存儲器的分類與用途

存儲器是一種具有記憶功能的接收、保存和取出信息的設(shè)備，是計算機的重要組成部分，是CPU最重要的系統(tǒng)資源之存儲器按在微機中的位置可分為主存儲器(內(nèi)存)、輔助存儲器(外存)和緩沖存儲器(緩存)三大類。內(nèi)存一般由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，通常裝在計算機主板上，存取速度快，但容量有限;外存是為了彌補內(nèi)存容量的不足而配置的，如硬盤、軟盤等，外存容量大、成本低，所存信息既可修改也可長期保存，但存取速度慢;緩存位于內(nèi)存與CPU之間，其存取速度非?？斓鎯θ萘扛。话阌脕斫鉀Q存取速度與存儲容量之間的矛盾，可提高整個系統(tǒng)的運行速度。存儲器主要性能指標是存儲容量、存儲速度和可靠性。

一、隨機存取存儲器RAM

計算機的內(nèi)存儲器由ROM和RAM兩部分組成。其中，只能讀不能寫的存儲器，稱為只讀存儲器ROM;即能讀又能寫的存儲器，叫做可讀寫存儲器RAM。由于歷史上的原因，可讀寫存儲器也被人們稱為隨機存取存儲器。

通常ROM中的程序和數(shù)據(jù)是事先存人的，在工作過程中不能改變，這種事先存人的信息不會因掉電而丟失，因此ROM常用來存放計算機監(jiān)控程序、基本輸入輸出程序等系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)8RAM中的信息則掉電就會消失，所以主要用來存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

對存儲器的讀寫或取出都是隨機的，通常要按順序隨機存取。按順序隨機存取有兩種方式: 一是先進先出;二是后進先出。

1.RAM的功能與結(jié)構(gòu)

RAM的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。地址譯碼器:RAM中的每個寄存器都有一個編號，稱為地址。在每次讀/寫信息時，只能和某一一個指定地址的寄存器之間進行取出或是存入，此過程稱為訪問存儲器。訪問地址的是機器識別的二進制數(shù)，送給地址譯碼器譯碼后，由相應(yīng)輸出線給出信號，控制被選中的寄存器與存儲器的I/O端子，使其進行讀/寫操作。
I/O控制器:為了節(jié)省器件引腳的數(shù)目，數(shù)據(jù)的輸人和輸出共用相同的I/O引腳。讀出時它們是輸出端，寫人時它們又是輸入端，即一線二用，由讀/寫控制線控制。I/O端子數(shù)決定于一一個地址中寄存器的位數(shù)。通常RAM中寄存器有五種輸人信號和一種輸出信號:地址輸入信號、讀/寫控制輸人信號、OE輸出控制信號、CS片選控制輸入信號、數(shù)據(jù)輸人信號和數(shù)據(jù)輸出信號。
片選控制:由于集成度的限制，通常要把許多片RAM組裝在一起構(gòu)成一臺計算機的存儲器。當(dāng)CPU訪問存儲器時，存儲器中只允許一片RAM中的一個地址與CPU交換信息，其他片RAM不能與CPU發(fā)生聯(lián)系，所謂片選就是實現(xiàn)這種控制。通常一片RAM有1根或幾根片選線，當(dāng)某一片的片選線為有效電平時，則該片被選中，地址譯碼器的輸出信號控制該片某個地址與CPU接通;片選線為無效電平時，與CPU之間呈斷開狀態(tài)。例如片選信號CS=“1"時，RAM禁止讀寫，處于保持狀態(tài)，I/O口的三態(tài)門處于高阻抗?fàn)顟B(tài);CS="0”時，RAM可在讀/寫控制輸人R/W的作用下作讀出或?qū)懭瞬僮鳌?br /> 存儲矩陣:存儲矩陣是存儲器的主體，含有大量的基本存儲單元。通常數(shù)據(jù)和指令是用-定位數(shù)的二進制數(shù)來表示的，這個二進制數(shù)稱為字，字的位數(shù)稱為字長。存儲器以字為單位進行存儲，為了存人和取出的方便，必須給每個字單元以確定的標號，這個標號稱為地址，不同的字單元具有不同的地址。存儲器的容量由地址碼的位數(shù)m決定，當(dāng)?shù)刂反a的位數(shù)為n，長的位數(shù)為m時，存儲器內(nèi)含2nXm個存儲單元。
2.RAM的存儲單元電路
存儲單元是RAM的核心部分，RAM字中所含的位數(shù)是由具體的RAM器件決定的，可以是4位、8位、16位和32位等。每個字是按地址存取的。一般操作順序是:先按地址選中要進行讀或?qū)懖僮鞯淖?，再對找到的字進行讀或?qū)懖僮?。打一比?存儲器好比一座宿舍樓，地址對應(yīng)著房間號，字對應(yīng)著房間內(nèi)住的人，位對應(yīng)床位。
存儲器按功能的不同可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，按所用元件的類型又可分為雙極型和單極型兩種。雙極型存儲單元速度快，單極型存儲單元功耗低容量大。在要求存取速度快的場合常用雙極型RAM電路;在對速度要求不高的場合，常用單極型存儲器。下面主要以單極型存儲器為例介紹RAM的工作原理。
(1)靜態(tài)RAM存儲單元

T1和T2、T3和T4分別構(gòu)成兩個反相器，如圖2所示。兩個反相器交叉耦合又構(gòu)成了基本觸發(fā)器，作為儲存信號的單元，當(dāng)Q=1時為“1”態(tài)，Q=0時為“0”態(tài)。T5和T6是門控管，其導(dǎo)通和截止均受行選擇線控制。
當(dāng)行選擇線為高電平時，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出端與位線接通;當(dāng)行選擇線為低電平時，T5、T6截止，存儲單元和位線斷開。
(2)動態(tài)RAM存儲單元
一個MOS管和一個電容即可組成一個最簡單的動態(tài)存儲單元電路，如圖3所示。

寫入時，送到數(shù)據(jù)線上的二進制信號經(jīng)T存人C中;讀出時，C的電平經(jīng)數(shù)據(jù)線讀出，讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)放大后，再送到輸出端。
由于C和數(shù)據(jù)線的分布電容Co相并，因此C要損失部分電荷。為保持原有信息不變，使放大后的數(shù)據(jù)同時回送到數(shù)據(jù)線上，對C應(yīng)進行重寫，稱為刷新。對長時間無讀/寫操作的存儲單元，C會緩慢放電，所以存儲器必須定時對所有存儲單元進行刷新，這是動態(tài)存儲器的特點。
3.RAM的容量擴展
RAM的容量由地址碼的位數(shù)n和字的位數(shù)m共同決定。因此常用的容量擴展法有位擴展、字擴展和字位擴展三種形式。如果一片RAM中的字數(shù)已經(jīng)夠用，而每個字的位數(shù)不夠用時，可采用位擴展連接方式解決。其數(shù)據(jù)位的擴展方法是將各個RAM的地址碼并聯(lián)，片選端并聯(lián)，如圖4所示。

圖5所示為RAM字擴展的典型實例:利用兩片1024字x4位的RAM器件構(gòu)成2048字x4位的RAM。利用地址碼的最高位A10控制RAM器件的片選Cs端，以決定哪一片RAM工作。地址碼的低A0~A9并聯(lián)接到兩片RAM的地址輸人端。兩片RAM的數(shù)據(jù)輸人/輸出端(I/O 1~4)按位對應(yīng)地并聯(lián)使用。字位同時擴展連接較復(fù)雜，如圖6所示。

16片1024X4位的RAM和3線-8線譯碼器74IS138相接，可擴展三個地址輸人端，構(gòu)成一個8kx4位的RAM。
二、 可編程邏輯器件
可編程邏輯器件屬于只讀存儲器ROM，其方框圖與RAM相似。
ROM將RAM的讀寫電路改為輸出電路;ROM的存儲單元由一些二極管、MOS管及熔絲構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較簡單。
1.只讀存儲器ROM的基本結(jié)構(gòu)
只讀存儲器在工作時只能進行讀出操作，基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。只讀存儲器ROM的特點是:存儲單元簡單，集成度高，且掉電時數(shù)據(jù)不會丟失。

2.可編程邏輯器件的存儲單元
只讀存儲器ROM存人數(shù)據(jù)的過程稱為“編程”。根據(jù)編程方式的不同，可分為內(nèi)容固定的ROM，一次性編程的PROM、可多次編程的EPROM和電改寫的EEPROM。早期制造的PROM可編程邏輯器件的存儲單元是利用其內(nèi)部熔絲否被燒斷來寫人數(shù)據(jù)的，因此只能寫人一次，使其應(yīng)用受到很大限制。目前使用的PROM可多次寫人，其存儲單元是在MOS管中置人浮置柵的方法實現(xiàn)的。

浮置柵型PMOS管的結(jié)構(gòu)原理圖如圖8所示，浮置柵被包圍在絕緣的二氧化硅之中。寫人時，在漏極和襯底之間加足夠高的反向脈沖電壓把PN結(jié)擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電子穿透二氧化硅絕緣層進入浮置柵中。脈沖電壓消失后，浮置柵中的電子無放電回路而被保留下來。
浮置柵PMOS寫入數(shù)據(jù)后，帶電荷的浮置柵使PMOS管的源極和漏極之間導(dǎo)通，當(dāng)字線選中某一存儲單元時，該單元位線即為低電平，如圖9所示;若浮置柵中無電荷(未寫入)，浮置柵PMOS管截止，位線為高電平。當(dāng)用戶需要改寫存儲單元中的內(nèi)容時，要用紫外線或X射線照射擦除，使浮置柵上注人的電荷形成光電流泄漏掉，EPROM可恢復(fù)原來未寫人時的狀態(tài)，因此又可重新寫人新信息。

利用光照抹掉寫人內(nèi)容需要大約30min的時間。為了縮短抹去時間，人們研制出了電擦除方式。電擦除的速度一般為ms數(shù)量級，其擦除的過程就是改寫的過程，改寫以字為單位進行的。電擦除的EEPROM既可以在掉電時不丟失數(shù)據(jù)，又可以隨時改寫寫，人的數(shù)據(jù)，重復(fù)擦除和改寫的次數(shù)可達1萬次以上。
3.可編程邏輯器件
可編程邏輯器件常簡稱為PLD( programmable logic device ) ，按編程方式可分為掩膜編程和現(xiàn)場編程。掩膜編程是由生產(chǎn)廠家采用掩膜工藝專門為用戶制作;現(xiàn)場編程則是由用戶在工作現(xiàn)場進行編程，以實現(xiàn)所需要的邏輯功能。
任意一個邏輯函數(shù)都可以寫成與一或表達形式，所以可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)是一個 與陣列和一個或陣列，如圖10所示。

PLD有較大的與或陣列，其邏輯圖的畫法也與傳統(tǒng)的畫法有較大的區(qū)別。
(1)可編程邏輯陣列(PLA)
可編程邏輯陣列PLA在存儲器中的主要應(yīng)用是構(gòu)成組合邏輯電路中，例如可用PLA實現(xiàn)4位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為Gray碼(格雷碼，又叫循環(huán)二進制碼或反射二進制碼)的電路。
PLA的特點:與陣列和或陣列都可以編程。PLA中的與陣列被編程產(chǎn)生所需的全部與項;PLA中的或陣列被編程完成相應(yīng)與項間的或運算并產(chǎn)生輸出，如圖11所示。

PLA大大提高芯片面積的有效利用率。
(2)可編程陣列邏輯(PAL)
可編程陣列邏輯PAL的速度高且價格低，電路輸出結(jié)構(gòu)形式有多種，因此可以方便地進行現(xiàn)場編程，所以大受用戶歡迎。
為實現(xiàn)時序邏輯電路的功能，可編程陣列邏輯PAL在或門和三態(tài)廣之間加人D觸發(fā)器，并且將D觸發(fā)器的輸出反饋回與陣列，如圖12所示，從而使PAL的功能大大提高。與同樣位數(shù)的PLA相比，PAL不但減少了編程點數(shù)，而且也簡化了編程工作，更加有利于輔助設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)。

PAL編程是按“熔絲圖”進行的，圖13所示為實現(xiàn)“異或”函數(shù)的熔絲圖，圖中“x”表示熔絲保留，而無“x”的交點表示熔絲燒斷。

由于PAL采用雙極型熔絲工藝，工作速度較高，但由于與陣列的“熔絲”工藝，因此只能進行一次編程，而且需要在專門的編程器上進行編程，所以其應(yīng)用仍受到限制。