單片機存儲器,單片機存儲器結構原理是什么?
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存儲器是單片機的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結構示意圖。其中每個存儲單元對應一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進制數(shù)表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數(shù)來表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個概念，不能混淆。
一、程序存儲器
程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構成的機器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫成二進制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時設置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個字節(jié)，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內使用內部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動訪問外部程序存儲器。
二、數(shù)據(jù)存儲器
單片機的數(shù)據(jù)存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數(shù)據(jù)。8051內部有256個單元的內部數(shù)據(jù)存儲器，其中00H～7FH為內部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實際使用時應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數(shù)據(jù)存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來在學習指令系統(tǒng)和程序設計時會經常用到它們。8051內部數(shù)據(jù)存儲器地址由00H至FFH共有256個字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數(shù)據(jù)RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節(jié)中，還開辟有一個所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進制數(shù)，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。
三、特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數(shù)器PC和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關，另一類作片內功能的控制用。與芯片引腳有關的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應的輸出驅動器和輸入緩沖器就構成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標志寄存器PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關部分再作進一步介紹
單片機內部存儲結構分析
我們來思考一個問題，當我們在編程器中把一條指令寫進單片要內部，然后取下單片機，單片機就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個地方，并且這個地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會丟失，這是個什么地方呢？這個地方就是單片機內部的只讀存儲器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個數(shù)字寫進去了嗎？原來在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設備對ROM進行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數(shù)據(jù)寫進去，所以我們還是把它稱為ROM。
數(shù)的本質和物理現(xiàn)象：我們知道，計算機能進行數(shù)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，怎么能進行數(shù)學運算呢？我們做數(shù)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(tài)，我們能用’0’和’1’來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為’1’，不亮為’0’?，F(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) |
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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(shù)嗎？本來，燈的亮和滅只是一種物理現(xiàn)象，可當我們把它們按一按的次序排更好后，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，是因為輸出電路輸出高電平，給燈通了電。因此，燈亮和滅就能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程呢？（海軍之）燈語、旗語，電報，甚至紅、綠燈）
什么是位：
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，能代表兩種狀態(tài)：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。
什么是字節(jié)：
一根線能表于0和1，兩根線能表達00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是能表于0到3，而三根能表達0-7，計算機中常常用8根線放在一起，同時計數(shù)，就能表過到0-255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個字節(jié)（BYTE）。不要問我為什么是8根而不是其它數(shù)，因為我也不知道。（計算機世界是一本人造的世界，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(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，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的1234這樣的數(shù)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。
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圖2〈存儲器構造〉
圖3〈存儲器構造〉讓我們看圖2。單片機里面都有這樣的存儲器，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，你能把電線想象成水管，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(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個“單元”。
有了這么一個構造，我們就能開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進一個數(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2，一個存儲器有好多單元，線是并聯(lián)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(shù)，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(shù)據(jù)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，這樣電荷就能自由流動了，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，只要控制不一樣單元的控制線，就能向各單元寫入不一樣的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開對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(shù)量。我們有一種辦法稱這為譯碼，簡單介紹一下：一根線能代表2種狀態(tài)，2根線能代表4種狀態(tài)，3根線能代表幾種，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根線就能代表了。
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(shù)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管腳進來后，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(shù)據(jù)，或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)寫入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫信號，開關就合上了，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，開關合上，數(shù)據(jù)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，但是由于片選端不一樣，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。那么會不一樣時選中兩片芯片呢？只要是設計好的系統(tǒng)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(xiàn)同時出現(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，誰者能走。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
按功能能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能從里面讀，不能寫進去，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容，不能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，即隨時能改寫，也能讀出里面的數(shù)據(jù)，它類似于我們的黑板，我能隨時寫東西上去，也能用黑板擦擦掉重寫。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。不然，只讀存儲器中的數(shù)據(jù)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，能當它還是原材料——白紙的時候，當然能由印刷廠印上去了。
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，能寫東西上去，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，能用一種特殊的辦法去掉后重寫，這就是用紫外線照射，紫外線就象“消字靈”，能把字去掉，然后再重寫。當然消的次數(shù)多了，也就不靈光了，所以這種芯片能擦除的次數(shù)也是有限的——幾百次吧。
FLASH，稱之為閃速存儲器，它和EPROM類似，寫上去的東西也能擦掉重寫，但它要方便一些，不需要光照了，只要用電學辦法就能擦除，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。
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