存储器的工作原理

目录1.存储概念

2.存储单元

3.功能特点

4.工作原理

5.性能指标

在计算机硬件中，用于存储统计数据和命令的记忆部件称为存储器。存储器由一些编号单元组成。单元的编号称为地址。计算机对存储器的要求是：一是访问速度快，二是存储容量大。那么，存储器的工作过程是什么呢？让我们来看看：

1.存储概念

存储器(Memory)它是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。它有广泛的概念和多层次。在数字系统中，存储器可以保存二进制数据；在集成电路中，具有存储功能的电路也被称为存储器，如RAM、FIFO等等；在系统中，物理存储设备也被称为存储器，如内存条，TF卡等。

计算机中的所有信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间果和最终运行结果，都保存在存储器中。根据控制器指定的位置存储和取出信息。只有有了存储器，计算机才能有记忆功能，保证正常工作。计算机中的存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存），也可分为外部存储器和内部存储器。外存通常是磁性介质或光盘，可以长期保存信息。内存是指存储在主板上的存储部件，用于存储当前执行的数据和程序，但仅用于暂时存储程序和数据，关闭电源或断电，数据将丢失。

图1 存储器

2.存储单元

存储介质，存储单元，它可以存储一个二进制代码。存储单元由多个存储元组成，然后由多个存储单元组成。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可以存储一个字节（根据字节编码）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，通常用16进制表示。存储器中所有存储单元存储数据的总和称为存储容量。假设存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成，则可以表示20次方，即1M存储单元地址。每个存储单元存储一个字节，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，并在计算机运行过程中高速、自动地访问程序或数据。存储器是一种具有记忆功能的设备，它使用两个稳定状态的物理设备来存储信息。这些设备也被称为记忆元件。

每个单元的数据（或指令）通常不会改变，但当输入另一个数据（或指令）时，原始数据（或指令）消失，并存储新的数据（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。存储容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)工作原理。每个动态存储器只有一条输入数据线，而地址引脚只有8条。为了形成64K系统地址总线与芯片地址引线之间必须设计地址形成电路。使系统地址总线信号能够分时添加到8个地址的引脚上。芯片中的存储单元由芯片内的行锁存储器、列锁存储器和翻译电路选择，锁定信号也由外部地址电路产生。

当要从DRAM在芯片中读取数据时，CPU首先，添加行地址A0-A7上，然后送出RAS锁定信号，将地址锁定在芯片内部。然后将列地址添加到芯片中。A0-A7上，再送CAS锁定信号，也是在信号下降时沿芯片内部锁定列地址。然后保持它WE=1，则在CAS数据输出并保持在有效期内。

当需要将数据写入芯片时，行列地址将先后编写RAS和CAS然后锁在芯片内部，WE有效，加上要写入的数据，将数据写入选定的存储单元。

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刷新就是使用DMA实现的。首先，应用可编程定时器8253的计数器1，每隔1次⒌12μs产生一次DMA请求，请求添加DMA0通道上的控制器。当DMA当响应控制器0通道的请求时，DMA控制器发送刷新地址信号，读取动态存储器，每次刷新一行。

图4 各种存储器

5.性能指标

1.存储容量：指可存储信息的字节数或比特数，通常用以下格式表示：

存储字数(单元数)×存储字长(每个单元的比特数)

例如：

1Mb=1M×1bit=128k×8bit=256k×4bit=1M位

1MB=1M×8bit=1M字节

2.访问时间(访问时间)TA：从存储器接收到读写命令到读写信息所需的时间(取决于存储介质的物理特性和搜索部件的结构)。

例如：

ROM存取时间通常是几百ns;

RAM通常有几十个存取时间ns到一百多ns;

双极性RAM存取时间一般为10~20ns。

3.存储周期TM：指存储器连续读写所需的时间或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有一些额外的动作时间或恢复时间，如刷新或重写时)TM略大于TA。

4.可靠性：平均故障时间间隔(MTBF)，即两次故障之间的平均时间间隔。

EPROM数千到10万次重写；

ROM数据保存期为20年至100多年。

5.性能价格比：存储器的性能包括上述方面，但成本也占很大比例。因此，通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、功能特性和工作原理。由于存储器的类型个非常重要的决定，因为存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能。无论系统是电池还是市政电源，应用需求都将决定存储器的类型（易失性或非易失性）和使用目的（存储代码、数据或两者兼有）。此外，在选择过程中，还需要考虑存储器的尺寸和成本。