存儲器基礎(chǔ)

前幾天跟同事聊到我們常用的各種存儲器，比如硬盤，DDR內(nèi)存條的一些知識，突然發(fā)現(xiàn)大概知道是啥意思，但是說出來又感覺含糊不清，今天咱們一起來梳理一下。

我們將按如下框架來說明：

從計算機的角度來看：

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。

易失性存儲器的特點：掉電丟失數(shù)據(jù)，但存取數(shù)據(jù)速度很快。

非易失性存儲器的特點：掉電不丟失數(shù)據(jù)，可用于長期存儲數(shù)據(jù)。

一、易失性存儲器

易失性存儲器的代表是RAM（Random Access Memory），即隨機存儲器。

RAM相當于計算機中的內(nèi)存，是程序運行的臨時場所。好比辦公室，上班時間有人(臨時數(shù)據(jù))，下班后就沒人了(掉電丟失)。

按照存儲結(jié)構(gòu)，RAM又分為兩種，一種為DRAM(Dynamic RAM)即動態(tài)隨機存儲器，另一種為SRAM(Static RAM)即靜態(tài)隨機存儲器。

1.1、DRAM

電容C存儲電荷后，即使地址線被拉低使得Q關(guān)斷，但電容C依舊會對周圍空間釋放電荷造成數(shù)據(jù)丟失，所以需要定期對DRAM構(gòu)造的存儲單元進行刷新操作。

DRAM存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖

DRAM保留數(shù)據(jù)的時間很短，速度比SRAM慢，不過它比任何的ROM都要快，從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很多，計算機內(nèi)存就是DRAM。

DRAM又可以分為SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、DDR4  SRAM和DDR5 SRAM。

SDRAM(SynchronousDRAM)同步動態(tài)隨機存儲器，即數(shù)據(jù)的讀寫需要時鐘來同步。僅在時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)采樣并進行存儲處理，即一個CLK周期，只采樣一次數(shù)據(jù)。

DDR SRAM相比SDRAM，速度上更快，在時鐘的上升沿和下降沿都對數(shù)據(jù)進行了采樣存儲處理，即一個CLK周期，采樣兩次數(shù)據(jù)，故命名為Double Data Rate SDRAM（DDR SDRAM）。而DDR2，DDR3，DDR4和DDR5則在時鐘頻率上進行了提升。

1.2、SRAM

該存儲單元由T1、T2、T3、T4構(gòu)成鎖存結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，無需定期刷新操作。

SRAM存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖

它的速率很快，是目前讀寫最快的存儲設(shè)備了，但成本比較高，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級緩沖，二級緩沖。

DRAM和SRAM主要區(qū)別

• DRAM一般用于主存，SRAM一般用于cache(高速緩存)

• DRAM必須定時刷新，運行速度慢，集成度高，發(fā)熱量小，成本低。

• SRAM是訪問時間短的片上存儲器，DRAM是訪問時間長的片外存儲器。因此SRAM 比 DRAM 快。

  
  

• SRAM很貴，而 DRAM 很便宜。

• 高速緩沖存儲器是SRAM的一種應(yīng)用，而DRAM用于主存儲器。

• 由于使用了大量的晶體管，SRAM的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。而DRAM易于設(shè)計和實現(xiàn)。

二、非易失性存儲器

非易失性存儲器種類比較多，分別是ROM、FLASH以及外部大容量存儲器。

2.1、ROM（Read-Only Memory）只讀存儲器

ROM相當于計算機中的硬盤，我們的操作系統(tǒng)就是裝在計算機硬盤之中，每次開機后都是啟動硬盤中的程序。

ROM好比是住房，是我們真正的的容身之所(程序本身或者常量、固定數(shù)據(jù)等，掉電非易失)。

ROM分類：

MASKROM：真正意義上的只讀存儲器，一次性由廠家用特殊工藝固化，用戶無法修改。

EEPROM：可實現(xiàn)重復(fù)擦寫，直接用電路控制，不需要專門的設(shè)備來進行擦寫。且操作單位為字節(jié)，并不需要操作整個芯片。目前已是主流。

2.2、FLASH

FLASH存儲器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能，還不會斷電丟失數(shù)據(jù)，同時可以快速讀取數(shù)據(jù)其存儲特性，相當于硬盤。U盤和MP3里用的就是這種存儲器。

近些年來，在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH用作存儲Bootloader，操作系統(tǒng)，程序代碼或者直接當硬盤使用。

FLASH分類：

NOR FLASH得益于地址線和數(shù)據(jù)線分開，可以以“字節(jié)”讀寫數(shù)據(jù)，所以允許程序直接在上面運行。NOR一般只用來存儲少量的代碼,因為其讀取速度快，多用來存儲操作系統(tǒng)等重要信息；

NOR的特點是無需專門的接口電路、傳輸效率高，它是屬于芯片內(nèi)執(zhí)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。

NAND FLASH相當于PC系統(tǒng)中的硬盤，容量大，用于存儲安裝軟件之類的。

NAND Flash是通過物理方法保存數(shù)據(jù)的，既然是用物理方法就必須得有損耗，所以它的壽命是有限的，寫入超過一定次數(shù)后就會報廢。

NAND FLASH對比NOR FLASH在成本上有很大的優(yōu)勢，但是存在壞塊問題(NAND通常是以塊為單位進行擦除，塊內(nèi)有一位失效整個塊就會失效)。

NAND FLASH要在上面讀寫數(shù)據(jù)，外部要加主控和電路設(shè)計。

生產(chǎn)廠家主要有：東芝、美光、intel、HYNIX、三星。

2.3、eMMC

eMMC(Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒體卡)為MMC協(xié)會所訂立的， 它的內(nèi)部是把NAND flash+主控IC封裝在一起。

eMMC在物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用，一般在移動設(shè)備，比如手機，平板電腦，一體工控機等等，總之一些硬件空間緊湊的地方。

eMMC優(yōu)點是除了可以得到大容量的空間（這一點，只用NAND FLASH多堆疊也可以做到）外，還可以管理NAND （壞塊處理，ECC，F(xiàn)FS)等。

eMMC（BGA封裝）

eMMC現(xiàn)在主要是eMMC5.1，eMMC5.2，至此后，久未更新。

據(jù)說eMMC可能被UFS逐步取代，UFS閃存?zhèn)鬏斔俾蔬h超eMMC閃存，實際未知。