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什么是ROM、RAM、DRAM、SRAM、FLASH?他们的区别是什么?

供稿:中国工控网 2016/5/26 11:56:19

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  • 关键词: ROM RAM DRAM SRAM FLASH
  • 摘要:本文对ROM、RAM、DRAM、SRAM及FLASH的分类和区别进行了详细的介绍,供学习参考。

                                       

  ROM和RAM指的都是半导体存储器,ROM是Read Only Memory的缩写,RAM是Random Access Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据,典型的RAM就是计算机的内存。

  RAM有两大类,一种称为静态RAM(Static RAM/SRAM),SRAM速度非常快,是目前读写最快的存储设备了,但是它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一级缓冲,二级缓冲。另一种称为动态RAM(Dynamic RAM/DRAM),DRAM保留数据的时间很短,速度也比SRAM慢,不过它还是比任何的ROM都要快,但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多,计算机内存就是DRAM的。

  DRAM分为很多种,常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等,这里介绍其中的一种DDR RAM。

  DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作DDR SDRAM,这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的,不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存,而且它有着成本优势,事实上击败了Intel的另外一种内存标准-Rambus DRAM。在很多高端的显卡上,也配备了高速DDR RAM来提高带宽,这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

  内存工作原理:

  内存是用来存放当前正在使用的(即执行中)的数据和程序,我们平常所提到的计算机的内存指的是动态内存(即DRAM),动态内存中所谓的"动态",指的是当我们将数据写入DRAM后,经过一段时间,数据会丢失,因此需要一个额外设电路进行内存刷新操作。

  具体的工作过程是这样的:一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷,有电荷代表1,无电荷代表0。但时间一长,代表1的电容会放电,代表0的电容会吸收电荷,这就是数据丢失的原因;刷新操作定期对电容进行检查,若电量大于满电量的1/2,则认为其代表1,并把电容充满电;若电量小于1/2,则认为其代表0,并把电容放电,藉此来保持数据的连续性。

  ROM也有很多种,PROM是可编程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可编程ROM)两者区别是,PROM是一次性的,也就是软件灌入后,就无法修改了,这种是早期的产品,现在已经不可能使用了,而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序,是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦出,价格很高,写入时间很长,写入很慢。                                                          

  举个例子,手机软件一般放在EEPROM中,我们打电话,有些最后拨打的号码,暂时是存在SRAM中的,不是马上写入通过记录(通话记录保存在EEPROM中),因为当时有很重要工作(通话)要做,如果写入,漫长的等待是让用户忍无可忍的。

  FLASH存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能,还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势),U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里,嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备,然而近年来Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位,用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。

  目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。

  NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样,用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码,这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

  NAND Flash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码,因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外,还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

  一般小容量的用NOR Flash,因为其读取速度快,多用来存储操作系统等重要信息,而大容量的用NAND FLASH,最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(Disk On Chip)和我们通常用的"闪盘",可以在线擦除。目前市面上的FLASH 主要来自Intel,AMD,Fujitsu和Toshiba,而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

  NAND Flash和NOR Flash的比较

  NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。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,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。

  相"flash存储器"经常可以与相"NOR存储器"互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。                                                             

  NOR是现在市场上主要的非易失闪存技术。NOR一般只用来存储少量的代码;NOR主要应用在代码存储介质中。NOR的特点是应用简单、无需专门的接口电路、传输效率高,它是属于芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在(NOR型)flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NOR flash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。NOR flash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分。

  NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

  1、性能比较:

  flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为1。

  由于擦除NOR器件时是以64~128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。

  执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素:

  ● NOR的读速度比NAND稍快一些。

  ● NAND的写入速度比NOR快很多。

  ● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

  ● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

  ● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

  (注:NOR FLASH SECTOR擦除时间视品牌、大小不同而不同,比如,4M FLASH,有的SECTOR擦除时间为60ms,而有的需要最大6s。)                                                    

  2、接口差别:

  NOR flash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。

  NAND器件使用复杂的I/O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。

  3、容量和成本:

  NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。

  NOR flash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

  4、可靠性和耐用性:

  采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

  A) 寿命(耐用性)

  在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

  B) 位交换

  所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特(bit)位会发生反转或被报告反转了。

  一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。

  当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。

  这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。                               

  C) 坏块处理

  NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。

  NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。

  5、易于使用:

  可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。

  由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

  在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

  6、软件支持:

  当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。

  在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

  使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

  驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

  NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商,曾经是FLASH的主流产品,但现在被NAND FLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序,但是工艺复杂,价格比较贵。

  NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝,在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH,由于工艺上的不同,它比NOR FLASH拥有更大存储容量,而且便宜。但也有缺点,就是无法寻址直接运行程序,只能存储数据。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区,所以需要有校验的算法。

  在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序,但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器,其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此,必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器,在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行,挺麻烦的。

  DRAM 利用MOS管的栅电容上的电荷来存储信息,一旦掉电信息会全部的丢失,由于栅极会漏电,所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷,并且每读出一次数据之后也需要补充电荷,这个就叫动态刷新,所以称其为动态随机存储器。由于它只使用一个MOS管来存信息,所以集成度可以很高,容量能够做的很大。SDRAM比它多了一个与CPU时钟同步。                                         

  SRAM 利用寄存器来存储信息,所以一旦掉电,资料就会全部丢失,只要供电,它的资料就会一直存在,不需要动态刷新,所以叫静态随机存储器。

  以上主要用于系统内存储器,容量大,不需要断电后仍保存数据的。

  Flash ROM 是利用浮置栅上的电容存储电荷来保存信息,因为浮置栅不会漏电,所以断电后信息仍然可以保存。也由于其机构简单所以集成度可以做的很高,容量可以很大。Flash rom写入前需要用电进行擦除,而且擦除不同与EEPROM可以以byte(字节)为单位进行,flash rom只能以sector(扇区)为单位进行。不过其写入时可以byte为单位。flash rom主要用于bios,U盘,Mp3等需要大容量且断电不丢数据的设备。

  PSRAM,假静态随机存储器。

  背景:

  PSRAM具有一个单晶体管的DRAM储存格,与传统具有六个晶体管的SRAM储存格或是四个晶体管与two-load resistor SRAM 储存格大不相同,但它具有类似SRAM的稳定接口,内部的DRAM架构给予PSRAM一些比low-power 6T SRAM优异的长处,例如体积更为轻巧,售价更具竞争力。目前在整体SRAM市场中,有90%的制造商都在生产PSRAM组件。在过去两年,市场上重要的SRAM/PSRAM供货商有Samsung、Cypress、Renesas、Micron与Toshiba等。

  基本原理:

  PSRAM就是伪SRAM,内部的内存颗粒跟SDRAM的颗粒相似,但外部的接口跟SRAM相似,不需要SDRAM那样复杂的控制器和刷新机制,PSRAM的接口跟SRAM的接口是一样的。

  PSRAM容量有8Mbit,16Mbit,32Mbit等等,容量没有SDRAM那样密度高,但肯定是比SRAM的容量要高很多的,速度支持突发模式,并不是很慢,Hynix,Coremagic, WINBOND .MICRON. CY 等厂家都有供应,价格只比相同容量的SDRAM稍贵一点点,比SRAM便宜很多。

  PSRAM主要应用于手机,电子词典,掌上电脑,PDA,PMP.MP3/4,GPS接收器等消费电子产品与SRAM(采用6T的技术)相比,PSRAM采用的是1T+1C的技术,所以在体积上更小,同时,PSRAM的I/O接口与SRAM相同.在容量上,目前有4MB,8MB,16MB,32MB,64MB和128MB。比较于SDRAM,PSRAM的功耗要低很多。所以对于要求有一定缓存容量的很多便携式产品是一个理想的选择。

         

审核编辑(王静)
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