常用存儲器介紹

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21.1.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(shù)據(jù)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)，它們都在計算機中占據(jù)著重要角色。在計算機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“RandomAccessMemory”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?qū)懭霑r，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(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內(nèi)存的易失性（半導體）存儲器。

根據(jù)RAM的存儲機制，又分為動態(tài)隨機存儲器（DRAM）(DynamicRAM)以及靜態(tài)隨機存儲器SRAM(StaticRAM)兩種。

21.2.1.DRAM

動態(tài)隨機存儲器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(shù)據(jù)的正確性。

圖21?2DRAM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)通訊時是否需要使用（時鐘）（信號）來區(qū)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(shù)據(jù)。

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(SynchronousDRAM)。

21.2.1.2.DDRSDRAM

為了進一步提高SDRAM的通訊速度，人們設計了DDRSDRAM存儲器(DoubleDataRa（te）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個時鐘周期內(nèi)，只能表示1個有數(shù)據(jù)；而DDRSDRAM在時鐘的上升沿及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，主要是通訊同步時鐘的頻率提高了。

當前個人計算機常用的內(nèi)存條是DDRIIISDRAM存儲器，在一個內(nèi)存條上包含多個DDRIIISDRAM（芯片）。

21.2.2.SRAM

靜態(tài)隨機存儲器SRAM的存儲單元以鎖存器來存儲數(shù)據(jù)，見圖21_4。這種電路結構不需要定時刷新充電，就能保持狀態(tài)(當然，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?4SRAM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(chǎn)相同容量的存儲器，DRAM的成本要更低，且集成度更高。而DRAM中的電容結構則決定了它的存取速度不如SRAM，特性對比見表21?1。

表21?1DRAM與SRAM對比

特性DRAMSRAM存取速度較慢較快集成度較高較低生產(chǎn)成本較低較高是否需要刷新是否

所以在實際應用場合中，SRAM一般只用于（CPU）內(nèi)部的高速緩存(Cache)，而外部擴展的內(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，半導體類的有（ROM）和FLASH，而其它的則包括光盤、軟盤及（機械）硬盤。

21.3.1.ROM存儲器

ROM是“Re（ad）OnlyMemory”的縮寫，意為只能讀的存儲器。由于技術的發(fā)展，后來設計出了可以方便寫入數(shù)據(jù)的ROM，而這個“ReadOnlyMemory”的名稱被沿用下來了，現(xiàn)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。

21.3.1.1.MASKROM

MASK(掩膜)ROM就是正宗的“ReadOnlyMemory”，存儲在它內(nèi)部的數(shù)據(jù)是在出廠時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)時成本低。當前在生產(chǎn)量大，數(shù)據(jù)不需要修改的場合，還有應用。

21.3.1.2.（OTPROM）

OTPROM(One（Ti）meProgramableROM)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(ErasableProgrammableROM)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(nèi)部擦除數(shù)據(jù)，擦除和寫入都要專用的設備。現(xiàn)在這種存儲器基本淘汰，被EEPROM取代。

21.3.1.4.EEPROM

EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)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(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。

21.3.2.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FLASHROM，但它的容量一般比EEPROM大得多，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)，最小的擦除單位為一個扇區(qū)。根據(jù)存儲單元電路的不同，F(xiàn)LASH存儲器又分為NORFLASH和NANDFLASH，見表21?2。

表21?2NORFLASH與NANDFLASH特性對比

特性NORFLASHNANDFLASH同容量存儲器成本較貴較便宜集成度較低較高介質(zhì)類型隨機存儲連續(xù)存儲地址線和數(shù)據(jù)線獨立分開共用擦除單元以“扇區(qū)/塊”擦除以“扇區(qū)/塊”擦除讀寫單元可以基于字節(jié)讀寫必須以“塊”為單位讀寫讀取速度較高較低寫入速度較低較高壞塊較少較多是否支持XIP支持不支持

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21?2中的最后一項“是否支持XIP”描述的就是這種立即執(zhí)行的特性(eXecuteInPlace)。

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)，當它的使用接近壽命的時候，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(shù)據(jù)