存儲器種類

存儲器是計算機(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，有了存儲器計算機(jī)才具有記憶功能。基本的存儲器種類見圖基本存儲器種類。

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“易失性/非易失”是指存儲器斷電之后，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)，它們在計算機(jī)中占據(jù)著非常重要的角色。在計算機(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。

RAM存儲器

RAM是“Random Access Memory”的縮寫，被譯為隨機(jī)存儲器，指的是當(dāng)存儲器中的消息被讀取或?qū)懭霑r，所需要的時間與這段信息所在的位置無關(guān)。這個詞的由來是因為早期計算機(jī)中曾使用磁鼓作為存儲器，磁鼓就是順序讀寫設(shè)備，而RAM可隨機(jī)讀取其內(nèi)部任意地址的數(shù)據(jù)，時間都是相同的，因此得名。實際上現(xiàn)在RAM已經(jīng)專門用于指代作為計算機(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。

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DRAM存儲單元。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(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，若電量小于1/2，則認(rèn)為其代表0，并把電容放電，以此來保證數(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)通訊時是否需要使用時鐘信號來區(qū)分，圖同步通訊時序圖是一種利用時鐘進(jìn)行同步的通訊時序，它在時鐘上升沿表示有效數(shù)據(jù)。

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)

DDR SDRAM

為了進(jìn)一步提高SDRAM的通訊速度，人們設(shè)計了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)，在一個時鐘周期內(nèi)，只能表示1個有效數(shù)據(jù)，而DDR SDRAM在時鐘的上升沿和下降沿各表示一個數(shù)據(jù)，也就是說在1個時鐘周期內(nèi)可以表示2位數(shù)據(jù)，在時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，主要是通訊同步時鐘的頻率提高了。

當(dāng)前計算機(jī)常用的內(nèi)存條是DDR3 SDRAM存儲器，在一個內(nèi)存條上包含多個DDR3 SDRAM芯片。

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SRAM存儲單元。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)還是會丟失);所以這種存儲器被稱為“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)，相對來說，異步SRAM使用的較為廣泛。

DRAM和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)簡單的多，所以生產(chǎn)相同容量的存儲器，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速度不如SRAM，特性的對比見下表。

所以在實際應(yīng)用場合，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型號或者更高型號的芯片才支持?jǐn)U展SDRAM，其他型號如STM32F1、STM32F2及STM32F2407只能擴(kuò)展SRAM。

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。

ROM存儲器

ROM是“Read Only Memory”的縮寫，意為只讀存儲器。由于技術(shù)的發(fā)展，后來設(shè)計出來可以方便寫入數(shù)據(jù)的ROM，而這個“Read Only Memory”的名稱被保留下來，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，有些人也把它歸為ROM類里邊。

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)勢是大批量生產(chǎn)時成本低，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。

OTPROM

OTPROM(One Time Programmable ROM)是一次可編程存儲器，這種存儲器出廠時內(nèi)部并沒有資料，用戶可以使用專門的編輯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)容也不能修改。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

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)，無需整個芯片擦除。現(xiàn)在主要使用的 ROM 芯片都是EEPROM。

FLASH存儲器

FLASH存儲器又被稱為閃存，它也是可重復(fù)擦寫的存儲器，部分書籍也會把FALSH存儲器稱為FLASH ROM，但它的容量一般比EEPROM大的多，且在擦除時，一般以多個字節(jié)為單位，如有的FLASH存儲器以4096個字節(jié)為扇區(qū)，最小的擦除單位為1個扇區(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，見下表。

NOR和NAND的共性是在數(shù)據(jù)寫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”是否分開導(dǎo)致的。

由于NOR的地址線和數(shù)據(jù)線是分開的，它可以按字節(jié)讀寫數(shù)據(jù)，符合CPU的指令譯碼要求。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(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。表中最后一項是否支持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10萬次左右，當(dāng)它的使用接近壽命時，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，從整體上來所NOR壞塊更少，壽命更長，由于存在壞塊，所以FLASH存儲器需要“探測/錯誤更正(EDC/ECC)”算法來保證數(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，如嵌入式微控制器內(nèi)部的程序存儲空間，而NAND FLASH一般用于在大數(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。