存储器主要可分类为:
- 只读储存器(ROM)
- 闪存(Flash)
- 随机存取存储器(RAM)
- 光/磁介质储存器
一、ROM(只读存储器)
- 不可编程ROM
- 可编程ROM:PROM
- 可擦除可编程ROM:EPROM
- 电可擦除可编程ROM:E2PROM(E2PROM完全可以用软件来擦写,已经非常方便了)
二、Flash(闪存)
- 用于存储设备固件(软件)和配置信息的芯片
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特性:
- 长期保存数据,掉电不丢失数据,读写速度一般
- 容量:1MB-4GB都有
- 贴片式:TSOP、BGA封装
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两种主要的Flash闪存技术:
- Nor(或非) Flash
- Nand(与非) Flash
- 历史发展:Intel于1988年首先开发出Nor Flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了 Nand Flash结构,每位的成本被大大降低
Nor Flash
- NOR Flash和CPU的接口属于典型的类SRAM接口(如下图所示),不需要增加额外的控制电路
- NOR Flash的特点是可芯片内执行(eXecute In Place,XIP),程序可以直接在NOR内运行
- CFI接口:公共闪存接口(Common Flash Interface,CFI)是一个从NOR Flash器件中读取数据的公开、标准接 口。它可以使系统软件查询已安装的Flash器件的各种参数,包括器件阵列结构参数、电气和时间参数以 及器件支持的功能等。如果芯片不支持CFI,就需使用JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council, 电子电器设备联合会)了。JEDEC规范的NOR则无法直接通过命令来读出容量等信息,需要读出制造商 ID和设备ID,以确定Flash的大小
- SPI接口:目前NOR Flash可以使用SPI接口进行访问以节省引脚。相对于传统的并行NOR Flash 而言,SPI NOR Flash只需要6个引脚就能够实现单I/O、双I/O和4个I/O口的接口通信,有的SPI NOR Flash 还支持DDR模式,能进一步提高访问速度到80MB/s
- 特点:
- 易读难写
- 带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节
- 容量一般较小,为1~16MB
- 虽然难写,但是仍然可以通过特殊工具进行写入
- 可以直接运行代码,所以被用来存储BootLoader、BIOS
Nand Flash
- NAND Flash和CPU的接口必须由相应的控制电路进行转换,当然也可以通过地址线或GPIO产生NAND Flash接口的信号
- NAND Flash以块方式进行访问,不支持芯片内执行
- 与NOR Flash的类SRAM接口不同,一个NAND Flash的接口主要包含如下信号:
- I/O总线:地址、指令和数据通过这组总线传输,一般为8位或16位。
- 芯片启动(Chip Enable,CE#):如果没有检测到CE信号,NAND器件就保持待机模式,不对任何控制信号做出响应
- 写使能(Write Enable,WE#):WE#负责将数据、地址或指令写入NAND之中。
- 读使能(Read Enable,RE#):RE#允许数据输出。
- 指令锁存使能(Command Latch Enable,CLE):当CLE为高电平时,在WE#信号的上升沿,指令将 被锁存到NAND指令寄存器中
- 地址锁存使能(Address Latch Enable,ALE):当ALE为高电平时,在WE#信号的上升沿,地址将被 锁存到NAND地址寄存器中
- 就绪/忙(Ready/Busy,R/B#):如果NAND器件忙,R/B#信号将变为低电平。该信号是漏极开路, 需要采用上拉电阻
- 特点:
- 可读可写
- 使用复杂的IO口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。Nand读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于Nand的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。大部分CPU不可直接寻址,需要驱动程序,常用于存储数据
- 单纯的用来存储数据,固态硬盘、U盘都是这种。一般存放文件系统、内核
- 不能用来执行代码,因为没有栈堆等信息,所以只能用来存放数据
位反转
- 由于Flash固有的电器特性,在读写数据过程中,偶然会产生1位或几位数据错误,即位反转,NAND Flash发生位反转的概率要远大于NOR Flash。位反转无法避免,因此,使用NAND Flash的同时,应采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法
块擦除
- Flash的编程原理都是只能将1写为0,而不能将0写为1。因此在Flash编程之前,必须将对应的块擦除,而擦除的过程就是把所有位都写为1的过程,块内的所有字节变为0xFF
- Nor Flash与Nand Flash的区别:
- Nor Flash:以64~128KB的块为例,执行一个写入/擦除操作的时间为5s。每个块的最大擦写次数是十万次
- Nand Flash:以8~32KB的块为例,执行一个写入/擦除操作最多只需要4ms。每个块的最大擦写次数是一百万次
- 另外,Flash还存在一个负载均衡的问题,不能老是在同一块位置进行擦除和写的动作,这样容易导致坏块
Nor Flash与Nand Flash的其他区别
- ①NAND Flash较NOR Flash容量大,价格低
- ②NAND Flash的擦除、编程速度远超过NOR Flash
- ③Nand的擦除单元更小,相应的此处电路更少
三、RAM(随机存取存储器)
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概念:内存,一般在电路板上有多个引脚的芯片,就是内存芯片
- 这里说的内存一般都是运行内存,对应计算机的内存条。通常人们说的存储内存对应计算机中的硬盘(外存)
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分类:
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①静态RAM(SRAM)
- SRAM是静态的, 只要供电它就会保持一个值,SRAM没有刷新周期
- 每个SRAM存储单元由6个晶体管组成
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②动态RAM(DRAM)
- DRAM以电荷形式进行存储,数据存储在电容器中。由于电容器会因漏电而出现电荷丢失,所以DRAM器件需要定期刷新
- DRAM存储单元由1个晶体管和1个电容器组成
- 通常所说的SDRAM、DDR SDRAM皆属于DRAM的范畴,它们采用与CPU外存控制器同步的时钟工作(注意,不是与CPU的工作频率一致)。与SDRAM相比,DDR SDRAM同时利用了时钟脉冲的上升沿 和下降沿传输数据,因此在时钟频率不变的情况下,数据传输频率加倍。此外,还存在使用 RSL(Rambus Signaling Level,Rambus发信电平)技术的RDRAM(Rambus DRAM)和Direct RDRAM
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①静态RAM(SRAM)
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特性:
- 临时存储数据,掉电会丢失数据,读写速度快
- 容量:1MB-4GB都有
- 贴片式:TSOP、BGA封装
DPRAM:双端口RAM
- DPRAM的特点是可以通过两个端口同时访问,具有两套完全独立的数据总线、地址总线和读写控制 线,通常用于两个处理器之间交互数据,如下图所示:
- 当一端被写入数据后,另一端可以通过轮询或中断获知,并读取其写入的数据。由于双CPU同时访问DPRAM时的仲裁逻辑电路集成在DPRAM内部,所以 需要硬件工程师设计的电路原理比较简单
- DPRAM的优点是通信速度快、实时性强、接口简单,而且两边处理器都可主动进行数据传输
- 除了双端口RAM以外,目前IDT等芯片厂商还推出了多端口RAM,可以供3个以上的处理器互通数据
CAM:内容寻址RAM
- CAM是以内容进行寻址的存储器,是一种特殊的存储阵列RAM,它的主要工作机制就是同时将一个 输入数据项与存储在CAM中的所有数据项自动进行比较,判别该输入数据项与CAM中存储的数据项是否 相匹配,并输出该数据项对应的匹配信息
- 如下图所示,在CAM中,输入的是所要查询的数据,输出的是数据地址和匹配标志。若匹配(即搜 寻到数据),则输出数据地址。CAM用于数据检索的优势是软件无法比拟的,它可以极大地提高系统性 能
FIFO存储器:先进先出队列
- FIFO存储器的特点是先进先出,进出有序,FIFO多用于数据缓冲。FIFO和DPRAM类似,具有两个访 问端口,但是FIFO两边的端口并不对等,某一时刻只能设置为一边作为输入,一边作为输出。
- 如果FIFO的区域共有n个字节,我们只能通过循环n次读取同一个地址才能将该片区域读出,不能指 定偏移地址。对于有n个数据的FIFO,当循环读取m次之后,下一次读时会自动读取到第m+1个数据,这 是由FIFO本身的特性决定的
四、光/磁介质储存器
- IDE(Integrated Drive Electronics)接口可连接硬盘控制器或光驱,IDE接口的信号与SRAM类似。人 们通常也把IDE接口称为ATA(Advanced Technology Attachment)接口,不过,从技术角度而言,这并不准 确。其实,ATA接口发展至今,已经经历了ATA-1(IDE)、ATA-2(Enhanced IDE/Fast ATA,EIDE)、 ATA-3(FastATA-2)、Ultra ATA、Ultra ATA/33、Ultra ATA/66、Ultra ATA/100及Serial ATA(SATA)的发 展过程
- 很多SoC集成了一个eFuse电编程熔丝作为OTP(One-Time Programmable,一次性可编程)存储器。 eFuse可以通过计算机对芯片内部的参数和功能进行配置,这一般是在芯片出厂的时候已经设置好了