存儲(chǔ)器種類(lèi)

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)才具有記憶功能。基本的存儲(chǔ)器種類(lèi)見(jiàn)圖基本存儲(chǔ)器種類(lèi)。

存儲(chǔ)器按其存儲(chǔ)介質(zhì)特性主要分為“易失性存儲(chǔ)器”和“非易失性存儲(chǔ)器”兩大類(lèi)。其中的“易失性/非易失”是指存儲(chǔ)器斷電之后，它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容是否會(huì)丟失的特性。由于一般易失性存儲(chǔ)器存取速度快，而非易失性存儲(chǔ)器可長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，它們?cè)谟?jì)算機(jī)中占據(jù)著非常重要的角色。在計(jì)算機(jī)中易失性存儲(chǔ)器最典型的代表是內(nèi)存，非易失性存儲(chǔ)器的代表則是硬盤(pán)。

RAM存儲(chǔ)器

RAM是“Random Access Memory”的縮寫(xiě)，被譯為隨機(jī)存儲(chǔ)器，指的是當(dāng)存儲(chǔ)器中的消息被讀取或?qū)懭霑r(shí)，所需要的時(shí)間與這段信息所在的位置無(wú)關(guān)。這個(gè)詞的由來(lái)是因?yàn)樵缙谟?jì)算機(jī)中曾使用磁鼓作為存儲(chǔ)器，磁鼓就是順序讀寫(xiě)設(shè)備，而RAM可隨機(jī)讀取其內(nèi)部任意地址的數(shù)據(jù)，時(shí)間都是相同的，因此得名。實(shí)際上現(xiàn)在RAM已經(jīng)專(zhuān)門(mén)用于指代作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存的易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。

根據(jù)RAM的存儲(chǔ)機(jī)制，又分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM(Dynamic RAM)以及靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM(Static RAM)兩種。

DRAM

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM的存儲(chǔ)單元以電容的電荷來(lái)表示數(shù)據(jù)，有電荷代表1，無(wú)電荷代表0，見(jiàn)圖DRAM存儲(chǔ)單元。但時(shí)間一長(zhǎng)，代表1的電容會(huì)放電，代表0的電容會(huì)吸收電荷，因此它需要定期刷新操作，這就是“動(dòng)態(tài)(Dynamic)”一詞所形容的特性。刷新操作會(huì)對(duì)電容進(jìn)行檢查，若電量大于滿電量的1/2，則認(rèn)為其代表1，并把電容充滿，若電量小于1/2，則認(rèn)為其代表0，并把電容放電，以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性。

SDRAM

根據(jù)DRAM的通訊方式，又分為同步和異步兩種，這兩種方式根據(jù)通訊時(shí)是否需要使用時(shí)鐘信號(hào)來(lái)區(qū)分，圖同步通訊時(shí)序圖是一種利用時(shí)鐘進(jìn)行同步的通訊時(shí)序，它在時(shí)鐘上升沿表示有效數(shù)據(jù)。

由于使用時(shí)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(chēng)為SDRAM(Synchronous DRAM)

DDR SDRAM

為了進(jìn)一步提高SDRAM的通訊速度，人們?cè)O(shè)計(jì)了DDR SDRAM存儲(chǔ)器(Double Data Rate SDRAM)。它的存儲(chǔ)特性與SDRAM沒(méi)有區(qū)別，但SDRAM只在上升沿表示有效數(shù)據(jù)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，只能表示1個(gè)有效數(shù)據(jù)，而DDR SDRAM在時(shí)鐘的上升沿和下降沿各表示一個(gè)數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以表示2位數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘頻率相同的情況下，提高了一倍的速率。至于DDR2和DDR3，他們的通訊方式?jīng)]有區(qū)別，主要是通訊同步時(shí)鐘的頻率提高了。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)常用的內(nèi)存條是DDR3 SDRAM存儲(chǔ)器，在一個(gè)內(nèi)存條上包含多個(gè)DDR3 SDRAM芯片。

SRAM

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM的存儲(chǔ)單元以鎖存器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖SRAM存儲(chǔ)單元。這種電路結(jié)構(gòu)不需要定期刷新充電;就能保持狀態(tài)。(當(dāng)然，如果斷電了，數(shù)據(jù)還是會(huì)丟失);所以這種存儲(chǔ)器被稱(chēng)為“靜態(tài)(Static)”RAM。

同樣地，SRAM根據(jù)其通訊方式也分為同步(SSRAM)和異步(SRAM)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，異步SRAM使用的較為廣泛。

DRAM和SRAM的應(yīng)用場(chǎng)合

對(duì)比DRAM與SRAM的結(jié)構(gòu)，可知DRAM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多，所以生產(chǎn)相同容量的存儲(chǔ)器，DRAM的成本要低，且集成度更高，而DRAM中的電容結(jié)構(gòu)則決定了它們的存儲(chǔ)速度不如SRAM，特性的對(duì)比見(jiàn)下表。

所以在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，SRAM一般只用于CPU內(nèi)部的高速緩存(Cache)，而外部擴(kuò)展的內(nèi)存一般使用DRAM。在STM32系統(tǒng)的控制器中，只有STM32F429型號(hào)或者更高型號(hào)的芯片才支持?jǐn)U展SDRAM，其他型號(hào)如STM32F1、STM32F2及STM32F2407只能擴(kuò)展SRAM。

非易失性存儲(chǔ)器

非易失性存儲(chǔ)器種類(lèi)非常多，半導(dǎo)體類(lèi)的有ROM和FLASH，而其它的則包括光盤(pán)、軟盤(pán)及機(jī)械硬盤(pán)。

ROM存儲(chǔ)器

ROM是“Read Only Memory”的縮寫(xiě)，意為只讀存儲(chǔ)器。由于技術(shù)的發(fā)展，后來(lái)設(shè)計(jì)出來(lái)可以方便寫(xiě)入數(shù)據(jù)的ROM，而這個(gè)“Read Only Memory”的名稱(chēng)被保留下來(lái)，現(xiàn)在一般用于指代非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，包括后面介紹的FLASH存儲(chǔ)器，有些人也把它歸為ROM類(lèi)里邊。

MASK ROM

MASK(掩膜)ROM就是正宗的“Read Only Memory”，存儲(chǔ)在它內(nèi)部的數(shù)據(jù)是在出廠時(shí)使用特殊的工藝固化的，生產(chǎn)之后不可修改，其主要優(yōu)勢(shì)是大批量生產(chǎn)時(shí)成本低，當(dāng)前在生產(chǎn)量大，數(shù)據(jù)不需要修改的場(chǎng)合，還有應(yīng)用。

OTPROM

OTPROM(One Time Programmable ROM)是一次可編程存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器出廠時(shí)內(nèi)部并沒(méi)有資料，用戶可以使用專(zhuān)門(mén)的編輯器將自己的資料寫(xiě)入，但只能寫(xiě)入一次，被寫(xiě)入過(guò)后，它的內(nèi)容也不能修改。在NXP公司生產(chǎn)的控制器芯片中常使用OTPROM來(lái)存儲(chǔ)密鑰或設(shè)備獨(dú)有的mac地址等內(nèi)容。

EPROM

EPROM(Erasable Programmable ROM) 是可重復(fù)擦寫(xiě)的存儲(chǔ)器，它解決了 PROM 芯片只能寫(xiě)入一 次的問(wèn)題。這種存儲(chǔ)器使用紫外線照射芯片內(nèi)部擦除數(shù)據(jù)，擦除和寫(xiě)入都要專(zhuān)用的設(shè)備?，F(xiàn)在這 種存儲(chǔ)器基本淘汰，被 EEPROM 取代

EEPROM

EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 是電可擦除存儲(chǔ)器。 EEPROM 可以重復(fù)擦寫(xiě)，它 的擦除和寫(xiě)入都是直接使用電路控制，不需要再使用外部設(shè)備來(lái)擦寫(xiě)。而且可以按字節(jié)為單位修 改數(shù)據(jù)，無(wú)需整個(gè)芯片擦除?，F(xiàn)在主要使用的 ROM 芯片都是EEPROM。

FLASH存儲(chǔ)器

FLASH存儲(chǔ)器又被稱(chēng)為閃存，它也是可重復(fù)擦寫(xiě)的存儲(chǔ)器，部分書(shū)籍也會(huì)把FALSH存儲(chǔ)器稱(chēng)為FLASH ROM，但它的容量一般比EEPROM大的多，且在擦除時(shí)，一般以多個(gè)字節(jié)為單位，如有的FLASH存儲(chǔ)器以4096個(gè)字節(jié)為扇區(qū)，最小的擦除單位為1個(gè)扇區(qū)，根據(jù)存儲(chǔ)單元電路的不同，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器又分為NOR FLASH和NAND FLASH，見(jiàn)下表。

NOR和NAND的共性是在數(shù)據(jù)寫(xiě)入之前都需要要擦除操作，而擦除操作一般是以“扇區(qū)/塊”為單位的。而NOR和NAND特性的差別，主要是由于其內(nèi)部“地址/數(shù)據(jù)線”是否分開(kāi)導(dǎo)致的。

由于NOR的地址線和數(shù)據(jù)線是分開(kāi)的，它可以按字節(jié)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，符合CPU的指令譯碼要求。所以假如NOR上存儲(chǔ)了代碼指令，CPU給NOR一個(gè)地址，NOR就能向CPU返回一個(gè)數(shù)據(jù)讓CPU執(zhí)行，中間不需要額外的處理操作。

而由于NAND的數(shù)據(jù)和地址線共用，只能按“塊”來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，假如NAND上存儲(chǔ)了代碼指令，CPU給NAND地址后，它無(wú)法直接返回該地址的數(shù)據(jù)，所以不符合指令譯碼要求。表中最后一項(xiàng)是否支持XIP描述的就是這種立即執(zhí)行的特性。

若代碼存儲(chǔ)在NAND上，可以把它先加載到RAM存儲(chǔ)器上， 再由CPU執(zhí)行。所以在功能上可以認(rèn)為NOR是一種斷電后數(shù)據(jù)不丟失的RAM，但它的擦除單位與RAM有區(qū)別，且讀寫(xiě)速度比RAM要慢的多。

另外，F(xiàn)LASH的擦除次數(shù)都是有限的，現(xiàn)在普遍是10萬(wàn)次左右，當(dāng)它的使用接近壽命時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)寫(xiě)操作失敗。由于NAND通常是整塊擦寫(xiě)，塊內(nèi)有一位失效整個(gè)塊就會(huì)失效，這被稱(chēng)為壞塊，而且由于擦寫(xiě)過(guò)程復(fù)雜，從整體上來(lái)所NOR壞塊更少，壽命更長(zhǎng)，由于存在壞塊，所以FLASH存儲(chǔ)器需要“探測(cè)/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)”算法來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性。

由于兩種FLASH存儲(chǔ)器特性的差異，NOR FLASH一般應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)的場(chǎng)合，如嵌入式微控制器內(nèi)部的程序存儲(chǔ)空間，而NAND FLASH一般用于在大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)的場(chǎng)合，包括SD卡、U盤(pán)以及固態(tài)硬盤(pán)等都是NAND FLASH類(lèi)型的。