。 (3) (3) 可编程序的只读存储器可编程序的只读存储器(programmab

3、le ROM,(programmable ROM,简简称称PROM)PROM) 一次性写入的存储器，写入后，只能读出其一次性写入的存储器，写入后，只能读出其内容，而不能再进行修改。内容，而不能再进行修改。OTP(OTP(One Time Program ) ) (4) (4) 可擦除可编程序只读存储器可擦除可编程序只读存储器(Erasable PROM,(Erasable PROM,简称简称EPROM)EPROM) 可用紫外线擦除其内容的可用紫外线擦除其内容的PROMPROM，擦除后可再次，擦除后可再次写入。写入。 (5) (5) 可用电擦除的可编程只读存储器可用电擦除的可编程只读存储器(El

4、ectrically EPROM,(Electrically EPROM,简称简称E E2 2PROM)PROM) 可用电改写其内容的存储器，近年来发展起来可用电改写其内容的存储器，近年来发展起来的快擦型存储器的快擦型存储器(flash memory)(flash memory)具有具有E E2 2PROMPROM的特点。的特点。 上述各种存储器，除了上述各种存储器，除了RAMRAM以外，即使停电，以外，即使停电，仍能保持其内容，称之为仍能保持其内容，称之为“非易失性存储器非易失性存储器”，而，而RAMRAM为为“易失性存储器易失性存储器”。 MRAM(Magnetic Random Acce

5、ss Memory)GMR（Giant Magneto Resistance） 存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标 主要性能指标为主存容量、存储器存取时间主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。和存储周期时间。 计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，称为称为“字可寻址字可寻址”机器。机器。 一个存储字所包括的二进制位数称为字长。一个存储字所包括的二进制位数称为字长。一个字又可以划分为若干个一个字又可以划分为若干个“字节字节”。 现代计算机中，大多数把一个字节定为现代计算机中，大多数把一个字节定为8 8个个二进制位，因此，一个字的字长

6、通常是二进制位，因此，一个字的字长通常是8 8的倍数。的倍数。有些计算机可以按有些计算机可以按“字节字节”寻址，称为寻址，称为“字节可寻字节可寻址址”计算机。计算机。 以字或字节为单位来表示主存储器存储单元以字或字节为单位来表示主存储器存储单元的总数，就得到了主存储器的容量。的总数，就得到了主存储器的容量。 常用的计量存储空间的单位有常用的计量存储空间的单位有K K、M M、G G。 1K=2 1K=21010、1M=21M=22020、1G=21G=23030 存储器的速度，一般用存储器存储器的速度，一般用存储器存取时间存取时间和和存存储周期储周期来表示。来表示。 存取时间存取时间(memo

7、ry access time)(memory access time)又称存储器又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。该操作所经历的时间。 存储周期存储周期(memory cycle time)(memory cycle time)指连续启动两指连续启动两次独立的存储器操作次独立的存储器操作( (例如连续两次读操作例如连续两次读操作) )所所需间隔的最小时间。需间隔的最小时间。 通常，存储周期略大于存取时间，其差别与通常，存储周期略大于存取时间，其差别与主存储器的物理实现细节有关。主存储器的物理实现细节有关。 存储器的基本

8、操作存储器的基本操作 存储器用来暂时存储存储器用来暂时存储CPUCPU正在使用的指令和数据，正在使用的指令和数据，它和它和CPUCPU的关系最为密切。的关系最为密切。 总线包括数据总线、地址总线和控制总线。总线包括数据总线、地址总线和控制总线。 CPU CPU通过使用通过使用AR(AR(地址寄存器地址寄存器) )和和DR(DR(数码寄存数码寄存器器) )和主存进行数据传送。若和主存进行数据传送。若ARAR为为K K位字长，位字长，DRDR为为n n位字长，则允许主存包含位字长，则允许主存包含2 2K K个可寻址单位个可寻址单位( (字节或字节或字字) )。在一个存储周期内，。在一个存储周期内，

9、CPUCPU和主存之间通过总线和主存之间通过总线进行进行n n位数据传送。此外，控制总线包括控制数据位数据传送。此外，控制总线包括控制数据传送的读传送的读(read)(read)、写、写(write)(write)和表示存储器功能完和表示存储器功能完成的成的(ready)(ready)控制线。控制线。 读读/ /写存储器写存储器( (即随机存储器即随机存储器(RAM)(RAM) 半导体读半导体读/ /写存储器按存储元件在运行中能否写存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息来分，有长时间保存信息来分，有静态存储器静态存储器和和动态存储器动态存储器两种。两种。 静态存储器静态存储器利用双稳态触发

10、器来保存信息，只利用双稳态触发器来保存信息，只要不断电，信息是不会丢失的；要不断电，信息是不会丢失的； 动态存储器动态存储器利用利用MOSMOS电容存储电荷来保存信息，电容存储电荷来保存信息，使用时需不断给电容充电才能使信息保持。使用时需不断给电容充电才能使信息保持。 静态存储器静态存储器的集成度低，功耗大、速度快；的集成度低，功耗大、速度快； 动态存储器动态存储器的集成度高，功耗小，速度快；它的集成度高，功耗小，速度快；它主要用于大容量存储器。主要用于大容量存储器。图图5.2 MOS5.2 MOS静态存储器的存储单元静态存储器的存储单元 1. 静态存储器静态存储器(SRAM)MOSMOS静态

11、存储器结构图静态存储器结构图 读周期参数读周期参数 若片选信号先建立，其输入输出波形如图若片选信号先建立，其输入输出波形如图 (a)所示；所示； 若地址先建立，其输入输出波形如图所示。若地址先建立，其输入输出波形如图所示。描述写周期的开关参数描述写周期的开关参数 写周期的参数写周期的参数 2. 2. 动态存储器动态存储器(DRAM)(DRAM) (1) (1) 存储单元和存储器原理存储单元和存储器原理 早期位动态存储器所用的三管式存储单元，早期位动态存储器所用的三管式存储单元，下图是三管存储单元电路图。三管单元布线较下图是三管存储单元电路图。三管单元布线较复杂，所用元件仍较多，但电路稳定。复杂

12、，所用元件仍较多，但电路稳定。 三管存储单元电路图三管存储单元电路图目前是单管存储目前是单管存储单管存储单元线路图单管存储单元线路图 (2) (2) 再生再生(refresh)(refresh) DRAM DRAM是通过把电荷充积到是通过把电荷充积到MOSMOS管的栅极电容管的栅极电容或专门的或专门的MOSMOS电容中去来实现信息存储的。由于电容中去来实现信息存储的。由于电容漏电阻的存在，随着时间的增加，其电荷电容漏电阻的存在，随着时间的增加，其电荷会逐渐漏掉，从而使存储的信息丢失。为了保会逐渐漏掉，从而使存储的信息丢失。为了保证存储信息不遭破坏，必须在电荷漏掉以前就证存储信息不遭破坏，必须在

13、电荷漏掉以前就进行充电，以恢复原来的电荷。这一充电过程进行充电，以恢复原来的电荷。这一充电过程称为称为再生再生，或称为，或称为刷新刷新。 对于对于DRAMDRAM，再生一般应在小于或等于，再生一般应在小于或等于2ms2ms的的时间内进行一次。时间内进行一次。 SRAM SRAM则不同，由于则不同，由于SRAMSRAM是以双稳态电路为是以双稳态电路为存储单元的，因此它不需要再生。存储单元的，因此它不需要再生。 DRAMDRAM采用采用“读出读出”方式进行再生。方式进行再生。 对单管单元的读出是一种破坏性读出对单管单元的读出是一种破坏性读出( (若若单元中原来充有电荷，读出时，单元中原来充有电荷，

14、读出时，C CS S放电放电) )，而接，而接在单元数据线上的读放是一个再生放大器，在在单元数据线上的读放是一个再生放大器，在读出的同时，读放又使该单元的存储信息自动读出的同时，读放又使该单元的存储信息自动地得以恢复。地得以恢复。 由于由于DRAMDRAM每列都有自己的读放，因此，只每列都有自己的读放，因此，只要依次改变行地址，轮流对存储矩阵的每一行要依次改变行地址，轮流对存储矩阵的每一行所有单元同时进行读出，当把所有行全部读出所有单元同时进行读出，当把所有行全部读出一遍，就完成了对存储器的再生一遍，就完成了对存储器的再生( (这种再生称行这种再生称行地址再生地址再生) )。16K16K1 1

15、动态存储器框图动态存储器框图 (4) DRAM(4) DRAM与与SRAMSRAM的比较的比较 DRAM DRAM的优点。的优点。 使用简单的单管单元作为存储单元，因此，每使用简单的单管单元作为存储单元，因此，每片存储容量较大，约是片存储容量较大，约是SRAMSRAM的的4 4倍；由于倍；由于DRAMDRAM的地的地址是分批进入的，所以它的引脚数比址是分批进入的，所以它的引脚数比SRAMSRAM要少很多，要少很多，它的封装尺寸也可以比较小。这些特点使得在同一它的封装尺寸也可以比较小。这些特点使得在同一块电路板上，使用块电路板上，使用DRAMDRAM的存储容量要比用的存储容量要比用SRAMSRA

16、M大大4 4倍以上。倍以上。 DRAMDRAM的价格比较便宜，大约只有的价格比较便宜，大约只有SRAMSRAM的的1/41/4。 由于使用动态元件，由于使用动态元件，DRAMDRAM所需功率大约只有所需功率大约只有SRAMSRAM的的1/61/6。 DRAMDRAM作为计算机主存储器的主要元件得到了作为计算机主存储器的主要元件得到了广泛的应用，广泛的应用，DRAMDRAM的存取速度以及存储容量正在的存取速度以及存储容量正在不断改进提高。不断改进提高。 DRAM DRAM的缺点。的缺点。 由于使用动态元件，它的速度比由于使用动态元件，它的速度比SRAMSRAM要低。要低。 DRAMDRAM需要再

17、生，这不仅浪费了宝贵的时间，需要再生，这不仅浪费了宝贵的时间，还需要有配套的再生电路，它也要用去一部分功还需要有配套的再生电路，它也要用去一部分功率。率。SRAMSRAM一般用作容量不大的高速存储器。一般用作容量不大的高速存储器。 非易失性半导体存储器非易失性半导体存储器 即使停电，所存储的内容也不会丢失。即使停电，所存储的内容也不会丢失。 根据半导体制造工艺的不同，可分为根据半导体制造工艺的不同，可分为 ROM ROM、PROMPROM、EPROMEPROM、E E2 2PROMPROM、Flash MemoryFlash Memory。 1. 1. 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)

18、 掩模式掩模式ROMROM由芯片制造商在制造时写入内容，以由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读而不能再写入。后只能读而不能再写入。 2. 2. 可编程序的只读存储器可编程序的只读存储器(PROM)(PROM) PROM PROM可由用户根据自己的需要来确定可由用户根据自己的需要来确定ROMROM中的内中的内容，常见的熔丝式容，常见的熔丝式PROMPROM是以熔丝的接通和断开来表是以熔丝的接通和断开来表示所存的信息为示所存的信息为“1”1”或或“0”0”。刚出厂的产品，其。刚出厂的产品，其熔丝是全部接通的，使用前，用户根据需要断开某熔丝是全部接通的，使用前，用户根据需要断开某些单元的熔丝些单

19、元的熔丝( (写入写入) )。显而易见，断开后的熔丝是。显而易见，断开后的熔丝是不能再接通了，因此，它是一次性写入的存储器。不能再接通了，因此，它是一次性写入的存储器。掉电后不会影响其所存储的内容。掉电后不会影响其所存储的内容。 3. 3. 可擦可编程序的只读存储器可擦可编程序的只读存储器(EPROM)(EPROM) 为了能多次修改为了能多次修改ROMROM中的内容，产生了中的内容，产生了EPROMEPROM。其基本存储单元由一个管子组成，但与其他电路相其基本存储单元由一个管子组成，但与其他电路相比管子内多增加了一个浮置栅，如图比管子内多增加了一个浮置栅，如图5.155.15所示。所示。 EP

20、ROMEPROM存储单元和编程电压存储单元和编程电压 4. 4. 可电擦可编程序只读存储器可电擦可编程序只读存储器(E(E2 2PROM)PROM) E E2 2PROMPROM的编程序原理与的编程序原理与EPROMEPROM相同，但擦除原相同，但擦除原理完全不同，重复改写的次数有限制理完全不同，重复改写的次数有限制( (因氧化层被因氧化层被磨损磨损) ) ，一般为，一般为1010万次。其读写操作可按每个位或万次。其读写操作可按每个位或每个字节进行，类似于每个字节进行，类似于SRAMSRAM，但每字节的写入周期，但每字节的写入周期要几毫秒，比要几毫秒，比SRAMSRAM长得多。长得多。E E2

21、 2PROMPROM每个存储单元采每个存储单元采用两个晶体管。其栅极氧化层比用两个晶体管。其栅极氧化层比EPROMEPROM薄，因此具薄，因此具有电擦除功能。有电擦除功能。 5. 5. 快擦除读写存储器快擦除读写存储器(Flash Memory)(Flash Memory) Flash Memory Flash Memory是在是在EPROMEPROM与与E E2 2PROMPROM基础上发展基础上发展起来的，它与起来的，它与EPROMEPROM一样，用单管来存储一位信息，一样，用单管来存储一位信息，它与它与E E2 2PROMPROM相同之处是用电来擦除。但是它只能擦相同之处是用电来擦除。但

22、是它只能擦除整个区或整个器件。除整个区或整个器件。 快擦除读写存储器兼有快擦除读写存储器兼有ROMROM和和RAMRAM两者的性能，两者的性能，又有又有ROMROM，DRAMDRAM一样的高密度。目前价格已略低于一样的高密度。目前价格已略低于DRAMDRAM，芯片容量已接近于，芯片容量已接近于DRAMDRAM，是唯一具有大存储，是唯一具有大存储量、非易失性、低价格、可在线改写和高速度量、非易失性、低价格、可在线改写和高速度( (读读) )等特性的存储器。它是近年来发展很快很有前途的等特性的存储器。它是近年来发展很快很有前途的存储器。存储器。 Flash MemoryFlash Memory存储

23、单元和擦除电压存储单元和擦除电压 列出几种存储器的主要应用列出几种存储器的主要应用 存储器存储器应应 用用SRAMSRAMcachecacheDRAMDRAM计算机主存储器计算机主存储器ROMROM固定程序，微程序控制存储器固定程序，微程序控制存储器PROMPROM用户自编程序。用于工业控制机或电器中用户自编程序。用于工业控制机或电器中EPROMEPROM用户编写并可修改程序或产品试制阶段试用户编写并可修改程序或产品试制阶段试编程序编程序E E2 2PROMPROMICIC卡上存储信息卡上存储信息Flash Flash MemoryMemory固态盘，固态盘，ICIC卡卡 DRAMDRAM的研

24、制与发展的研制与发展 1. 1. 增强型增强型DRAM(EDRAM)DRAM(EDRAM) 增强型增强型DRAM(EDRAM)DRAM(EDRAM)改进了改进了CMOSCMOS制造工艺，使制造工艺，使晶体管开关加速，其结果使晶体管开关加速，其结果使EDRAMEDRAM的存取时间和周的存取时间和周期时间比普通期时间比普通DRAMDRAM减少一半，而且在减少一半，而且在EDRAMEDRAM芯片中芯片中还集成了小容量还集成了小容量SRAM cacheSRAM cache。 2. cache DRAM(CDRAM)2. cache DRAM(CDRAM) 其原理与其原理与EDRAMEDRAM相似，其主

25、要差别是相似，其主要差别是SRAM SRAM cachecache的容量较大，且与真正的的容量较大，且与真正的cachecache原理相同。原理相同。 在存储器直接连接处理器的系统中，在存储器直接连接处理器的系统中，cache cache DRAMDRAM可取代第二级可取代第二级cachecache和主存储器和主存储器( (第一级第一级cachecache在处理器芯片中在处理器芯片中) )。 CDRAM CDRAM还可用作缓冲器支持数据块的串行传送。还可用作缓冲器支持数据块的串行传送。 3. EDO DRAM3. EDO DRAM 扩充数据输出扩充数据输出(extended data out,(extended data out,简称简称EDO)EDO)，它在完成当前内存周期前即可开始下一内存周期的它在完成当前内存周期前即可开始下一内存周期的操作，因此能提高数据带宽或传输率。操作，因此能提高数据带宽或传输率。 4. 4. 同步同步DRAM(SDRAM)DRAM(SDRAM) 具有新结构和新接口的具有新结构和新接口的SDRAMSDRAM已被广泛应用于已被广泛应用于计算机系统中。它的读写周期计算机系统中。它的读写周期(10ns(10ns15ns)15ns)比比EDO EDO DRAM(20nsDRAM(20ns30ns)30ns)快。快。 典型的典型的D