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存储器

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存储器

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定义及基本功能

存储器(即Memory)是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序数据。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。

相关概述

  • 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,在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符,例如英文字母、运算符号等,也要转换成二进制代码才能存储和操作。
  • 存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元,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。

分类

按存储介质分

  • 半导体存储器:用半导体器件组成的存储器。   
  • 磁表面存储器:用磁性材料做成的存储器。

按存储方式分

  • 随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。
  • 顺序存储器:只能按某种顺序来存取,存取时间和存储单元的物理位置有关。

按存储器的读写功能分

  • 只读存储器(ROM):存储的内容是固定不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。  
  • 随机读写存储器(RAM):既能读出又能写入的半导体存储器。

按信息的可保存性分

  • 非永久记忆的存储器:断电后信息即消失的存储器。  
  • 永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息的存储器。

按存储器用途分

根据存储器在计算机系统中所起的作用,可分为主存储器、辅助存储器高速缓冲存储器、控制存储器等。

选择存储器时遵循的基本原则

  • 内部存储器与外部存储器

一般情况下,当确定了存储程序代码和数据所需要的存储空间之后,设计工程师将决定是采用内部存储器还是外部存储器。通常情况下,内部存储器的性价比最高但灵活性最低,因此设计工程师必须确定对存储的需求将来是否会增长,以及是否有某种途径可以升级到代码空间更大的微控制器。基于成本考虑,人们通常选择能满足应用要求的存储器容量最小的微控制器,因此在预测代码规模的时候要必须特别小心,因为代码规模增大可能要求更换微控制器。

  • 引导存储器

在较大的微控制器系统或基于处理器的系统中,设计工程师可以利用引导代码进行初始化。应用本身通常决定了是否需要引导代码,以及是否需要专门的引导存储器。例如,如果没有外部的寻址总线或串行引导接口,通常使用内部存储器,而不需要专门的引导器件。但在一些没有内部程序存储器的系统中,初始化是操作代码的一部分,因此所有代码都将驻留在同一个外部程序存储器中。某些微控制器既有内部存储器也有外部寻址总线,在这种情况下,引导代码将驻留在内部存储器中,而操作代码在外部存储器中。这很可能是最安全的方法,因为改变操作代码时不会出现意外地修改引导代码。

  • 配置存储器

对于现场可编程门阵列(FPGA)或片上系统(SoC),人们使用存储器来存储配置信息。这种存储器必须是非易失性EPROM、EEPROM或闪存。大多数情况下,FPGA采用SPI接口,但一些较老的器件仍采用FPGA串行接口。串行EEPROM或闪存器件最为常用,EPROM用得较少。

  • 程序存储器

所有带处理器的系统都采用程序存储器,但设计工程师必须决定这个存储器是位于处理器内部还是外部。在做出了这个决策之后,设计工程师才能进一步确定存储器的容量和类型。当然有的时候,微控制器既有内部程序存储器也有外部寻址总线,此时设计工程师可以选择使用它们当中的任何一个,或者两者都使用。这就是为什么为某个应用选择最佳存储器的问题,常常由于微控制器的选择变得复杂起来,以及为什么改变存储器的规模也将导致改变微控制器的选择的原因。

  • 数据存储器

与程序存储器类似,数据存储器可以位于微控制器内部,或者是外部器件,但这两种情况存在一些差别。有时微控制器内部包含SRAM(易失性)和EEPROM(非易失)两种数据存储器,但有时不包含内部EEPROM,在这种情况下,当需要存储大量数据时,设计工程师可以选择外部的串行EEPROM或串行闪存器件。当然,也可以使用并行EEPROM或闪存,但通常它们只被用作程序存储器。

  • 易失性和非易失性存储器

存储器可分成易失性存储器或者非易失性存储器,前者在断电后将丢失数据,而后者在断电后仍可保持数据。设计工程师有时将易失性存储器与后备电池一起使用,使其表现犹如非易失性器件,但这可能比简单地使用非易失性存储器更加昂贵。然而,对要求存储器容量非常大的系统而言,带有后备电池的DRAM可能是满足设计要求且性价比很高的一种方法。

  • 串行存储器和并行存储器

在定义了应用系统之后,微控制器的选择是决定选择串行或并行存储器的一个因素。对于较大的应用系统,微控制器通常没有足够大的内部存储器,这时必须使用外部存储器,因为外部寻址总线通常是并行的,外部的程序存储器和数据存储器也将是并行的。较小的应用系统通常使用带有内部存储器但没有外部地址总线的微控制器。如果需要额外的数据存储器,外部串行存储器件是最佳选择。

  • EEPROM与闪存

存储器技术的成熟使得RAMROM之间的界限变得很模糊,如今有一些类型的存储器(如EEPROM和闪存)组合了两者的特性。这些器件像RAM一样进行读写,并像ROM一样在断电时保持数据,它们都可电擦除且可编程,但各自有它们优缺点。从软件角度看,独立的EEPROM和闪存器件是类似的,两者主要差别是EEPROM器件可以逐字节地修改,而闪存器件只支持扇区擦除以及对被擦除单元的字、页或扇区进行编程。对闪存的重新编程还需要使用SRAM,因此它要求更长的时间内有更多的器件在工作,从而需要消耗更多的电池能量。

  • EEPROM与FRAM  

EEPROM和FRAM的设计参数类似,但FRAM的可读写次数非常高且写入速度较快。然而通常情况下,用户仍会选择EEPROM而不是FRAM,其主要原因是成本(FRAM较为昂贵)、质量水平和供货情况。设计工程师常常使用成本较低的串行EEPROM,除非耐久性或速度是强制性的系统要求。

实体存储器

相关条目

参考资料

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