什麼是ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的區別

2021-01-18 EDN電子技術設計


ROM和RAM指的都是半導體存儲器,ROM是Read Only Memory的縮寫,RAM是Random Access Memory的縮寫。ROM在系統停止供電的時候仍然可以保持數據,而RAM通常都是在掉電之後就丟失數據,典型的RAM就是計算機的內存。


RAM有兩大類,一種稱為靜態RAM(Static RAM/SRAM),SRAM速度非常快,是目前讀寫最快的存儲設備了,但是它也非常昂貴,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一級緩衝,二級緩衝。另一種稱為動態RAM(Dynamic RAM/DRAM),DRAM保留數據的時間很短,速度也比SRAM慢,不過它還是比任何的ROM都要快,但從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很 多,計算機內存就是DRAM的。

DRAM分為很多種,常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等,這裡介紹其中的一種DDR RAM。

DDR RAM(Date-Rate RAM)也稱作DDR SDRAM,這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的,不同之處在於它可以在一個時鐘讀寫兩次數據,這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用 得最多的內存,而且它有著成本優勢,事實上擊敗了Intel的另外一種內存標準-Rambus DRAM。在很多高端的顯卡上,也配備了高速DDR RAM來提高帶寬,這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

內存工作原理:


內存是用來存放當前正在使用的(即執行中)的數據和程序,我們平常所提到的計算機的內存指的是動態內存(即DRAM),動態內存中所謂的"動態",指的是當我們將數據寫入DRAM後,經過一段時間,數據會丟失,因此需要一個額外設電路進行內存刷新操作。

具體的工作過程是這樣的:一個DRAM的存儲單元存儲的是0還是1取決於電容是否有電荷,有電荷代表1,無電荷代表0。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,這就是數據丟失的原因;刷新操作定期對電容進行檢查,若電量大於滿電量的1/2,則認為其代表1,並把電容充滿電;若電量 小於1/2,則認為其代表0,並把電容放電,藉此來保持數據的連續性。

ROM也有很多種,PROM是可編程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可編程ROM)兩者區別是,PROM是一次性的,也就是軟體灌入後,就 無法修改了,這種是早期的產品,現在已經不可能使用了,而EPROM是通過紫外光的照射擦出原先的程序,是一種通用的存儲器。另外一種EEPROM是通過 電子擦出,價格很高,寫入時間很長,寫入很慢。

舉個例子,手機軟體一般放在EEPROM中,我們打電話,有些最後撥打的號碼,暫時是存在SRAM中的,不是馬上寫入通過記錄(通話記錄保存在EEPROM中),因為當時有很重要工作(通話)要做,如果寫入,漫長的等待是讓用戶忍無可忍的。

FLASH存儲器又稱快閃記憶體,它結合了ROM和RAM的長處,不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能,還不會斷電丟失數據同時可以快速讀取 數據(NVRAM的優勢),U盤和MP3裡用的就是這種存儲器。在過去的20年裡,嵌入式系統一直使用ROM(EPROM)作為它們的存儲設備,然而近年 來Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系統中的地位,用作存儲Bootloader以及作業系統或者程序代碼或者直接當硬碟使用(U盤)。

目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。

NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣,用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH裡面的代碼,這樣可以減少SRAM的容量從而節約了成本。

NAND Flash沒有採取內存的隨機讀取技術,它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的,通常是一次讀取512個字節,採用這種技術的Flash比較廉價。用戶 不能直接運行NAND Flash上的代碼,因此好多使用NAND Flash的開發板除了使用NAND Flah以外,還作上了一塊小的NOR Flash來運行啟動代碼。

一般小容量的用NOR Flash,因為其讀取速度快,多用來存儲作業系統等重要信息,而大容量的用NAND FLASH,最常見的NAND FLASH應用是嵌入式系統採用的DOC(Disk On Chip)和我們通常用的"閃盤",可以在線擦除。目前市面上的FLASH 主要來自Intel,AMD,Fujitsu和Toshiba,而生產NAND Flash的主要廠家有Samsung和Toshiba。


NAND Flash和NOR Flash的比較

NOR和NAND是現在市場上兩種主要的非易失快閃記憶體技術。Intel於1988年首先開發出NOR flash技術,徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著,1989年,東芝公司發表了NAND flash結構,強調降低每比特的成本,更高的性能,並且象磁碟一樣可以通過接口輕鬆升級。但是經過了十多年之後,仍然有相當多的硬體工程師分不清NOR 和NAND快閃記憶體。

相"flash存儲器"經常可以與相"NOR存儲器"互換使用。許多業內人士也搞不清楚NAND快閃記憶體技術相對於NOR技術的優越之處,因為大多數情況下快閃記憶體只是用來存儲少量的代碼,這時NOR快閃記憶體更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。

NOR是現在市場上主要的非易失快閃記憶體技術。NOR一般只用來存儲少量的代碼;NOR主要應用在代碼存儲介質中。NOR的特點是應用簡單、無需專門的 接口電路、傳輸效率高,它是屬於晶片內執行(XIP, eXecute In Place),這樣應用程式可以直接在(NOR型)flash快閃記憶體內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益,但 是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內部的每一個字節。NOR flash佔據了容量為1~16MB快閃記憶體市場的大部分。

NAND結構能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,並且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在於flash的管理和需要特殊的系統接口。


1、性能比較:


flash快閃記憶體是非易失存儲器,可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行,所以大 多數情況下,在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的,而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為1。

由於擦除NOR器件時是以64~128KB的塊進行的,執行一個寫入/擦除操作的時間為5s,與此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的塊進行的,執行相同的操作最多只需要4ms。

執行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距,統計表明,對於給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時),更多的擦除操作必須在基於NOR的單元中進行。這樣,當選擇存儲解決方案時,設計師必須權衡以下的各項因素:

● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

● NAND的寫入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

● 大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

● NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。

(註:NOR FLASH SECTOR擦除時間視品牌、大小不同而不同,比如,4M FLASH,有的SECTOR擦除時間為60ms,而有的需要最大6s。)

2、接口差別:


NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內部的每一個字節。

NAND器件使用複雜的I/O口來串行地存取數據,各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。

NAND讀和寫操作採用512位元組的塊,這一點有點像硬碟管理此類操作,很自然地,基於NAND的存儲器就可以取代硬碟或其他塊設備。

3、容量和成本:


NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由於生產過程更為簡單,NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量,也就相應地降低了價格。

NOR flash佔據了容量為1~16MB快閃記憶體市場的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的產品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中,NAND適合於數據存儲,NAND在CompactFlash、 Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所佔份額最大。

4、可靠性和耐用性:


採用flahs介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對於需要擴展MTBF的系統來說,Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

A) 壽命(耐用性)

在NAND快閃記憶體中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次,而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

B) 位交換

所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發生的次數要比NOR多),一個比特(bit)位會發生反轉或被報告反轉了。

一位的變化可能不很明顯,但是如果發生在一個關鍵文件上,這個小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問題,多讀幾次就可能解決了。

當然,如果這個位真的改變了,就必須採用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見於NAND快閃記憶體,NAND的供應商建議使用NAND快閃記憶體的時候,同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對於用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然,如果用本地存儲設備來存儲作業系統、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。

C) 壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力,但發現成品率太低,代價太高,根本不划算。

NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊,並將壞塊標記為不可用。在已製成的器件中,如果通過可靠的方法不能進行這項處理,將導致高故障率。

5、易於使用:


可以非常直接地使用基於NOR的快閃記憶體,可以像其他存儲器那樣連接,並可以在上面直接運行代碼。

由於需要I/O接口,NAND要複雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

在使用NAND器件時,必須先寫入驅動程序,才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧,因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

6、軟體支持:


當討論軟體支持的時候,應該區別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用於磁碟仿真和快閃記憶體管理算法的軟體,包括性能優化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟體支持,在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅動程序,也就是內存技術驅動程序(MTD),NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些,許多廠商都提供用於NOR器件的更高級軟體,這其中包括M-System的TrueFFS驅動,該驅 動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所採用。

驅動還用於對DiskOnChip產品進行仿真和NAND快閃記憶體的管理,包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

NOR FLASH的主要供應商是INTEL ,MICRO等廠商,曾經是FLASH的主流產品,但現在被NAND FLASH擠的比較難受。它的優點是可以直接從FLASH中運行程序,但是工藝複雜,價格比較貴。

NAND FLASH的主要供應商是SAMSUNG和東芝,在U盤、各種存儲卡、MP3播放器裡面的都是這種FLASH,由於工藝上的不同,它比NOR FLASH擁有更大存儲容量,而且便宜。但也有缺點,就是無法尋址直接運行程序,只能存儲數據。另外NAND FLASH 非常容易出現壞區,所以需要有校驗的算法。

在掌上電腦裡要使用NAND FLASH 存儲數據和程序,但是必須有NOR FLASH來啟動。除了SAMSUNG處理器,其他用在掌上電腦的主流處理器還不支持直接由NAND FLASH 啟動程序。因此,必須先用一片小的NOR FLASH 啟動機器,在把OS等軟體從NAND FLASH 載入SDRAM中運行才行,挺麻煩的。

DRAM 利用MOS管的柵電容上的電荷來存儲信息,一旦掉電信息會全部的丟失,由於柵極會漏電,所以每隔一定的時間就需要一個刷新機構給這些柵電容補充電荷,並且 每讀出一次數據之後也需要補充電荷,這個就叫動態刷新,所以稱其為動態隨機存儲器。由於它只使用一個MOS管來存信息,所以集成度可以很高,容量能夠做的 很大。SDRAM比它多了一個與CPU時鐘同步。

SRAM 利用寄存器來存儲信息,所以一旦掉電,資料就會全部丟失,只要供電,它的資料就會一直存在,不需要動態刷新,所以叫靜態隨機存儲器。

以上主要用於系統內存儲器,容量大,不需要斷電後仍保存數據的。

Flash ROM 是利用浮置柵上的電容存儲電荷來保存信息,因為浮置柵不會漏電,所以斷電後信息仍然可以保存。也由於其機構簡單所以集成度可以做的很高,容量可以很大。 Flash rom寫入前需要用電進行擦除,而且擦除不同與EEPROM可以以byte(字節)為單位進行,flash rom只能以sector(扇區)為單位進行。不過其寫入時可以byte為單位。flash rom主要用於bios,U盤,Mp3等需要大容量且斷電不丟數據的設備。

PSRAM,假靜態隨機存儲器。

背景:


PSRAM具有一個單電晶體的DRAM儲存格,與傳統具有六個電晶體的SRAM儲存格或是四個電晶體與two-load resistor SRAM 儲存格大不相同,但它具有類似SRAM的穩定接口,內部的DRAM架構給予PSRAM一些比low-power 6T SRAM優異的長處,例如體積更為輕巧,售價更具競爭力。目前在整體SRAM市場中,有90%的製造商都在生產PSRAM組件。在過去兩年,市場上重要的 SRAM/PSRAM供貨商有Samsung、Cypress、Renesas、Micron與Toshiba等。

基本原理:

PSRAM就是偽SRAM,內部的內存顆粒跟SDRAM的顆粒相似,但外部的接口跟SRAM相似,不需要SDRAM那樣複雜的控制器和刷新機制,PSRAM的接口跟SRAM的接口是一樣的。

PSRAM容量有8Mbit,16Mbit,32Mbit等等,容量沒有SDRAM那樣密度高,但肯定是比SRAM的容量要高很多的,速度支持突發 模式,並不是很慢,Hynix,Coremagic, WINBOND .MICRON. CY 等廠家都有供應,價格只比相同容量的SDRAM稍貴一點點,比SRAM便宜很多。

PSRAM主要應用於手機,電子詞典,掌上電腦,PDA,PMP.MP3/4,GPS接收器等消費電子產品與SRAM(採用6T的技術)相 比,PSRAM採用的是1T+1C的技術,所以在體積上更小,同時,PSRAM的I/O接口與SRAM相同.在容量上,目前有 4MB,8MB,16MB,32MB,64MB和128MB。比較於SDRAM,PSRAM的功耗要低很多。所以對於要求有一定緩存容量的很多可攜式產品 是一個理想的選擇。


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