ramsramsdramromepromeepromflash等常见存储器概念辨析1.docx

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ramsramsdramromepromeepromflash等常见存储器概念辨析1

RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EPROM、EEPROM、Flash等常见存储器概念辨析

常见存储器概念辨析：

RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EPROM、EEPROM、Flash存储器可以分为很多种类，其中根据掉电数据是否丢失可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器），其中RAM的访问速度比较快，但掉电后数据会丢失，而ROM掉电后数据不会丢失。

ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM是ReadOnlyMemory的缩写，RAM是RandomAccessMemory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又可分为SRAM（StaticRAM/静态存储器）和DRAM（DynamicRAM/动态存储器）。

SRAM是利用双稳态触发器来保存信息的，只要不掉电，信息是不会丢失的。

DRAM是利用MOS（金属氧化物半导体）电容存储电荷来储存信息，因此必须通过不停的给电容充电来维持信息，所以DRAM的成本、集成度、功耗等明显优于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。

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。

而通常人们所说的SDRAM是DRAM的一种，它是同步动态存储器，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。

使用SDRAM不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。

在嵌入式系统中经常使用。

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。

Flash也是一种非易失性存储器（掉电不会丢失），它擦写方便，访问速度快，已大大取代了传统的EPROM的地位。

由于它具有和ROM一样掉电不会丢失的特性，因此很多人称其为FlashROM。

FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦出可编程（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NORFlash和NADNFlash。

NORFlash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NORFLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

NANDFlash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一快的形式来进行的，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NANDFlash上的代码，因此好多使用NANDFlash的开发板除了使用NANDFlah以外，还作上了一块小的NORFlash来运行启动代码。

一般小容量的用NORFlash，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NANDFLASH，最常见的NANDFLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（DiskOnChip）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NANDFlash

ROM指的是“只读存储器”，即Read-OnlyMemory。

这是一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存（除非坏掉），不能进行修改。

这玩意一般在大批量生产时才会被用的，优点是成本低、非常低，但是其风险比较大，在产品设计时，如果调试不彻底，很容易造成几千片的费片，行内话叫“掩砸了”！

　　PROM指的是“可编程只读存储器”既ProgrammableRed-OnlyMemory。

这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”（OneTimeProgarmmingROM，OTP-ROM）。

PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0（部分的PROM在出厂时数据全为0，则用户可以将其中的部分单元写入1），以实现对其“编程”的目的。

PROM的典型产品是“双极性熔丝结构”，如果我们想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。

另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，还是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可。

　　EPROM指的是“可擦写可编程只读存储器”，即ErasableProgrammableRead-OnlyMemory。

它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。

这一类芯片特别容易识别，其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住，以防止遭到阳光直射。

　　EEPROM指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory。

它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。

EEPROM不能取代RAM的原应是其工艺复杂，耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。

　　Flashmemory指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。

它的最大特点是必须按块（Block）擦除（每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格），而EEPROM则可以一次只擦除一个字节（Byte）。

目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。

其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而FlashROM做不到。

一、闪存简介

Flash-ROM（闪存）已经成为了目前最成功、流行的一种固态内存，与EEPROM相比具有读写速度快，而与SRAM相比具有非易失、以及价廉等优势。

而基于NOR和NAND结构的闪存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NORflash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NANDflash技术（后将该技术无偿转让给韩国　Samsung　公司），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，仍然有相当多的工程师分不清NOR和NAND闪存，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则是高资料存储密度的理想解决方案。

NOR的特点是芯片内执行（XIP，eXecuteInPlace），这样应用程序可以直接在闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NOR的传输效率很高，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。

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，这也是为何所有的U盘都使用NAND闪存做为存储介质的原因。

应用NAND的困难在于闪存和需要特殊的系统接口。

二、性能比较

闪存是非易失内存，可以对称为块的内存单元块进行擦写和再编程。

任何闪存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　0。

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　NAND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。

1）NOR的读速度比NAND稍快一些。

2）NAND的写入速度比NOR快很多。

3）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。

4）AND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

三、接口差别

NOR闪存带有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闪存使用复杂的I/O口来串行地存取资料，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、地址和资料信息。

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的闪存就可以取代硬盘或其它块设备。

四、容量和成本

NAND闪存的单元尺寸几乎是　NOR　闪存的一半，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闪存容量为　1～11～16MB　闪存市场的大部分，而　NAND闪存只是用在　8MB　以上的产品当中，这也说明　NOR　主要应用在代码存储介质中，NAND　适合于资料存储，NAND　在　CompactFlash、SecureDigital、PCCards　和　MMC　存储卡市场上所占份额最大。

五、可靠性和耐用性

采用闪存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，闪存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。

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　内存除了具有　10：

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　内存块在给定的时间内的删除次数要少一些。

位交换

所有闪存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/错误纠正（EDC/ECC）算法。

位反转的问题更多见于　NAND　闪存，NAND　的供货商建议使用　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、配置文件或其它敏感信息时，必须使用　EDC/ECC　系统以确保可靠性。

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。

六、易于使用

可以非常直接地使用基于　NOR　的闪存，可以像其它内存那样连接，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，才能继续执行其它操作。

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像。

七、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。

八、典型的NOR闪存（StrataFlash）

StrataFlash　是Intel　公司产的典型NorFlash，本机使用的StrataFlash是该系列中的28F320J3，该闪存的内部逻辑框图如图10-1：

它的特性如下：

1）问速度有110ns/120ns和150ns共3檔

2）具备128bit加密寄存器

3）块尺寸：

128KB

九、典型的NAND闪存（K9S5608）

K9S5608是韩国Samsung公司所产的256MBit（32MByte）SMC卡（外形封装成卡片形式的）NAND闪存。

下图是K9S5608的内部逻辑框图。

图10-2

K9S5608具有以下特性：

（1）32MByte存储空间的结构为：

（32M＋1024K）bit×8bit（见图10-3）

（2）支持自动编程和擦除模式

（3）10uS随即页面读写

（4）200uS快速页面擦除周期

（5）具备硬件写保护功能

（6）擦/写寿命：

10万次

（7）资料保存寿命：

10年

　　RAM有两大类：

　　1）静态RAM（StaticRAM/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。

　　2）动态RAM（DynamicRAM/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、DDRRAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种DDRRAM。

　　DDRRAM（Double-Date-RateRAM）也称作DDRSDRAM，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～RambusDRAM。

　　在很多高端的显卡上，也配备了高速DDRRAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

　　ROM也有很多种：

　　1）PROM（可编程ROM），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；

　　2）EPROM（可擦除可编程ROM），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。

　　3）EEPROM，是通过电子擦除，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，不是马上写入通话记录（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。

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。

Flash存储器

　　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NORFlash和NANDFlash。

　　NORFlash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NORFLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

　　NANDFlash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NANDFlash上的代码，因此好多使用NANDFlash的开发板除了使用NANDFlash以外，还用一块小的NORFlash来运行启动代码。

　　一般小容量的用NORFlash，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NANDFLASH，最常见的NANDFLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（DiskOnChip）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NANDFlash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

　　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NORflash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NANDflash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。

　　"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,eXecuteInPlace），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。

　　NORflash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。

　　NORflash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：

　　a、NOR的读速度比NAND稍快一些；

　　b、NAND的写入速度比NOR快很多；　

　　c、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快；

　　d、大多数写入操作需要先进行擦除操作；

　　e、NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

　　2）接口差别

　　NORflash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

　　NANDflash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。

　　NORflash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NANDflash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、SecureDigital、PCCards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