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一文讀懂RAM、ROM、SRAM、DRAM、SDRAM等內存概念

2020-10-09
來源:芯路芯語
關鍵詞: ROM RAM

  ROMRAM指的都是半導體存儲器

  ROM在系統停止供電的時候仍然可以保持數據

  RAM通常都是在掉電之后就丟失數據,典型的就是計算機的內存。

  一、ROM也有很多種:PROM(可編程的ROM)、EPROM(可擦除可編程ROM)、EEPROM

  1、PROM是一次性的,早期的產品,現在已經不可能使用了;

  2、EPROM是通過紫外光的照射擦出原先的程序,是一種通用的存儲器;

  3、EEPROM是通過電子擦出,價格很高,寫入時間很長,寫入很慢;

  舉個例子,手機軟件一般放在EEPROM中,我們打電話,有些最后撥打的號碼,暫時是存在SRAM中的,不是馬上寫入通訊記錄(通話記錄保存在EEPROM中),因為當時有很重要工作(通話)要做,如果寫入,漫長的等待是讓用戶忍無可忍的。

  二、RAM有兩大類:靜態RAM(StaticRAM/SRAM)和動態RAM(Dynamic RAM/DRAM)

  1、SRAM

  不需要刷新電路,掉電丟失數據,而且一般不是行列地址復用的。

  集成度比較低,不適合做容量大的內存,一般是用在處理器的緩存里面。像S3C2440的ARM9處理器里面就有4K的SRAM用來做CPU啟動時用的;

  SRAM內部采用的是雙穩態電路的形式來存儲數據;

  制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多;

  因此目前SRAM基本上只用于CPU內部的一級緩存以及內置的二級緩存。僅有少量的網絡服務器以及路由器上能夠使用SRAM。

  2、DRAM

  掉電丟失數據。每隔一段時間就要刷新一次數據,才能保存數據。而且是行列地址復用的,許多都有頁模式。DRAM利用MOS管的柵電容上的電荷來存儲信息,一旦掉電信息會全部的丟失,由于柵極會漏電,所以每隔一定的時間就需要一個刷新機構給這些柵電容補充電荷,并且每讀出一次數據之后也需要補充電荷,這個就叫動態刷新,所以稱其為動態隨機存儲器。由于它只使用一個MOS管來存信息,所以集成度可以很高,容量能夠做的很大。SDRAM比它多了一個與CPU時鐘同步。

  DRAM保留數據的時間很短,速度也比SRAM慢,不過它還是比任何的ROM都要快;

  從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很多,計算機內存就是DRAM的;

  DRAM分為很多種,常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等,這里介紹其中的一種DDR RAM。

  一個DRAM的存儲單元存儲的是0還是1取決于電容是否有電荷,有電荷代表1,無電荷代表0。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,這就是數據丟失的原因;刷新操作定期對電容進行檢查,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,藉此來保持數據的連續性。

  2.1、DDR RAM(Data-Rate RAM)也稱作DDR SDRAM

  這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的,不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據,這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內存。在很多高端的顯卡上,也配備了高速DDR RAM來提高帶寬,這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

  2.2、SDRAM(Synchronous DRAM,同步動態隨機存儲器)

  即數據的讀寫需要時鐘來同步。

  其存儲單元不是按線性排列的,是分頁的。

  DRAM和SDRAM由于實現工藝問題,容量較SRAM大。但是讀寫速度不如SRAM。

  一般的嵌入式產品里面的內存都是用的SDRAM。

  三、Flash(閃存)

  它結合了ROM和RAM的長處,不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能,還不會斷電丟失數據同時可以快速讀取數據(NVRAM的優勢),U盤和MP3里用的就是這種存儲器。

  在過去的20年里,嵌入式系統一直使用ROM(EPROM)作為它們的存儲設備,然而近年來Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系統中的地位,它用作存儲Bootloader以及操作系統或者程序代碼,或者直接當硬盤使用(U盤)。

  采用的并行接口,有獨立的地址線和數據線,性能特點更像內存,是芯片內執行(XIP, eXecute In Place),這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。

  NAND采用的是串行的接口,地址線和數據線是共用的I/O線,類似電腦硬盤。CPU從里面讀取數據的速度很慢,所以一般用NAND做閃存的話就必須把NAND里面的數據先讀到內存里面,然后CPU才能夠執行。無法尋址和直接運行程序,只能存儲數據。另外NAND FLASH非常容易出現壞區,所以需要有校驗的算法。

  NOR Flash:用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH里面的代碼

  目前Flash主要有NOR Flash和NADN Flash

  1、類型

  分為NOR(或非)、 NAND(與非)

  2、接口理解

  NOR(或非)----地址、數據總線分開;

  NAND(與非)----地址、數據總線共用。

  3、讀寫單位:

  NOR(或非)----字節;

  NAND(與非)----頁

  4、組成結構:

  NOR(或非)----扇區、字節;

  NAND(與非)----塊、頁;

  5、擦除單位:

  NOR(或非)----扇區;

  NAND(與非)----塊;

  6、讀寫擦除速度

  NOR的讀速度比NAND稍快一些。

  NAND的寫入/擦除速度比NOR快很多。

  flash閃存是非易失存儲器,可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行,所以大多數情況下,在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的,而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。由于擦除NOR器件時是以64~128KB的塊進行的,執行一個寫入/擦除操作的時間為5s,與此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的塊進行的,執行相同的操作最多只需要4ms。

  NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。

  (注:NOR FLASH SECTOR擦除時間視品牌、大小不同而不同,比如,4M FLASH,有的SECTOR擦除時間為60ms,而有的需要最大6s。)

  7、容量

  NOR flash占據了容量為1~16MB閃存市場的大部分

  NAND flash只是用在8~128MB的產品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中,NAND適合于數據存儲

  8、可靠性和耐用性:

  可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

  A)壽命(耐用性)

  在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次,而NOR的擦寫次數是十萬次。

  NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

  B)位交換

  所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發生的次數要比NOR多),一個比特(bit)位會發生反轉或被報告反轉了。

  一位的變化可能不很明顯,但是如果發生在一個關鍵文件上,這個小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問題,多讀幾次就可能解決了。

  當然,如果這個位真的改變了,就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。

  這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然,如果用本地存儲設備來存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。

  C)壞塊處理

  NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊,并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中,如果通過可靠的方法不能進行這項處理,將導致高故障率。

  9、易于使用:

  基于NOR的閃存,可以像其他存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。

  由于NANDLFASH需要I/O接口,所以要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

  在使用NAND器件時,必須先寫入驅動程序,才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧,因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

  10、軟件支持:

  在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持;

  在NAND器件上進行執行操作時,通常需要 驅動程序,也就是內存技術驅動程序(MTD);

  NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。

  11、尋址:

  NAND每次讀取數據時都是指定塊地址、頁地址、列地址,列地址就是讀的頁內起始地址,每次都是先將數據讀入頁緩沖區內,再 由I/O輸入地址 在緩沖區內尋址,其實這里列地址,只是指定起始地址的作用。NAND是以頁為基本單位 操作的。寫入數據也是首先在頁面緩沖區內緩沖,數據首先寫入這里,再寫命令后,再統一寫入頁內。因此NAND頁緩沖區的作用就是,保證芯片的按頁的讀、寫操作,是I/O操作與芯片操作的接口、橋梁,因為數據是從I/O輸入的,又是每次一個字節,因此需要緩沖。即使每次改寫一個字節,都要重寫整個頁,因為它只支持頁寫,而且如果頁內有未擦除的部分,則無法編程,在寫入前必須保證頁是空的。

  NOR的 讀、寫是字節為基本單位操作的,但擦除是以扇區操作的。

  綜上所述在芯片操作上,NAND要比NOR快很多,因為NAND是頁操作的而NOR是字節操作的。

  12、應用:

  NAND 正是基于這種構造:塊、頁,無法字節尋址,頁讀寫本身就靠的是內部復雜的串、并行轉換 ,因此也沒有很多地址引腳,所以其地址、數據線共用,所以容量可以做的很大 。

  NOR 是和SRAM一樣的可隨機存儲的,也不需要驅動,因此,其地址就有限,所以容量普遍較小,其實是受限于地址線。

  基于以上幾點,在工業領域,NOR 用的較多,特別是程序存儲,少量數據存儲等。

  在消費領域,大量數據存儲,NAND較多。

  Flash ROM是利用浮置柵上的電容存儲電荷來保存信息,因為浮置柵不會漏電,所以斷電后信息仍然可以保存。也由于其機構簡單所以集成度可以做的很高,容量可以很大。Flash rom寫入前需要用電進行擦除,而且擦除不同與EEPROM可以以byte(字節)為單位進行,flash rom只能以sector(扇區)為單位進行。不過其寫入時可以byte為單位。flash rom主要用于bios,U盤,Mp3等需要大容量且斷電不丟數據的設備

  存儲器局限性

  閃存最關鍵的限制可能是寫/擦除周期數有限。

  為應對這種限制,可采用固件或文件系統驅動器,對存儲器寫的次數進行逐次計數。這些軟件將動態地重新映射這些塊,在扇區間分享寫操作。換句話說,萬一寫操作失敗,軟件通過寫驗證和重新映射向未使用的扇區授權寫操作。

  像RAM一樣,閃存可以一個字節或一個字一次進行讀或編程,但擦除必須是一次進行一個完整的塊,將塊中的所有位重新置位為1。這意味著需要花更多時間進行編程。例如,如果將一位(0)寫入一個塊,要對該塊重新編程,就必須完全擦除此塊,而不是僅僅重寫該位。

 

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