存储器的工作原理

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　　在计算机硬件中，用于储存统计数据和命令等的记忆力构件，称为存储器。存储器是由一些编号的单元所组成。单元的编号叫做地址。计算机对存储器的要求是：一要存取速度快，二要存储容量大。那么存储器的工作过程是如何的呢?下面一起来看看：

　　1.存储器概念

　　存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等;在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。

　　计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)，也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

图1 存储器

　　2.存储单元

　　构成存储器的存储介质，存储单元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

图2 存储器外形

　　3.功能特点

　　存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。

　　每个单元的数据(或指令)平常不改变，但当输入另一个数据(或指令)时，则原来的数据(或指令)就消失，而存入了新的数据(或指令)。一个数据(或指令)送出时，单元内还保留原状。当一个数据(或指令)要从存储器内取出或送入时，控制器要先给出一条命令，从命令发出的时刻到数据(或指令)取出或送入存储器的时刻，需要一段时间，这段时间叫做存取时间，也叫做存取周期。存储器的存储量和存取周期是两个重要参数。

图3 存储芯片

　　4.工作原理

　　这里只介绍动态存储器(DRAM)的工作原理。动态存储器每片只有一条输入数据线，而地址引脚只有8条。为了形成64K地址，必须在系统地址总线和芯片地址引线之间专门设计一个地址形成电路。使系统地址总线信号能分时地加到8个地址的引脚上，借助芯片内部的行锁存器、列锁存器和译码电路选定芯片内的存储单元，锁存信号也靠着外部地址电路产生。

　　当要从DRAM芯片中读出数据时，CPU首先将行地址加在A0-A7上，而后送出RAS锁存信号，该信号的下降沿将地址锁存在芯片内部。接着将列地址加到芯片的A0-A7上，再送CAS锁存信号，也是在信号的下降沿将列地址锁存在芯片内部。然后保持WE=1，则在CAS有效期间数据输出并保持。

　　当需要把数据写入芯片时，行列地址先后将RAS和CAS锁存在芯片内部，然后，WE有效，加上要写入的数据，则将该数据写入选中的存贮单元。

　　由于电容不可能长期保持电荷不变，必须定时对动态存储电路的各存储单元执行重读操作，以保持电荷稳定，这个过程称为动态存储器刷新。PC/XT机中DRAM的刷新是利用DMA实现的。首先应用可编程定时器8253的计数器1，每隔1⒌12μs产生一次DMA请求，该请求加在DMA控制器的0通道上。当DMA控制器0通道的请求得到响应时，DMA控制器送出到刷新地址信号，对动态存储器执行读操作，每读一次刷新一行。

图4 各种存储器

　　5.性能指标

　　1.存储容量：指它可存储的信息的字节数或比特数，通常用以下格式来表示：

　　存储字数(单元数)×存储字长(每单元的比特数)

　　例如：

　　1Mb=1M×1bit=128k×8bit=256k×4bit=1M位

　　1MB=1M×8bit=1M字节

　　2.存取时间(访问时间)TA：从存储器接收到读/写命令到信息被读出或写入完成所需的时间(决定于存储介质的物理特性和寻址部件的结构)。

　　例如：

　　ROM存取时间通常为几百ns;

　　RAM存取时间通常为几十ns到一百多ns;

　　双极性RAM存取时间通常为10～20ns。

　　3.存储周期TM：指在存储器连续读/写过程中一次完整的存取操作所需的时间或者说是CPU连续两次访问存储器的最小时间间隔。

　　(有些存储器在完成读/写操作后还有一些附加动作时间或恢复时间，例如刷新或重写时)TM略大于TA。

　　4.可靠性：平均故障时间间隔时间(MTBF)，即两次故障之间的平均时间间隔。

　　EPROM重写次数在数千到10万次之间;

　　ROM数据保存时限是20年到100多年。

　　5.性能价格比：存储器的性能包括以上几个方面，但是成本也占有很大的比重。因此，常以性能价格比来衡量，即高性能，低价格。

　　本文介绍了存储器的概念、存储单元、功能特点以及工作原理。由于存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能，所以存储器的选择是一个非常重要的决策。无论系统是采用电池供电还是由市电供电，应用需求将决定存储器的类型(易失性或非易失性)以及使用目的(存储代码、数据或者两者兼有)。另外，在选择过程中，存储器的尺寸和成本也是需要考虑的重要因素。