存储器的种类及作用

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电脑有超人的计算能力,首先要归功于电脑的记忆功能。通常,总是由人事先编制好工作程序,然后,电脑只需记住并执行这些程序,就能完成各种任务。电脑与人的记忆有某种相似之处,既要牢记那些公式、方法、经验和程序,也要临时记住一些数据、计算的中间结果等。例如,我们要心算2×3+4×5等于多少,就得记住九九口诀等,并需要在心算过程中能够临时记忆6和20两个中间结果。电脑的记忆功能是依靠一种叫作存储器的装置完成的,上面提到的方法和数据就可以分别在放在“程序存储器”和“数据存储器”之中。

过去,磁芯存储器是电子计算机的主角,但是现代计算机的内存已经几乎被半导体集成电路所占领。内存按工作方式可以分成随机存取存储器RAM和只读存储器ROM两大类别,其中ROM又可以分成PROM、EPROM,E\(^{2}\)PROM等四类,下面分别予以介绍。

一、随机存取存储器RAM

RAM中的内容随时可以读出,也随时能够写入或改写,所以又叫作读写存储器。RAM主要用来存放各种现场的输入和输出数据、中间计算结果,以及与外存交换信息及堆栈(不妨把内存想象为小货栈,外存想象为大仓库)用。

RAM有双极型(即TTL)和MOS型两种,双极RAM速度快,但容量小、价格贵,仅在高速场合用;MOS型RAM功耗小、成本低,所以被微型机广泛采用。后者按信息存储的物理方式,又分为静态和动态两种:

(1)静态RAM:静态RAM的单元电路是由MOS晶体管构成的触发器,因此可以存放一个“1”或“0”的信息。静态RAM的单片容量已有256×1位,1K×4位,4K×1位,目前又发展到256K×1位(1K=1024)。最常用的2114型静态RAM引脚图见图1,它在一个芯片上制作了1024个存储单元,每个单元4位字长,所以每片容量是1K×4位。2114芯片的18根引脚当中,有10根地址线(A\(_{0}\)9),4根数据线(I/0\(_{1}\)~I/04),2根控制线(CS-为片选,WE为读写控制),其余为电源V\(_{CC}\)和地线GND。

图1
图1 🔍原图 (400×415)

静态RAM与动态RAM相比,功耗要大得多,单片容量也嫌不够大。

(2)动态RAM:动态RAM利用MOS晶体管栅极与基片间电容上的电荷来存储信息。它的集成度相当高,速度也很快,因而使用非常广泛。动态RAM单片容量的进展相当迅速,除常用的16K(即16K×1位)和64K芯片以外,1986年还出现了256K、1M和4M芯片。比较常见的4116型动态RAM的电路符号见图2,是16K芯片。在4116的16根引脚之中,数据线两根(输入D\(_{I}\)和输出D0),控制线三根(行选通WAS-,列选通CAS和读写WR-),地址线7根(A\(_{0}\)6),其余为+5V、-5V、+12V和地线。16K的存储单元本来应当有14根地址线(2\(^{14}\)=16K),由于封装所限,这种芯片的地址只好分两次(每次7位)送进。大家熟悉的苹果机的内存就是由24块4116组成的,它们构成了该机48×8位的存储空间。

图2
图2 🔍原图 (472×486)

动态RAM虽然容量大、价格低,但它也有不如静态RAM之处,这就是需要“刷新”,而且每隔数毫秒就要刷新一次。这是因为,代表信息的电容上的电荷维持时间有限,必须频繁“充电”之故。

RAM属于易失性(又称挥发性)存储器,也就是说,这种存储器在断电之后,所存信息几个毫秒内就会消失殆尽,即使重新供给电源,也无法使信息再生,这是RAM的一大缺点。不过,使用后备电池,或者采用不间断电源(UPS)供电,均可弥补。

二、只读存储器ROM

顾名思义,ROM的内容只能读,不能写。它与RAM不同,属于一种非易失性存储器,掉电后信息能够牢靠保持。再加上它速度快,可靠性高,所以常用来存放一些表格、常数,还尽可能地把计算机的管理、监控程序、汇编程序以及各种典型程序(如诊断程序等)放在ROM中。ROM的种类极多,有二极管矩阵式、变压器式、穿孔卡片式和半导体式等。目前使用最广泛的主要是半导体ROM,它按生产工艺也可分为双极型(即TTL)和MOS两种,如果按其写入的方法分,又可以分为掩膜ROM、PROM、EPROM和E\(^{2}\)PROM四类:

(1)掩膜ROM:掩膜式ROM习惯上只称作ROM,它是在半导体厂内根据用户的要求生产的,以是否制造晶体管栅极来表示“1”和“0”信息。掩膜是在制造工艺中使用的,要改变ROM的内容,只能重新制造掩膜、重新生产。由于用户不能修改ROM中的内容。通用的ROM产品多限于代码转换、字符产生等标准产品。

在各类单片机中,如8048、8049、8051和8022当中,都含有ROM,它们是按用户提供的ROM清单,由单片机的生产厂生产成专用产品。如西德根德公司在WS-200型录象机内使用的8051,是对伺服系统进行控制的,这种8051就专用化了。

(2)可编程只读存储器PROM:PROM的内容出厂时为空白(全“0”),用户可以利用写入器予以写入,因此称为可编程只读存储器。编程时,要用足够大的电流熔断内部的熔丝或永久性地击穿P-N结,从而写入“1”信息。这种写入是一次性的,如编程出错,芯片只能报废。PROM除在计算机中存放一些固定程序之外,还可以存放一些不变的表格等,图3是一种常用的双极型PROM74S288的电路符号,它容量只有32×8位。可在计算机逻辑电路中用作代码变换等。还可以很容易变通作为二—四译码器、三—八译码器等。

图3
图3 🔍原图 (427×453)

(3)紫外线擦除的可编程只读存储器EPROM:EPROM的内容使用紫外线照射20分钟后即可擦除,并可以使用专门的EPROM写入器重新编程,编程后只要在窗口处贴上黑纸遮光,其内容就可以长期保存。由于它使用方便灵活,因此在微型机中使用特别广泛。特别是8035、8039、8031等不含ROM的单片机,往往需要配用2716(2K×8位)、2732(4K×8位)及2764(8K×8位)等型号的EPROM作为程序存储器使用。图4是五届全运会使用的智能计数器的框图,它使用一片8035单片机芯片。全部管理程序存放在EPR0M2716中。单片机8035通过双向总线DB\(_{0}\)-7和地址寄存器向EPROM进入程序地址,EPROM根据该地址输出相应程序(数据),再通过DB0-7送到8035内。执行该管理程序,智能计数器可完成启动计时、逆计时、时间设置、暂停、自检等功能,并通过8035的P\(_{1}\)0-17口输出,驱动大屏幕显示。

图4
图4 🔍原图 (808×455)

(4)电可改写的可编程只读存储器E\(^{2}\)PROM;E2PROM是八十年代初问世的,早期产品有2815、2816、2817等,它们与EPROM不同,无须采用光照,直接进行电改写即可。因此用它代替EPROM更觉方便,免去修改程序时的繁杂手续。2816等E\(^{2}\)PROM与EPROM一样,需要在编程时使用高电压(如21V等),仍然不够方便。1986年,Intel公司将2864A投放市场,其内部制作了升压电路,因此实现了单一电源(5V)供电。2864A是28脚结构,与静态RAM6264完全兼容。这样,2864A不仅可以代替2764,而且还可以插在静态RAM6264的插座上进行写入。由于E2PROM具有快速读出、能长期保存以及写入寿命长等优点,将来取代盒式磁带、软盘等外存都是有可能的。

计算机的外存是内存的后备,在微型机中,它的全部软件:例如语言的编译程序、数据库等各种各样的应用软件,以及管理这些软件和方便人机对话的操作系统等,都放在外存里。通过键盘命令,就可以把外存中的有关信息调入内存;内存的处理结果也可以在极短的时间内送往外存,以便长期保存。微型机的各种软件,正是通过外存的媒介,得以转移并形成商品的。微机常用的各种外存,读者比较熟悉的是软盘。软盘尺寸已经标准化,除常见的5.25英寸之外,还有新型3英寸等。还有一种小型密封硬盘,也叫温式磁盘,容量为10M至70M字节。(许奇雄)