常用存儲器介紹

山峰云繞 2018-01-22

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1 存儲器種類

存儲器是計算機結構的重要組成部分。存儲器是用來存儲程序代碼和數據的部件，有了存儲器計算機才具有記憶功能。

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圖1 基本的存儲器種類

存儲器按其存儲介質特性主要分為“易失性存儲器”和“非易失性存儲器”兩大類。其中的“易失/非易失”是指存儲器斷電后，它存儲的數據內容是否會丟失的特性。由于一般易失性存儲器存取速度快，而非易失性存儲器可長期保存數據，它們都在計算機中占據著重要角色。在計算機中易失性存儲器最典型的代表是內存，非易失性存儲器的代表則是硬盤。

2 RAM 存儲器

RAM 是“ Random Access Memory”的縮寫，被譯為隨機存儲器。所謂“隨機存取”，指的是當存儲器中的消息被讀取或寫入時，所需要的時間與這段信息所在的位置無關。這個詞的由來是因為早期計算機曾使用磁鼓作為存儲器，磁鼓是順序讀寫設備，而 RAM 可隨讀取其內部任意地址的數據，時間都是相同的，因此得名。實際上現在 RAM 已經專門用于指代作為計算機內存的易失性半導體存儲器。根據 RAM 的存儲機制，又分為動態隨機存儲器 DRAM(Dynamic RAM)以及靜態隨機存儲器 SRAM(Static RAM)兩種。

2.1 DRAM

動態隨機存儲器 DRAM 的存儲單元以電容的電荷來表示數據，有電荷代表 1，無電荷代表 0，見圖 2。但時間一長，代表 1 的電容會放電，代表 0 的電容會吸收電荷，因此它需要定期刷新操作，這就是“動態(Dynamic)”一詞所形容的特性。刷新操作會對電容進行檢查，若電量大于滿電量的 1/2，則認為其代表 1，并把電容充滿電；若電量小于 1/2，則認為其代表 0，并把電容放電，藉此來保證數據的正確性。

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圖2 DRAM 存儲單元

1) SDRAM

根據 DRAM 的通訊方式，又分為同步和異步兩種，這兩種方式根據通訊時是否需要使用時鐘信號來區分。圖 3 是一種利用時鐘進行同步的通訊時序，它在時鐘的上升沿表示有效數據。

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圖3 同步通訊時序圖

由于使用時鐘同步的通訊速度更快，所以同步 DRAM 使用更為廣泛，這種 DRAM 被稱為 SDRAM(Synchronous DRAM)。

2) DDR SDRAM

為了進一步提高 SDRAM 的通訊速度，人們設計了 DDR SDRAM 存儲器(Double DataRate SDRAM)。它的存儲特性與 SDRAM 沒有區別，但 SDRAM 只在上升沿表示有效數據，在 1 個時鐘周期內，只能表示 1 個有數據；而 DDR SDRAM 在時鐘的上升沿及下降沿各表示一個數據，也就是說在 1 個時鐘周期內可以表示 2 位數據，在時鐘頻率同樣的情況下，提高了一倍的速度。至于 DDRII 和 DDRIII，它們的通訊方式并沒有區別，主要是通訊同步時鐘的頻率提高了。當前個人計算機常用的內存條是 DDRIII SDRAM 存儲器，在一個內存條上包含多個DDRIII SDRAM 芯片。

2.2 SRAM

靜態隨機存儲器 SRAM 的存儲單元以鎖存器來存儲數據，見圖 23-4。這種電路結構不需要定時刷新充電，就能保持狀態(當然，如果斷電了，數據還是會丟失的)，所以這種存儲器被稱為“靜態(Static)” RAM。

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圖4 SRAM 存儲單元

同樣地， SRAM 根據其通訊方式也分為同步(SSRAM)和異步 SRAM，相對來說，異步SRAM 用得比較廣泛。

2.3 DRAM 與 SRAM 的應用場合

對比 DRAM 與 SRAM 的結構，可知 DRAM 的結構簡單得多，所以生產相同容量的存儲器， DRAM 的成本要更低，且集成度更高。而 DRAM 中的電容結構則決定了它的存取速度不如 SRAM，特性對比見表1。

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表1 DRAM 與 SRAM 對比特性 DRAM SRAM

所以在實際應用場合中， SRAM 一般只用于 CPU 內部的高速緩存(Cache)，而外部擴展的內存一般使用 DRAM。在 STM32 系統的控制器中，只有 STM32F429 型號或更高級的芯片才支持擴展 SDRAM，其它型號如 STM32F1、 STM32F2 及 STM32F407 等型號只能擴展 SRAM。

3 非易失性存儲器

非易失性存儲器種類非常多，半導體類的有 ROM 和 FLASH，而其它的則包括光盤、軟盤及機械硬盤。

3.1 ROM 存儲器

ROM 是“ Read Only Memory”的縮寫，意為只能讀的存儲器。由于技術的發展，后來設計出了可以方便寫入數據的 ROM，而這個“ Read Only Memory”的名稱被沿用下來了，現在一般用于指代非易失性半導體存儲器，包括后面介紹的 FLASH 存儲器，有些人也把它歸到 ROM 類里邊。

1) MASK ROM

MASK(掩膜) ROM 就是正宗的“ Read Only Memory”，存儲在它內部的數據是在出廠時使用特殊工藝固化的，生產后就不可修改，其主要優勢是大批量生產時成本低。當前在生產量大，數據不需要修改的場合，還有應用。

2) OTPROM

OTPROM(One Time Programable ROM)是一次可編程存儲器。這種存儲器出廠時內部并沒有資料，用戶可以使用專用的編程器將自己的資料寫入，但只能寫入一次，被寫入過后，它的內容也不可再修改。在 NXP 公司生產的控制器芯片中常使用 OTPROM 來存儲密鑰；在 STM32F429 芯片中也具有一部分 OTPROM 空間。

3) EPROM

EPROM(Erasable Programmable ROM)是可重復擦寫的存儲器，它解決了 PROM 芯片只能寫入一次的問題。這種存儲器使用紫外線照射芯片內部擦除數據，擦除和寫入都要專用的設備。現在這種存儲器基本淘汰，被 EEPROM 取代。

4) EEPROM

EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是電可擦除存儲器。 EEPROM 可以重復擦寫，它的擦除和寫入都是直接使用電路控制，不需要再使用外部設備來擦寫。而且可以按字節為單位修改數據，無需整個芯片擦除。現在主要使用的 ROM 芯片都是

EEPROM。

3.2 FLASH 存儲器

FLASH 存儲器又稱為閃存，它也是可重復擦寫的儲器，部分書籍會把 FLASH 存儲器稱為 FLASH ROM，但它的容量一般比 EEPROM 大得多，且在擦除時，一般以多個字節為單位。如有的 FLASH 存儲器以 4096 個字節為扇區，最小的擦除單位為一個扇區。根據存儲單元電路的不同， FLASH 存儲器又分為 NOR FLASH 和 NAND FLASH，見表2。

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表2 NOR FLASH 與 NAND FLASH 特性對比特性 NOR FLASH NAND FLASH

NOR 與 NAND 的共性是在數據寫入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇區/塊”為單位的。而 NOR 與 NAND 特性的差別，主要是由于其內部“地址/數據線”是否分開導致的。由于 NOR 的地址線和數據線分開，它可以按“字節”讀寫數據，符合 CPU 的指令譯碼執行要求，所以假如 NOR 上存儲了代碼指令， CPU 給 NOR 一個地址， NOR 就能向CPU 返回一個數據讓 CPU 執行，中間不需要額外的處理操作。而由于 NAND 的數據和地址線共用，只能按“塊”來讀寫數據，假如 NAND 上存儲了代碼指令， CPU 給 NAND 地址后，它無法直接返回該地址的數據，所以不符合指令譯碼要求。表2 中的最后一項“是否支持 XIP”描述的就是這種立即執行的特性(eXecute InPlace)。若代碼存儲在 NAND 上，可以把它先加載到 RAM 存儲器上，再由 CPU 執行。所以在功能上可以認為 NOR 是一種斷電后數據不丟失的 RAM，但它的擦除單位與 RAM 有區別，且讀寫速度比 RAM 要慢得多。另外， FLASH 的擦除次數都是有限的(現在普遍是 10 萬次左右)，當它的使用接近壽命的時候，可能會出現寫操作失敗。由于 NAND 通是整塊擦寫，塊內有一位失效整個塊就會失效，這被稱為壞塊，而且由于擦寫過程復雜，從整體來說 NOR 塊塊更少，壽命更長。由于可能存在壞塊，所以 FLASH 存儲器需要“探測/錯誤更正(EDC/ECC)”算法來確保數據的正確性。由于兩種 FLASH 存儲器特性的差異， NOR FLASH 一般應用在代碼存儲的場合，如嵌入式控制器內部的程序存儲空間。而 NAND FLASH 一般應用在大數據量存儲的場合，包括 SD 卡、 U 盤以及固態硬盤等，都是 NAND FLASH 類型的。