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基于三轴加速度传感器的跌倒检测系统的研究
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3秒自动关闭窗口第5章存储器系统；本章主要介绍存储器的基本工作原理及各类半导体存储；5.1概述；5.1.1存储器的一般概念；存储器是计算机系统的记忆设备；存储器由一些能够表示二进制“0”和“1”的状态的；我们把存储器中存储单元的总数称为存储器的存储容量；存储器有两种基本操作---读和写；5.1.2存储器的分类；计算机的存储器，从体系结构的观点来划分，可根据其；内部存储器（简
存储器系统
本章主要介绍存储器的基本工作原理及各类半导体存储器与CPU的连接方法和使用。读者通过本章的学习，应对各类存储器芯片的基本工作原理和外部特性有所了解，掌握微机中存储系统的结构，并能够利用现有的存储器芯片构成所需要的内存空间。
5.1.1 存储器的一般概念
存储器是计算机系统的记忆设备。它用来存放计算机的程序指令、要处理的数据、运算结果以及各种需要计算机保存的信息，是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。从记忆信息的角度讲，计算机中的存储器就相当于人的大脑。
存储器由一些能够表示二进制“0”和“1”的状态的物理器件组成，这些器件本身具有记忆功能，如电容、双稳态电路等。这些具有记忆功能的物理器件构成了一个个存储元（如一个电容就是一个存储元），每个存储元可以保存一位二进制信息。若干个存储元就构成了一个存储单元。通常一个存储单元由8个存储元构成，可存放8位二进制信息（即一个字节，Byte）。许多存储单元组织在一起就构成了存储器。
我们把存储器中存储单元的总数称为存储器的存储容量。显然，存储容量越大，能够存放的信息就越多，计算机的信息处理能力也就越强。存储容量的单位为字节（B）、千字节（KB）或兆字节（MB），例如64KB、128MB等，而我们已经知道，CPU可以访问的内存容量为1MB。
存储器有两种基本操作---读和写。读操作是指从存储器中读出信息，不破坏存储单元中原有的内容，所以读操作是非破坏性的操作。写操作是指把信息写入（存入）存储器，新写入的数据将覆盖原有的内容，所以写操作是破坏性的。
5.1.2 存储器的分类
计算机的存储器，从体系结构的观点来划分，可根据其是设在主机内还是主机外分为内部存储器和外部存储器两大类。
内部存储器（简称内存或主存）是计算机主机的组成部分之一，用来存储当前运行所需要的程序和数据，CPU可以直接访问内存并与其交换信息。相对外部存储器（简称外存）而言，内存的容量小、存取速度快。而外存刚好相反，外存用于存放当前不参加运行的程序和数据，CPU不能对它直接访问，而必须通过配备专门的设备才能够对它进行读写（如磁盘驱动器等），这点是它与内存之间的一个很本质的区别。外存容量一般都很大，但存取速度相对比较慢。
存储器使用的存储介质有半导体器件、磁性材料、光盘等。以下我们重点讨论用于构成内存的半导体存储器。
半导体存储器按照工作方式的不同，可以分为随机存取存储器（RAM，也叫读写存储器）和只读存储器（R0M）。
1．随机存取存储器RAM
读写存储器按其制造工艺可以分为双极型半导体RAM和金属氧化物半导体（MOS）RAM。
1）双极型RAM
双极型RAM的主要优点是存取时间短，通常为几纳秒到几十纳秒(ns)。与下面提到的M0S型RAM相比，其集成度低、功耗大，而且价格也较高。因此，双极型RAM主要用于要求存取时间非常短的特殊应用场合。
2）MOS型RAM
用M0S器件构成的RAM又可分为静态读写存储器(SRAM)和动态读写存储器（DRAM）。
（1）SRAM的存储元由双稳态触发器构成。双稳态触发器有两个稳定状态，可用来存储一位二进制信息。只要不掉电，其存储的信息可以始终稳定地存在，故称其为“静态”RAM。SRAM的主要特点是存取时间短（几十到几百纳秒），外部电路简单，便于使用。常见的SRAM芯片容量为1KB~64KB之间。SRAM的功耗比双极型RAM低，价格也比较便宜。
（2）DRAM的存储元以电容来存储信息，电路简单。但电容总有漏电存在，时间长了存放的信息就会丢失或出现错误。因此需要对这些电容定时充电，这个过程称为“刷新”，即定时地将存储单元中的内容读出再写入。由于需要刷新，所以这种RAM称为“动态”RAM。DRAM的存取速度与SRAM的存取速度差不多。其最大的特点是集成度非常高，目前DRAM芯片的容量已达几百兆比特。其它的优点还有功耗低，价格比较便宜。
由于用M0S工艺制造的RAM集成度高，存取速度能满足各种类型微型机的要求，而且其价格也比较便宜，因此，现在微型计算机中的内存主要由MOS型DRAM组成。
2．只读存储器R0M
2根据制造工艺不同，只读存储器分为ROM、PROM、EPROM、EPROM几类。只读存储器在工
作时只能读出，不能写入。掉电后不会丢失所存储的内容。
1）掩模式只读存储器（R0M）
掩模式R0M是芯片制造厂根据R0M要存储的信息，对芯片图形（掩膜）通过二次光刻生产出来的，故称为掩模ROM。其存储的内容固化在芯片内，用户可以读出，但不能改变。这种芯片存储的信息稳定，成本最低。适用于存放一些可批量生产的固定不变的程序或数据。
2）可编程R0M（PROM）
如果用户要根据自己的需要来确定R0M中的存储内容，则可使用可编程ROM（PR0M）。PROM允许用户对其进行一次编程-写入数据或程序。一旦编程之后，信息就永久性地固定下来。用户可以读出其内容，但再也无法改变它的内容。
3）可擦除的PR0M
上述两种芯片存放的信息只能读出而无法修改，这给许多方面的应用带来不便。由此又出现了两类可擦除的R0M芯片。这类芯片允许用户通过一定的方式多次写入数据或程序，也可修改和擦除其中所存储的内容，且写入的信息不会因为掉电而丢失。由于这些特性，可擦除的PR0M芯片在系统开发、科研等领域得到了广泛的应用。
可擦除的PR0M芯片因其擦除的方式不同可分为两类：一是通过是紫外线照射（约20分钟左右）来擦除，这种用紫外线擦除的PROM称为EPROM；另外一种是通过电的方法（通常是
2加上一定的电压）来擦除，这种PROM称为EEPROM（或EPROM）。芯片内容擦除后仍可以重新
对它进行编程，写入新的内容。擦除和重新编程都可以多次进行。但有一点要注意，尽管EPROM（EEPROM）芯片既可读出也可以对其编程写入和擦除，但它们和RAM还是有本质区别的。首先它们不能够象RAM芯片那样随机快速地写入和修改，它们的写入需要一定的条件（这一点将在后面详细介绍）；另外，RAM中的内容在掉电之后会丢失，而EPROM（EEPROM）则不会，其上的内容一般可保存几十年。
存储器芯片的主要技术指标
1．存储容量
存储器芯片的存储容量用“存储单元个数×每存储单元的位数”来表示。例如，SRAM芯片6264的容量为8K×8bit，即它有8K个单元（1K=l024），每个单元存储8位（一个字节）二进制数据。DRAM芯片NMC4l257的容量为256K×lbit，即它有256K个单元，每个单元存储1位二进制数据。各半导体器件生产厂家为用户提供了许多种不同容量的存储器芯片，用户在构成计算机内存系统时，可以根据要求加以选用。当然，当计算机的内存确定后，选用容量大的芯片则可以少用几片，这样不仅使电路连接简单，而且功耗也可以降低。
2．存取时间和存取周期
存取时间又称存储器访问时间，即启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需要的时间。CUP在读写存储器时，其读写时间必须大于存储器芯片的额定存取时间。如果不能满足这一点，微型机则无法正常工作。
存取周期是连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。若令存取时间为tA，存取周期为TC，则二者的关系为TC≥tA。
计算机要正确地运行，必然要求存储器系统具有很高的可靠性。内存发生的任何错误会使计算机不能正常工作。而存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。目前所用的半导体
68存储器芯片的平均故障间隔时间（MTBF）约为5×l0～l×10小时左右。
使用功耗低的存储器芯片构成存储系统，不仅可以减少对电源容量的要求，而且还可以提高存储系统的可靠性。
5.2 随机存取存储器RAM
随机存取存储器RAM主要用来存放当前运行的程序、各种输入/输出数据、中间运算结果及堆栈等，其存储的内容既可随时读出，也可随时写入和修改，掉电后内容会全部丢失。在这一节里，我们将从应用的角度出发，以几种常用的典型芯片为例，详细介绍两类MOS型读写存储器-SRAM和DRAM的的特点、外部特性以及它们的应用。
静态随机存储器（SRAM）
静态RAM的基本存储电路（即存储元）一般是由6个MOS管组成的双稳态电路（T1截止，T2导通为状态“1”； T2截止，T1导通为状态“0”），如图5.1所示。
X地址选择线 Vcc
图5.1 静态RAM的基本存储电路
图5.1中，T3、T4是负载管，T1、T2是工作管，T5、T6、T7、T8是控制管，其中T7、T8为所有存储元所共用。
在写操作时，若要写入“1”，则I/O=1，I/O=0，X地址选择线为高电平，使T5、T6导通，同时Y地址选择线也为高电平，使T7、T8导通，要写入的内容经I/O端和I/O端进入，通过T7、T8和T5、T6与A、B端相连，使A=“1”，B=“0”，这样就迫使T2导通，T1截止。当输入信号和地址选择信号消失后，T5、T6、T7、T8截止，T1、T2就保持被写入的状态不变。使得只要不掉电，写入的信息“1”就能保持不变。写入“0”的原理与此类似。
读操作时，若某个存储元被选中（X、Y地址选择线均为高电平），则T5、T6、T7、T8都导通，于是存储元的信息被送到I/O端和I/O线上。I/O端和I/O线连接到一个差动读出放大器上，从其电流方向即可判断出所存信息是“1”还是“0”。
SRAM的使用十分方便，在微型计算机领域有着极其广泛的应用。下边就以典型的SRAM芯片6264为例，说明它的外部特性及工作过程。
1．6264存储芯片的引线及其功能
6264芯片是一个8K×8bit的CM0S SRAM芯片，其引脚如图5.2所示。它共有28条引出线，包括13根地址线、8根数据线以及4根控制信号线，它NC 们的含意分别为： A 12CS A 7?A0～Al2----13根地址信号线。一个存储芯片上地址线的2
A 6A 8 多少决定了该芯片有多少个存储单元。13根地址信号线上A 5A 9 13的地址信号编码最大为2，即 8192（8K）个。也就是说，A 4A 11
A 3芯片的13根地址线上的信号经过芯片的内部译码，可以决
A 2 A 10 定选中6264芯片上8K个存储单元中的哪一个。在与系统连A 11 接时，这13根地址线通常接到系统地址总线的低13位上，A 0D 7 D D 6 以便CPU能够寻址芯片上的各个单元。
0 D 1D 5 ?D0～D7----8根双向数据线。对SRAM芯片来讲，数据D 2D 4 线的根数决定了芯片上每个存储单元的二进制位数，8根数D 3
据线说明6264芯片的每个存储单元中可存储 8位二进制
数，即每个存储单元有8位。使用时，这8根数据线与系统的数据总线相连。当CPU存取芯片上的某个存储单元时，读
出和写入的数据都通过这8根数据线传送。
?CS1，CS2----片选信号线。当CS1为低电平、CS2为高电平（CS1=0，CS2=1）时，该芯片被选中，CPU才可以对它进行读写。不同类型的芯片，其片选信号的数量不一定相同，但要选中该芯片，必须所有的片选信号同时有效才行。事实上，一个微机系统的内存空间是由若干块存储器芯片组成的，某块芯片映射到内存空间的哪一个位置（即处于哪一个地址范围）上，是由高位地址信号决定的。系统的高位地址信号和控制信号通过译码产生选片信号，将芯片映射到所需要的地址范围上。6264有13根地址线（A0～A12）， CPU则有20根地址线，所以这里的高位地址信号就是A13～A19。有关地址译码，我们将在下边详细介绍。
?OE----输出允许信号。只有当OE为低电平时，CPU才能够从芯片中读出数据。 ?WE----写允许信号。当WE为低电平时，允许数据写入芯片；而当WE=1，OE
=0时，允许数据从该芯片读出。
表5.1 6264真值表
表5.1总结了以上4个控制信号的功能。?其它引线：VCC为+5V电源，GND是接地
端，NC表示空端。 2．6264的工作过程 对6264芯片的存取操作包括数据的写入和读出。写入数据的过程是：首先把要写入单元
的地址送到芯片的地址线A0～Al2上；要写入的数据送到数据线上；然后使CS1，CS2同时有 196
效（CS1=0，CS2=1）；再在WE端加上有效的低电平，OE端状态可以任意。这样，数据就可以写入指定的存储单元中。写入过程的工作时序如图5.3所示。
从芯片中读出数据的过程与写操作类似：先把要读出单元的地址送到6264的地址线上，然后使CS1=0和CS2=1同时有效；与写操作不同的是，此时要使读允许信号OE=0，WE=1，这样，选中单元的内容就可从6264的数据线读出。读出过程的时序如图5.4所示。
CPU的取指令周期和对存储器读写都有固定的时序，因此对存储器的存取速度有一定的要求，当对存储器进行读操作时，CPU发出地址信号和读命令后，存储器必须在读允许信号有效期内将选中单元的内容送到数据总线上。同样，在进行写操作时，存储器也须在写脉冲有效期间将数据写入指定的存储单元。否则，就会出现读写错误。
如果现有可选择的存储器的存取速度太慢，不能满足上述要求，就需要设计者采取适当的措施来解决这一问题。最简单的解决办法就是降低CPU的时钟频率，即延长时钟周期TCLK。但这样做会降低系统的运行速度。另一种方法是利用CPU上的READY信号，使CPU在对慢 197
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