第20章

常用存儲器介紹

20.1

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。基本的存儲器種類見圖21_1。

圖20?1 基本存儲器種類

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。

20.2

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可隨機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。

20.2.1

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21_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。

圖21?2 DRAM存儲單元

20.2.1.1

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21_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。

圖21?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）。

20.2.1.2

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 Data Rate 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。

20.2.2. 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21_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。

圖 21?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。

20.2.3. 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21?1。

表 21?1 DRAM與SRAM對比

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。

20.3. 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。

20.3.1. 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。

20.3.1.1. 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。

20.3.1.2. 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。

20.3.1.3. 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。

20.3.1.4. 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。

20.3.2. 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 21?2。

表 21?2 NOR FLASH 與NAND FLASH特性對比

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 21?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 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通常是整塊擦寫，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壽命較長。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。

在本教程中會對如何使用RAM、EEPROM、FLASH存儲器進行實例講解。