存储器基础

前几天跟同事聊到我们常用的各种存储器，比如硬盘，DDR内存条的一些知识，突然发现大概知道是啥意思，但是说出来又感觉含糊不清，今天咱们一起来梳理一下。

我们将按如下框架来说明：

从计算机的角度来看：

易失性存储器最典型的代表是内存，非易失性存储器的代表则是硬盘。

易失性存储器的特点：掉电丢失数据，但存取数据速度很快。

非易失性存储器的特点：掉电不丢失数据，可用于长期存储数据。

一、易失性存储器

易失性存储器的代表是RAM（Random Access Memory），即随机存储器。

RAM相当于计算机中的内存，是程序运行的临时场所。好比办公室，上班时间有人(临时数据)，下班后就没人了(掉电丢失)。

按照存储结构，RAM又分为两种，一种为DRAM(Dynamic RAM)即动态随机存储器，另一种为SRAM(Static RAM)即静态随机存储器。

1.1、DRAM

电容C存储电荷后，即使地址线被拉低使得Q关断，但电容C依旧会对周围空间释放电荷造成数据丢失，所以需要定期对DRAM构造的存储单元进行刷新操作。

DRAM存储单元结构示意图

DRAM保留数据的时间很短，速度比SRAM慢，不过它比任何的ROM都要快，从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM。

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

SDRAM(SynchronousDRAM)同步动态随机存储器，即数据的读写需要时钟来同步。仅在时钟的上升沿将数据采样并进行存储处理，即一个CLK周期，只采样一次数据。

DDR SRAM相比SDRAM，速度上更快，在时钟的上升沿和下降沿都对数据进行了采样存储处理，即一个CLK周期，采样两次数据，故命名为Double Data Rate SDRAM（DDR SDRAM）。而DDR2，DDR3，DDR4和DDR5则在时钟频率上进行了提升。

1.2、SRAM

该存储单元由T1、T2、T3、T4构成锁存结构来实现数据的保存，无需定期刷新操作。

SRAM存储单元结构示意图

它的速率很快，是目前读写最快的存储设备了，但成本比较高，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和SRAM主要区别

• DRAM一般用于主存，SRAM一般用于cache(高速缓存)

• DRAM必须定时刷新，运行速度慢，集成度高，发热量小，成本低。

• SRAM是访问时间短的片上存储器，DRAM是访问时间长的片外存储器。因此SRAM 比 DRAM 快。

  
  

• SRAM很贵，而 DRAM 很便宜。

• 高速缓冲存储器是SRAM的一种应用，而DRAM用于主存储器。

• 由于使用了大量的晶体管，SRAM的结构很复杂。而DRAM易于设计和实现。

二、非易失性存储器

非易失性存储器种类比较多，分别是ROM、FLASH以及外部大容量存储器。

2.1、ROM（Read-Only Memory）只读存储器

ROM相当于计算机中的硬盘，我们的操作系统就是装在计算机硬盘之中，每次开机后都是启动硬盘中的程序。

ROM好比是住房，是我们真正的的容身之所(程序本身或者常量、固定数据等，掉电非易失)。

ROM分类：

MASKROM：真正意义上的只读存储器，一次性由厂家用特殊工艺固化，用户无法修改。

EEPROM：可实现重复擦写，直接用电路控制，不需要专门的设备来进行擦写。且操作单位为字节，并不需要操作整个芯片。目前已是主流。

2.2、FLASH

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其存储特性，相当于硬盘。U盘和MP3里用的就是这种存储器。

近些年来，在嵌入式系统中，FLASH用作存储Bootloader，操作系统，程序代码或者直接当硬盘使用。

FLASH分类：

NOR FLASH得益于地址线和数据线分开，可以以“字节”读写数据，所以允许程序直接在上面运行。NOR一般只用来存储少量的代码,因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息；

NOR的特点是无需专门的接口电路、传输效率高，它是属于芯片内执行，不必再把代码读到系统RAM中。

NAND FLASH相当于PC系统中的硬盘，容量大，用于存储安装软件之类的。

NAND Flash是通过物理方法保存数据的，既然是用物理方法就必须得有损耗，所以它的寿命是有限的，写入超过一定次数后就会报废。

NAND FLASH对比NOR FLASH在成本上有很大的优势，但是存在坏块问题(NAND通常是以块为单位进行擦除，块内有一位失效整个块就会失效)。

NAND FLASH要在上面读写数据，外部要加主控和电路设计。

生产厂家主要有：东芝、美光、intel、HYNIX、三星。

2.3、eMMC

eMMC(Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒体卡)为MMC协会所订立的， 它的内部是把NAND flash+主控IC封装在一起。

eMMC在物联网广泛应用，一般在移动设备，比如手机，平板电脑，一体工控机等等，总之一些硬件空间紧凑的地方。

eMMC优点是除了可以得到大容量的空间（这一点，只用NAND FLASH多堆叠也可以做到）外，还可以管理NAND （坏块处理，ECC，FFS)等。

eMMC（BGA封装）

eMMC现在主要是eMMC5.1，eMMC5.2，至此后，久未更新。

据说eMMC可能被UFS逐步取代，UFS闪存传输速率远超eMMC闪存，实际未知。