2.3 存储器电路

2.3.1 存储器概述

存储器是用来存放数据的集成电路或介质，常见的存储器有半导体存储器（ROM、RAM）、光存储器（如CD、VCD、MO、MD、DVD）、磁介质存储器（如磁带、磁盘、硬盘）等。存储器是计算机极为重要的组成部分，有了它计算机才具有存储信息的功能，才能使计算机可以脱离人的控制自动工作。单片机嵌入式系统中主要使用的存储器是半导体存储器，从使用功能上，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类。RAM主要用于存放各种现场数据、中间计算结果，以及主机与外设交换信息等，它的存储单元的内容既可读出，又可写入。ROM中存储的信息只能读出，不能写入，如PC主板上的存放BIOS程序的芯片就是ROM存储器。

在单片机系统中，RAM存储器常用来作为数据存储器，ROM存储器常用来作为程序存储器。RAM存储器的优点是读/写方便，使用灵活，但断电后RAM中的信息会丢失，为易失性存储器。ROM存放的数据一般不能用简单的方法对其内容进行改写，正常使用时主要对其进行读取操作，一般用于存放程序或一些固定的数据，一般在使用之前由生产厂家或用户将内容直接写入器件中。ROM存储器的优点是在断电时信息不会丢失，为非易失性存储器。但写入数据较为复杂，如何写入数据通常与ROM的类型有关。

2.3.2 存储器有关概念

1.存储元

计算机中最小的信息单位是bit，也就是一个二进制位。存储元是存储器的最小存储单位，是组成存储器的基础和核心，其作用是用来存放1位二进制代码0或1。任何具有两个稳定状态（双稳态）的物理器件都可以用来作为存储元。存储元也称为存储位元。

2.存储单元

在存储器中有大量的存储元，把它们按一定的规则划分为组，组内所有的存储元同时进行读出或写入操作，这样的一组存储元称为一个存储单元。

一个存储单元包含若干存储元，其具体数量和存储器组织有关。一般以8个存储元作为1个存储单元，也就是1个字节。也可以16个存储元作为1个存储单元，也就是2个字节。

在存储器中每个存储单元都有一个唯一的整数编码，称为存储地址或字地址。计算机通过这个地址访问相应的存储单元。

存储单元一般用十六进制数表示，而每一个存储器地址中又存放着一组二进制表示的数，通常称为该地址的内容。值得注意的是，内储单元的地址和地址中的内容两者是不一样的。前者是存储单元的编号，表示存储器总的一个位置，而后者表示这个位置里存放的数据。正如一个是房间号码，另一个是房间里住的人一样。

3.存储容量

存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量。

存储容量大小由存储器的地址线和数据线多少决定。假设某存储器芯片有M条地址线和N条数据线，则M决定了存储单元数，N决定了每个存储单元的数据位数。

芯片的存储容量=存储单元数×每个存储单元的数据位数=2M×N。例如，RAM存储器RAM 62256的地址线为A0～A14，共15线，数据线为D0～D7，共8线，则该存储器容量为215×8=262144存储元。

半导体存储器芯片是以位b（Bit）为基本单位说明其存储容量的。但通常我们是以字节B（Byte）为基本单位说明其存储容量的。

每一千个字节称为1KB，注意，这里的“千”不是我们通常意义上的1000，而是指1024。即1KB=210B=1024B。更大的存储单位是MB（220B）、GB（230B）、TB（240B）。

另外，需要注意的是，存储产品生产商会直接以1GB=109B，1MB=106KB，1KB=103B的计算方式统计产品的容量，这就是为何买回的存储设备容量达不到标称容量的主要原因。

下面将分别简介RAM和ROM两大类存储器。

2.3.3 RAM存储器

RAM存储器是指断电时信息会丢失的存储器，但是这种存储器可以现场快速地修改信息，所以RAM存储器是可读/写存储器，一般都作为数据存储器使用，用来存放现场输入的数据，或者存放可以更改的运行程序和数据。根据其工作原理不同，可分为以下两类：基于触发器原理的静态读/写存储器（Static RAM，SRAM）和基于分布电容电荷存储原理的动态读写存储器（Dynamic RAM，DRAM）。前者相对读/写速度快，且大多数与相同的程序存储器EPROM引脚基本兼容，利于印制板电路设计，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，功耗相对较低，但是由于分布电容上的电荷会随时间而泄漏减少，为保持其内容，需要对其周期性地刷新（即对电容充电），这就需要增加一个刷新电路，附加额外的成本。

一般SRAM用于仅需要小于64KB数据存储器的小系统，如单片机系统，或作为大系统中的高速缓冲存储器，如PC的CPU中的Cache；而DRAM常用于需要大于64KB的大系统，这样刷新电路的附加成本会被大容量的DRAM的低功耗、低成本等利益所补偿，大容量数据存储器采用DRAM是最经济的方案。

选择SRAM的另一个依据是当需要用电池作为后备电源进行数据保护时，应该采用CMOS SRAM。这是因为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电源电压且在功耗极低的情况下就可以保持芯片中的数据信息。虽然用电池作为后备电源也可以保护DRAM中的数据，但是由于DRAM需要连续地动态刷新保持数据不变，这就需要给整个存储器支持系统提供电功率，由此势必需要使用大容量的电池作为后备电源，因此在单片机系统中常采用SRAM作为数据存储器。

SRAM的基本结构如图2.26所示。RAM的结构大体由三部分组成：用于选择存储单元的地址译码器、由存储单元所构成的存储单元矩阵、控制数据流向的输入/输出电路（包括读/写控制电路、片选信号及输出缓冲器）。存储器和外部设备的数据交换是通过数据线进行的，为了节约数据线，一般采用读/写共享数据线的方式，其上的数据流向由读/写控制电路决定。在存储器电路中，通常把数据线上一次能传送的数据称为一个字，如8位数据线所传送的字含8位二进制信息，称字长为8。

每个存储元可存储1位二进制信息，存储元常排列成矩阵的形式，构成存储体。如一个1024字×1位的存储芯片，常排列成32×32的矩阵形式，它表示有1024个可寻址的逻辑单元，可存储1024个字，由这样的4个存储芯片就可组成1024字×4位的存储器。

为了能够对每个存储单元进行读/写操作，各单元必须有各自的单元地址。当输入一个地址码时，利用地址译码器就可以在存储矩阵中找到相应的存储单元。

读/写控制电路用于控制对存储单元的读或写操作。存储器所设置的片选信号，使得只有在该片选信号有效时，才可以进行读/写操作。输出缓冲器常采用漏极开路电路或三态输出电路，以便存储器的输出可以并联使用，从而扩充了存储单元。下面对各组成部分分别加以介绍。

1.地址译码方式

地址译码有两种方式，一种是单译码方式，或称为字结构方式，适用于小容量存储器；另一种是双译码方式，或称为X-Y译码结构。译码结构中，把地址译码输出线称为字选线，简称字线。每个存储单元有两条传输数据的原码与反码的数据位线，简称位线。位线是存储体内的数据传输线，每一列中各存储单元的位线是连通的，被选中单元的位线通过输入/输出电路可以与存储器的数据总线相连。

（1）单译码结构

图2.27所示为一种单译码结构的16字×4位的存储器，共有64个存储单元，排列成16行×4列的矩阵，每个小方块表示一个存储单元。电路设有4根地址线，可寻址24=16个地址逻辑单元，若把每个字的所有4位视为一个逻辑单元，使每个逻辑单元的4个存储单元具有相同的地址码，译码电路输出的这16根字线刚好可以选择16个逻辑单元，每选中一个地址，对应字线的4位存储单元同时被选中。选中的存储单元将与数据位线连通，即可按照要求实现读或写操作了。

（2）双译码结构

图2.28所示为一个双译码结构的16字×1的地址译码存储器。视每个字的1位存储单元构成一个逻辑单元，图中每个小方块表示一个逻辑单元。16个可寻址逻辑单元排列成4×4的矩阵，为减少地址译码电路的输出数量，采用双重译码结构，每个地址译码的输出线数为22=4根（单译码方式需16根地址输出线）。图中，A0、A1是行地址码，A2、A3是列地址码。行、列地址经译码后分别输出4根字线X0～X3和Y0～Y3。X字线控制矩阵中的每一行是否与位线连通，一行中究竟哪个逻辑单元被选中则由Y字线控制。被选中的单元将与数据线连通，以交换信息。

2.读/写控制电路

在RAM结构中，读出和写入的数据线是公用的，为了控制电路中数据的流向，设立了专门的读/写控制电路。

图2.29所示为1位数据的读/写控制电路。门G1、G2是控制信号为高电平有效的三态门，I/O线即为RAM的外接数据总线。在控制信号的作用下，它可以与存储单元的内部数据线D接通或断开。

当片选信号CS=0有效时，读/写控制信号WE可以控制信号的流向。若WE=1时，外电路向存储器读取数据，门G4导通，输出高电平，门G3截止，对应输出给三态门G1的控制信号无效，G1输出高阻状态，G2开启，D上的数据通过G2送到总线I/O上，实现读操作。当WE=0时，情况刚好和前面相反，这时G1开启，G2输出高阻状态，数据只能由I/O送给D，实现写操作。

目前大多数存储器采用独立的两根信号线完成读写控制。其内部电路与图2.29略有不同。

单片机系统常用的SRAM主要技术特性如表2.22所示。

表2.22 常用SRAM主要技术特性

3.静态RAM 62256

（1）引脚图

RAM 62256是一个32K×8位的静态随机读/写存储器芯片，其引脚包含地址线15条，数据线8条，1个片选端，一个写允许端和一个输出允许端。该芯片功耗极低，在未选中时仅2.5W，工作时也仅40mW，很适合于用电池供电的RAM电路。图2.30所示为RAM62256引脚图。

引脚说明：A0～A14为地址线，D0～D7为数据线，为片选线；为输出允许，为写允许，VCC为工作电源（5V），GND为接地。

（2）工作方式表

RAM 62256工作方式如表2.23所示。

（3）连接使用方法

用户对存储器芯片的使用，实际上是如何按规定的地址范围把它同CPU的系统总线正确地连接起来的问题。正常芯片的数据总线可以直接接到系统的数据总线上，地址线可直接连接到系统总线的地址线上，余下的问题是芯片的各控制端如何处理，即控制总线的接法。现以RAM 62256芯片与CPU总线连接为例加以说明。

表2.23 RAM 62256工作方式

在RAM 62256的数据总线和地址总线按一般规律连接后和引脚可直接与和相接，用总线的读/写信号控制芯片的读/写操作。的连接必须保证在要求的地址范围内，片选信号低有效，这就存在如何处理总线的高位地址线的问题。在图2.31中，从CPU的高位地址线A15产生信号，因为RAM 62256的为低有效，所以对于图2.31（a）所示的接法，当A15=0时选中RAM 62256，RAM 62256的地址确定为0000H～7FFFH，而对于图2.31（b）所示接法，当A15=1时选中RAM 62256，RAM 62256的地址确定为8000H～FFFFH。

RAM 62256写入数据的过程如下：

① 在芯片的A0～A14上加入要写入的单元的地址；

② 在D0～D7上加上要写入的数据；

③ 在上加上有效的低电平；

④ 在上加上有效的低电平；

⑤ 在上加上高电平。

这样就将数据写到了地址所选中的单元中。

RAM 62256读出数据的过程如下：

① 在芯片的A0～A14上加入要写入的单元的地址；

② 在上加上有效的低电平；

③ 在上加上低电平；

④ 使为高电平。

这样相应地址的数据便送到了D0～D7供读取。

2.3.4 ROM存储器

前已述及，只读存储器（ROM）的特点是：其内容是预先写入的，而且一旦写入，使用时就只能读出不能改变，掉电时也不会丢失，ROM器件还具有结构简单、信息度高、价格低、非易失性和可靠性高等特点。对ROM内容的设定（写入）称为编程。大多数单片机系统都需要某种形式的ROM存储器存储程序。ROM的种类较多，按存储内容的写入（常称为编程）方式可分为固定ROM、可编程的PROM、可擦可编程的EPROM三类。可擦可编程的EPROM又分为UV-EPROM（紫外线擦除可编程，人们常把UV-EPROM称为EPROM）、E2PROM（电擦除可编程）、Flash E2PROM（闪速存储器）。

固定ROM又称Mask ROM，需要存储的信息由ROM制造厂家写入，信息存储可靠性最高，当用量很大时，单片成本最低。

可编程PROM又称OTP ROM，需要存储的信息由用户使用编程器写入，信息存储可靠性次之，单片成本较低，只能使用一次，目前已较少使用。

可擦可编程的EPROM，存储的信息可由用户通过光或电的方法擦除，需要存储的信息由用户使用编程器写入，信息存储可靠性较低，单片成本较高。但由于其可反复使用，故得到大多数中小用户的青睐。

这一类存储器以闪速存储器Flash E2PROM系列发展最快。闪速存储器是Intel公司20世纪90年代初发明的一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器，它既有E2PROM的特点，又有RAM的特点，因而是一种全新的存储结构。所谓的固态盘、U盘、MP3、CF卡等移动存储器都是以Flash E2PROM作为存储介质的。

1.ROM的结构与工作原理

ROM的结构与RAM十分相似，如图2.32所示，它由存储矩阵、地址译码器、输出缓冲器电路组成。地址译码器可以是单译码，也可以是双译码。

2.ROM的点阵结构表示法

如图2.33所示，将存储器字线和位线画成相互垂直的一个阵列，每一个交叉点对应一个存储元，交叉点上有黑点表示该存储元存1，无黑点表示该存储元存0，这就是存储器的点阵图表示方法。ROM点阵结构表示法是一种新思路，它对后来其他可编程器件的发展起到了奠基作用。

在图2.33中，如果把ROM视为组合逻辑电路，则地址码A1A0是输入变量，数据码D3～D0是输出变量，由上图可得输出函数表达式：

逻辑函数是与或表达式，每一条字线对应输入变量的一个最小项。由此可列出逻辑函数真值表，如表2.24所示。

表2.24 图2.33中ROM存储器的内容

3.可用紫外线擦除可编程只读存储器EPROM

EPROM是Erasable Programmable Read Only Memory的缩写，因为其擦除方法是用紫外线照射，所以又称为可用紫外线擦除可多次编程的ROM-UV-EPROM（Ultraviolet-Erasable Programmable Read Only Memory）。用户可多次改写内容，改写时需要宽度约为50ms的高电压编程脉冲，EPROM芯片外壳上方有窗口，当用紫外线通过这个窗口照射时，写入的信息被擦除。为避免EPROM的内容在外来光线照射下慢性自动擦除，通常用一种不透光的标签粘贴在窗口上。EPROM存储芯片的基本用法与RAM大致相同。

（1）引脚与接线

图2.34所示为64KB芯片EPROM 27C512外引脚及与CPU的接线方法。其中，A0～A15为地址线，O0～O7为数据线，为片选线，为输出允许，VCC为工作电源（5V），GND为接地。

27C512是64KB的EPROM，28脚双列直插式封装，地址线为16条，8位数据线带三态输出缓冲，为片选信号接地，表示在0000H～FFFFH范围内全部选中27C512，OE为允许输出引脚，读出时只需单一的+5V电源，O0～O7为三态输出，与TTL电平兼容。读周期类似于RAM，当地址引脚上出现读出单元地址，和OE都为低电平时，从O0～O7端可读到数据。

部分EPROM主要技术特性如表2.25所示。新一代的单片机芯片内部都集成了32～64KB大容量的程序存储器，所以单片机系统中已很少使用EPROM电路。

（2）编程操作

EPROM在工厂提供的产品未被编程前，所有的位都是逻辑1状态，用户根据需要使用专用设备编程器把逻辑0状态写入所希望的位。如果要把已经写入的逻辑0改写成逻辑l，不能用编程器实现，唯一的方法就是通过对EPROM芯片石英玻璃窗口照射一定剂量的紫外线，擦除芯片整片的信息后再重新编程。

表2.25 部分EPROM主要技术特性

4.电可擦除可编程只读存储器E2PROM（E2PROM）

E2PROM是一种具有掉电记忆功能的存储器，其引脚与接线同SRAM，内容也可以像普通RAM一样进行改写，而且改写时能够自动擦除并换成新内容。它不像EPROM那样需要紫外线擦除；而只需用电即可擦除并改写存储在其内部的内容。E2PROM通常在内部带有编程电源。由于它只需外接单一的+5V电源，因此使用起来十分方便。

E2PROM的主要缺点是成本高，擦除和改写的速度慢。

2.3.5 闪速存储器

闪速存储器（Flash Memory）可以用来存放程序，但由于其读写方便，也可以像RAM一样存放需要修改的数据，但由于擦写寿命限制，Flash Memory并不适合于数据频繁改写的场合，现场使用多以读为主。与其他类型半导体存储器相比较，Flash Memory具有大容量、读/写方便、非易失性和低成本4个显著优点，在单片机控制系统和移动信息设备中得到广泛的应用。随着市场对Flash Memory需求的不断扩大，各大半导体厂商正不断推出功能更强、容量更大的Flash Memory产品，技术也日趋成熟。新一代闪速存储器的特点及其功能描述如下。

（1）低电压在线编程，使用方便，可多次擦写

现代的Flash Memory都只使用5V或3V单电源供电，而编程时所需的高压及时序均由片内的编程电路自动产生，外围电路少，编程就像装载普通RAM一样简单，而高压编程电流也只有几毫安，因此非常适合于在应用系统中（尤其在低电压系统中）进行在线编程和修改，因而在智能化的工业控制和家电产品等方面都得到了很广泛的应用。其可重复擦写寿命也都在105次以上，能够满足许多场合的需要。

（2）按块/按扇区擦除，按字节编程

Flash Memory产品，可以以小扇区为单位进行擦除（几十字节到几百字节为一个扇区），也可以全片快速擦除。而编程则是按字节进行的。

（3）完善的数据保护功能

Flash Memory具有以下5种软硬件保护功能，保证片内数据不会意外丢失。

① 噪声滤波器：所有的控制线都有过滤电路，以消除任何小于15 ns的噪声脉冲。

② VCC感应器：一般VCC跌至3.8V以下（对3V器件为1.8V以下）时，编程将被禁止。

③ 上电延迟：VCC在上电后的5ms内，编程被禁止。

④ 三线控制：OE、CE及WE三条控制线只要一条不处于正确电平，编程将被禁止。

⑤ 软件数据保护：所有对Flash Memory的数据的改写都需要通过编程算法完成。

在单片机系统中主要采用大容量的Flash Memory，如果单片机内存小于存储器存储容量，对Flash Memory的访问可通过分页面的方法来进行，详细的接线方法见7.3节。