常用存儲器介紹

21.1. 存儲器種類

存儲器是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。存儲器是用來存儲程序代碼和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲器計(jì)算機(jī)才具有記憶功能。基本的存儲器種類見 圖21_1。

圖 21?1 基本存儲器種類

存儲器按其存儲介質(zhì)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(shù)據(jù)內(nèi)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(shù)據(jù)，它們都在計(jì)算機(jī)中占據(jù)著重要角色。在計(jì)算機(jī)中易失性存儲器最典型的代表是內(nèi)存，非易失性存儲器的代表則是硬盤。

21.2. RAM存儲器

RAM是“Random Access Memory”的縮寫，被譯為隨機(jī)存儲器。所謂“隨機(jī)存取”，指的是當(dāng)存儲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關(guān)。這個(gè)詞的由來是因?yàn)樵缙谟?jì)算機(jī)曾使用磁鼓作為存儲器，磁鼓是順序讀寫設(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)專門用于指代作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存的易失性半導(dǎo)體存儲器。

根據(jù)RAM的存儲機(jī)制，又分為動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM(Dynamic RAM)以及靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM(Static RAM)兩種。

21.2.1. DRAM

動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM的存儲單元以電容的電荷來表示數(shù)據(jù)，有電荷代表1，無電荷代表0，見 圖21_2。 但時(shí)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(tài)(Dynamic)”一詞所形容的特性。刷新操作會對電容進(jìn)行檢查，若電量大于滿電量的1/2，則認(rèn)為其代表1，并把電容充滿電；若電量小于1/2，則認(rèn)為其代表0，并把電容放電，藉此來保證數(shù)據(jù)的正確性。

圖 21?2 DRAM存儲單元

21.2.1.1. 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)鐘信號來區(qū)分。圖21_3 是一種利用時(shí)鐘進(jìn)行同步的通訊時(shí)序，它在時(shí)鐘的上升沿表示有效數(shù)據(jù)。

圖 21?3 同步通訊時(shí)序圖

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被稱為SDRAM(Synchronous DRAM)。

21.2.1.2. DDR SDRAM

為了進(jìn)一步提高SDRAM的通訊速度，人們設(shè)計(jì)了DDR SDRAM存儲器(Double Data Rate SDRAM)。 它的存儲特性與SDRAM沒有區(qū)別，但SDRAM只在上升沿表示有效數(shù)據(jù)，在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，只能表示1個(gè)有數(shù)據(jù)； 而DDR SDRAM在時(shí)鐘的上升沿及下降沿各表示一個(gè)數(shù)據(jù)，也就是說在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(qū)別，主要是通訊同步時(shí)鐘的頻率提高了。

當(dāng)前個(gè)人計(jì)算機(jī)常用的內(nèi)存條是DDRIII SDRAM存儲器，在一個(gè)內(nèi)存條上包含多個(gè)DDRIII SDRAM芯片。

21.2.2. SRAM

靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM的存儲單元以鎖存器來存儲數(shù)據(jù)，見 圖21_4。 這種電路結(jié)構(gòu)不需要定時(shí)刷新充電，就能保持狀態(tài)(當(dāng)然，如果斷電了，數(shù)據(jù)還是會丟失的)，所以這種存儲器被稱為“靜態(tài)(Static)”RAM。

圖 21?4 SRAM存儲單元

同樣地，SRAM根據(jù)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。

21.2.3. DRAM與SRAM的應(yīng)用場合

對比DRAM與SRAM的結(jié)構(gòu)，可知DRAM的結(jié)構(gòu)簡單得多，所以生產(chǎn)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(jié)構(gòu)則決定了它的存取速度不如SRAM，特性對比見 表21?1。

表 21?1 DRAM與SRAM對比

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所以在實(shí)際應(yīng)用場合中，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。

21.3. 非易失性存儲器

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

21.3.1. 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(shù)的發(fā)展，后來設(shè)計(jì)出了可以方便寫入數(shù)據(jù)的ROM， 而這個(gè)“Read Only Memory”的名稱被沿用下來了，現(xiàn)在一般用于指代非易失性半導(dǎo)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。

21.3.1.1. MASK ROM

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

21.3.1.2. OTPROM

OTPROM(One Time Programable ROM)是一次可編程存儲器。這種存儲器出廠時(shí)內(nèi)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(nèi)容也不可再修改。在NXP公司生產(chǎn)的控制器芯片中常使用OTPROM來存儲密鑰。

21.3.1.3. EPROM

EPROM(Erasable Programmable ROM)是可重復(fù)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(nèi)部擦除數(shù)據(jù)，擦除和寫入都要專用的設(shè)備。現(xiàn)在這種存儲器基本淘汰，被EEPROM取代。

21.3.1.4. EEPROM

EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是電可擦除存儲器。EEPROM可以重復(fù)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(shè)備來擦寫。而且可以按字節(jié)為單位修改數(shù)據(jù)，無需整個(gè)芯片擦除。現(xiàn)在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。

21.3.2. FLASH存儲器

FLASH存儲器又稱為閃存，它也是可重復(fù)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(shí)，一般以多個(gè)字節(jié)為單位。如有的FLASH存儲器以4096個(gè)字節(jié)為扇區(qū)，最小的擦除單位為一個(gè)扇區(qū)。根據(jù)存儲單元電路的不同，F(xiàn)LASH存儲器又分為NOR FLASH和NAND FLASH，見表 21?2。

表 21?2 NOR FLASH 與NAND FLASH特性對比

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NOR與NAND的共性是在數(shù)據(jù)寫入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇區(qū)/塊”為單位的。而NOR與NAND特性的差別，主要是由于其內(nèi)部“地址/數(shù)據(jù)線”是否分開導(dǎo)致的。

由于NOR的地址線和數(shù)據(jù)線分開，它可以按“字節(jié)”讀寫數(shù)據(jù)，符合CPU的指令譯碼執(zhí)行要求，所以假如NOR上存儲了代碼指令，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”來讀寫數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，所以不符合指令譯碼要求。表 21?2中的最后一項(xiàng)“是否支持XIP”描述的就是這種立即執(zhí)行的特性(eXecute In Place)。

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(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，且讀寫速度比RAM要慢得多。

另外，F(xiàn)LASH的擦除次數(shù)都是有限的(現(xiàn)在普遍是10萬次左右)，當(dāng)它的使用接近壽命的時(shí)候，可能會出現(xiàn)寫操作失敗。由于NAND通常是整塊擦寫，塊內(nèi)有一位失效整個(gè)塊就會失效，這被稱為壞塊，而且由于擦寫過程復(fù)雜，從整體來說NOR壽命較長。由于可能存在壞塊，所以FLASH存儲器需要“探測/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)”算法來確保數(shù)據(jù)的正確性。

由于兩種FLASH存儲器特性的差異，NOR FLASH一般應(yīng)用在代碼存儲的場合，如嵌入式控制器內(nèi)部的程序存儲空間。而NAND FLASH一般應(yīng)用在大數(shù)據(jù)量存儲的場合，包括SD卡、U盤以及固態(tài)硬盤等，都是NAND FLASH類型的。

在本教程中會對如何使用RAM、EEPROM、FLASH存儲器進(jìn)行實(shí)例講解。