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0.3.5 RAM(随机访问存储器)
2015-12-01 16:54:58     我来说两句
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本文所属图书 > 深入理解8051单片机系统

本书详细介绍了8051单片机的各种功能。主要内容包括8051微控制器、8051汇编语言编程、跳转指令、循环指令、调用指令、I O端口编程、8051寻址方式、算术逻辑指令与程序、8051 C语音编程、8051硬件接线、8051定时  立即去当当网订购

因为当IC掉电时数据会丢失,所以RAM也称易失性(volatile)存储器。有时RAM也称为RAWM(读写存储器),这与ROM不同,ROM只能读不能写。总共有三种类型的RAM:静态RAM(SRAM)、NV-RAM(非易失性RAM)以及动态RAM(DRAM)。下面分别进行介绍。

SRAM(静态RAM)

静态RAM中的存储单元是由触发器组成的,所以不需要通过刷新来保存数据。这与下面要讨论的DRAM不同。使用触发器作为存储单元的问题是,每个单元至少需要6个晶体管,且每个单元 图0-11 2K×8 SRAM 引脚只能保存一位数据。随着近几年的发展,一个单元只需要四个晶体管了,但这还是太多,四个晶体管的使用以及CMOS技术的使用虽然可制造出高容量的SRAM,但还是远不如DRAM的容量高。

图0-11给出了SRAM芯片的引脚图,以下是6116 SRAM引脚的描述。


 

1. A0~A10用于地址输入,这11根地址线得到211=2K。

2. WE(写入使能)用于将数据写入SRAM(低电平使能)。

3. OE(输出使能)用于将数据从SRAM读出(低电平使能)。

4. CS(芯片选择)用于选择存储器芯片。

5. I/O 0~I/O 7用于数据I/O,其中8位数据线包含结构2K?8。

6116 SRAM的功能模块如图0-12所示,图0-13给出了将数据写入SRAM中的步骤。


 

1.提供地址给引脚A0~A10。

2.激活CS引脚。

3.使WE=0,同时OE=1。

4.提供数据给引脚I/O 0~I/O 7。

5.使WE=1,当WE信号上升沿到来时将数据写入SRAM。

下面是从SRAM中读取数据的步骤,如图0-14所示。


 

1.提供地址给引脚A0~A10。这是开始的访问时间(tAA)。

2.激活CS引脚。

3.当WE=1时,OE上的下降沿脉冲会读取芯片上的数据。

NV-RAM(非易失性RAM)

SRAM是易失性的,而另一种非易失性RAM的类型称为NV-RAM,就像其他的RAM一样,它允许CPU对它进行读和写,但是,当电源断电后数据不会丢失。也就是说,NV-RAM结合了RAM和ROM的优点:RAM的读和写能力,以及ROM的非易失性。为了存储内容,每个NV-RAM芯片由以下几部分组成。

1.它使用极节能(非常低的功耗)的CMOS构建SRAM单元。

2.它使用内置锂电池作为后备能源。

3.它使用智能控制电路。控制电路的主要作用是连续监控Vcc引脚来检测外部电源的供电情况。当Vcc引脚的电源降到最低限度时,控制电路就会自动转换到内部电源即锂电池,内部锂电池电源只在当外部电源断开时才用来保存NV-RAM中的内容。

需重点强调的是,当这三个部件集合到单个的IC芯片中时,非易失性RAM就成了单位比特价格非常昂贵的一种RAM。但与它昂贵的价格对应的是,它能在断电后还能保存内容达数十年并能像SRAM一样进行读/写。表0-7给出了一些SRAM和NV-RAM零件的例子。



 

 DRAM(动态RAM)

自早期的计算机时代以来,寻找大量的、便宜的读/写存储器就成为计算机设计人员主要关心的问题之一。到18世纪70年代后,英特尔公司就生产出第一个动态RAM(随机存取存储器),它的密度(容量)是1024位,且它是使用电容来存储位的。使用电容来存储数据就减少了用来组建存储单元的晶体管,然而,它需要不断地刷新,因为有电容漏电的问题存在。这与SRAM(静态RAM)不同,静态RAM的单元是由触发器组成的。由于每个SRAM中的位都使用一个单独的触发器,而且每个触发器都需要6个晶体管,故SRAM的存储单元要大得多,密度也就比较低。使用电容器作为DRAM中的存储单元使得存储单元的大小变小很多。

DRAM存储器的优势和劣势可归纳如下:最主要的优势是高密度(容量)、低成本、低功耗;劣势就是必须要周期性地刷新,因为电容器单元会丢失电量,另外,在刷新的过程中不能访问数据。这与SRAM的触发器不同,SRAM只要是在通电的情况下就可以访问数据,而不需要刷新,且能在任何时候被访问。自20世纪70年代以来,DRAM的容量就呈现出一种爆炸性的增长,在1Kb(1024)芯片出现之后,于1973年就出现了4Kb芯片,然后在1976年有了16K芯片。20世纪80年代出现了64K、256K以及最终的1M和4M的存储器芯片。到20世纪90年代就出现了16M、64M、256M,且开始有1Gb的DRAM芯片。到21世纪初,2G位的芯片已经成为标准,而且随着制造工艺变得越来越精细,更大容量的存储芯片必将被生产出来。记住,当谈到IC存储器芯片时,容量是用位表示的,所以,1M芯片就代表1Mb芯片,256K芯片就代表256Kb芯片。而当谈到计算机系统存储器时,通常假设是使用字节表示的。

DRAM的封装问题

在DRAM中,有一个问题就是如何封装大数量的单元到芯片中,而这个芯片只有普通的分配给地址的引脚数。

例如,一个64Kb芯片(64K×1)有16根地址线和一根数据线,如果使用传统方法,就需要16个引脚来发送地址且还不算连接Vcc电源、接地以及读/写控制的引脚。如果使用传统访问数据的方法,就不能达到实现高密度和小封装的目的,所以不太被IC设计者支持。因此,为了减少所需的地址引脚数,就要使用多路复用或多路分解技术,这种方法是将地址分成两半,每半地址都使用同样的引脚传入芯片,这就减少了地址引脚的数量。内部的DRAM被分成由行和列构成的矩阵,地址的第一半叫做行,地址的第二半叫做列。例如,在DRAM的64K×1结构中,第一个半位地址通过A0~A7这8个引脚送入,再通过RAS(行地址选通)使能,DRAM内部的锁存器得到第一个半位地址;第二个半位地址通过同样的引脚送入,通过CAS(列地址选通)使能,DRAM内部的锁存器得到第二个半位地址。这样,就只用了8个地址引脚以及RAS和CAS引脚,即总共用了10个引脚。如果不使用复用方法,就需要使用16个引脚。为了访问DRAM的数据位,就必须提供行和列地址。为了使用这种方法,就必须在DRAM电路外部加2-1的多路复用器,且在每个DRAM芯片内部有多路分解器。因为DRAM接口技术(RAS、CAS需要多路复用器和刷新电路)的复杂性,一些DRAM控制器被设计出来以使得DRAM接口技术变得更加简单。然而,对于一些不需要很大容量RAM(通常小于64KB)的小型微控制器工程,使用EEPROM和NV-RAM类型的SRAM就够了,而不必使用DRAM。

DRAM结构

在讨论ROM时,我们注意到所有这种芯片都有8个数据引脚。而DRAM存储器芯片有×1、×4、×8或×16的结构,如例0-15以及表0-8所示。


 

 图0-15 256K×1DRAM在存储器芯片中,数据引脚也称为I/O,在一些DRAM中被分成Din和Dout引脚。图0-15所示为一个256K×1DRAM芯片,它带有地址A0~A8,RAS和CAS,WE(可写)、数据输入/输出引脚以及电源和接地引脚。


 

例0-15讨论用于下面每小题的引脚数:(a)16K×4DRAM;(b)16K×4SRAM。

解:因为214=16K:

(a)对于DRAM,有7个引脚(A0~A6)用于地址,2个引脚用于RAS和CAS。

(b)对于SRAM,有14个引脚用于地址,而没有引脚用于RAS和CAS,因为它们只与DRAM连接。对于这两种情况,有4个引脚用于数据总线。

复习题

1. 24KB是多少字节?

2.“RAM”代表什么?它是怎样用于计算机系统的?

3.“ROM”代表什么?它是怎样用于计算机系统的?

4.为什么RAM叫做易失性存储器?

5.列出计算机系统的三个主要部件。

6.“CPU”代表什么?解释它在计算机中的作用。

7.半导体存储器速度的范围是(  )。

(a)微秒;(b)毫秒;(c)纳秒;(d)皮秒。

8.根据下面的ROM地址和数据引脚数找出芯片结构和芯片容量。

(a)14地址,8数据;(b)16地址,8数据;(c)12地址,8数据。

9.根据下面的RAM地址和数据引脚数找出芯片结构和芯片容量。

(a)11地址,1数据SRAM;(b)13地址,4数据SRAM;

(c)17地址,8数据SRAM;(d)8地址,4数据DRAM;

(e)9地址,1数据DRAM;(f)9地址,4数据DRAM。

10.根据下面的结构给出用于存储器芯片的数据和地址引脚数。

(a)16K×4SRAM;(b)32K×8EPROM;(c)1M×1DRAM;

(d)256K×4SRAM;(e)64K×8EEPROM;(f)1M×4DRAM。

11.下面(   )是易失性存储器?

(a)EEPROM;(b)SRAM;(c)DRAM;(d)NV-RAM。

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