几种常用存储器介绍

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存储器种类

存储器是计算机结构的重要组成部分。存储器是用来存储程序代码和数据的部件,有了存储器计算机才具有记忆功能。基本的存储器种类见图 1。

几种常用存储器介绍

存储器按其存储介质特性主要分为“易失性存储器”和“非易失性存储器”两大类。其中的“易失/非易失”是指存储器断电后,它存储的数据内容是否会丢失的特性。由于一般易失性存储器存取速度快,而非易失性存储器可长期保存数据,它们都在计算机中占据着重要角色。在计算机中易失性存储器最典型的代表是内存,非易失性存储器的代表则是硬盘。

RAM 存储器

RAM 是“Random Access Memory”的缩写,被译为随机存储器。所谓―随机存取‖,指的是当存储器中的消息被读取或写入时,所需要的时间与这段信息所在的位置无关。这个词的由来是因为早期计算机曾使用磁鼓作为存储器,磁鼓是顺序读写设备,而 RAM 可随读取其内部任意地址的数据,时间都是相同的,因此得名。实际上现在 RAM 已经专门用于指代作为计算机内存的易失性半导体存储器。根据 RAM 的存储机制,又分为动态随机存储器 DRAM(Dynamic RAM)以及静态随机存储器 SRAM(Static RAM)两种。

DRAM

动态随机存储器 DRAM 的存储单元以电容的电荷来表示数据,有电荷代表 1,无电荷代表 0,见图 23-2。但时间一长,代表 1 的电容会放电,代表 0 的电容会吸收电荷,因此它需要定期刷新操作,这就是“动态(Dynamic)”一词所形容的特性。刷新操作会对电容进行检查,若电量大于满电量的 1/2,则认为其代表 1,并把电容充满电;若电量小于 1/2,则认为其代表 0,并把电容放电,藉此来保证数据的正确性。

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SDRAM

根据 DRAM 的通讯方式,又分为同步和异步两种,这两种方式根据通讯时是否需要使用时钟信号来区分。图 23-3 是一种利用时钟进行同步的通讯时序,它在时钟的上升沿表示有效数据。

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由于使用时钟同步的通讯速度更快,所以同步 DRAM 使用更为广泛,这种 DRAM 被称为 SDRAM(Synchronous DRAM)。

DDR SDRAM

为了进一步提高 SDRAM 的通讯速度,人们设计了 DDR SDRAM 存储器(Double Data Rate SDRAM)。它的存储特性与 SDRAM 没有区别,但 SDRAM 只在上升沿表示有效数据,在 1 个时钟周期内,只能表示 1 个有数据;而 DDR SDRAM 在时钟的上升沿及下降沿各表示一个数据,也就是说在 1 个时钟周期内可以表示 2 位数据,在时钟频率同样的情况下,提高了一倍的速度。至于 DDRII 和 DDRIII,它们的通讯方式并没有区别,主要是通讯同步时钟的频率提高了。当前个人计算机常用的内存条是 DDRIII SDRAM 存储器,在一个内存条上包含多个 DDRIII SDRAM 芯片。

SRAM

静态随机存储器 SRAM 的存储单元以锁存器来存储数据,见图 23-4。这种电路结构不需要定时刷新充电,就能保持状态(当然,如果断电了,数据还是会丢失的),所以这种存储器被称为“静态(Static)”RAM。

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同样地,SRAM 根据其通讯方式也分为同步(SSRAM)和异步 SRAM,相对来说,异步 SRAM 用得比较广泛。

DRAM 与 SRAM 的应用场合

对比 DRAM 与 SRAM 的结构,可知 DRAM 的结构简单得多,所以生产相同容量的存储器,DRAM 的成本要更低,且集成度更高。而 DRAM 中的电容结构则决定了它的存取速度不如 SRAM,特性对比见表 。

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所以在实际应用场合中,SRAM 一般只用于 CPU 内部的高速缓存(Cache),而外部扩展的内存一般使用 DRAM。在 STM32 系统的控制器中,只有 STM32F429 型号或更高级的芯片才支持扩展 SDRAM,其它型号如 STM32F1、STM32F2 及 STM32F407 等型号只能扩展 SRAM。

非易失性存储器

非易失性存储器种类非常多,半导体类的有 ROM 和 FLASH,而其它的则包括光盘、软盘及机械硬盘。

ROM 存储器

ROM 是“Read Only Memory”的缩写,意为只能读的存储器。由于技术的发展,后来设计出了可以方便写入数据的 ROM,而这个“Read Only Memory”的名称被沿用下来了,现在一般用于指代非易失性半导体存储器,包括后面介绍的 FLASH 存储器,有些人也把它归到 ROM 类里边。

1. MASK ROM MASK(掩膜) ROM 就是正宗的“Read Only Memory”,存储在它内部的数据是在出厂时使用特殊工艺固化的,生产后就不可修改,其主要优势是大批量生产时成本低。当前在生产量大,数据不需要修改的场合,还有应用。

2. OTPROM OTPROM(One Time Programable ROM)是一次可编程存储器。这种存储器出厂时内部并没有资料,用户可以使用专用的编程器将自己的资料写入,但只能写入一次,被写入过后,它的内容也不可再修改。在 NXP 公司生产的控制器芯片中常使用 OTPROM 来存储密钥或设备独有的 mac 地址等内容。

3. EPROM EPROM(Erasable Programmable ROM)是可重复擦写的存储器,它解决了 PROM 芯片只能写入一次的问题。这种存储器使用紫外线照射芯片内部擦除数据,擦除和写入都要专用的设备。现在这种存储器基本淘汰,被 EEPROM 取代。

4. EEPROM EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是电可擦除存储器。EEPROM 可以重复擦写,它的擦除和写入都是直接使用电路控制,不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据,无需整个芯片擦除。现在主要使用的 ROM 芯片都是 EEPROM。

FLASH 存储器

FLASH 存储器又称为闪存,它也是可重复擦写的储器,部分书籍会把 FLASH 存储器称为 FLASH ROM,但它的容量一般比 EEPROM 大得多,且在擦除时,一般以多个字节为单位。如有的 FLASH 存储器以 4096 个字节为扇区,最小的擦除单位为一个扇区。根据存储单元电路的不同,FLASH 存储器又分为 NOR FLASH 和 NAND FLASH,见表 。

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NOR 与 NAND 的共性是在数据写入前都需要有擦除操作,而擦除操作一般是以“扇区/块”为单位的。而 NOR 与 NAND 特性的差别,主要是由于其内部“地址/数据线”是否分开导致的。

由于 NOR 的地址线和数据线分开,它可以按“字节”读写数据,符合 CPU 的指令译码执行要求,所以假如 NOR 上存储了代码指令,CPU 给 NOR 一个地址,NOR 就能向 CPU 返回一个数据让 CPU 执行,中间不需要额外的处理操作。

而由于 NAND 的数据和地址线共用,只能按“块”来读写数据,假如 NAND 上存储了代码指令,CPU 给 NAND 地址后,它无法直接返回该地址的数据,所以不符合指令译码要求。表 23-2 中的最后一项“是否支持 XIP”描述的就是这种立即执行的特性(eXecute In Place)。

若代码存储在 NAND 上,可以把它先加载到 RAM 存储器上,再由 CPU 执行。所以在功能上可以认为 NOR 是一种断电后数据不丢失的 RAM,但它的擦除单位与 RAM 有区别,且读写速度比 RAM 要慢得多。

另外,FLASH 的擦除次数都是有限的(现在普遍是 10 万次左右),当它的使用接近寿命的时候,可能会出现写操作失败。由于 NAND 通常是整块擦写,块内有一位失效整个块就会失效,这被称为坏块,而且由于擦写过程复杂,从整体来说 NOR 块块更少,寿命更长。由于可能存在坏块,所以 FLASH 存储器需要“探测/错误更正(EDC/ECC)”算法来确保数据的正确性。

由于两种 FLASH 存储器特性的差异,NOR FLASH 一般应用在代码存储的场合,如嵌入式控制器内部的程序存储空间。而 NAND FLASH 一般应用在大数据量存储的场合,包括 SD 卡、U 盘以及固态硬盘等,都是 NAND FLASH 类型的。

转自:wenshinlee