存储器的分类和详细描述

1. 引言

   关于存储器描述的博客有很多，本篇文章主要总结和归纳存储器的种类，对每个存储器进行描述，初步了解每一种存储器的用途和结构，以及不同存储器之间的区别。

2. 存储器的分类

3. 存储器的描述

3.1 RAM(随机存储器)

• SRAM(静态随机存储器)
  • 不需要刷新，面积大，速度快，价格贵，功耗较大，非破坏性读出，一般小容量SRAM用作高速CPU和慢速DRAM之间的缓冲存储器(cache)。
  • 从晶体管类型上分，SRAM可以分为双极性结型(TTL)和CMOS两种。双极性结型晶体管构成的SRAM速度非常快，但是功耗也很大；CMOS晶体管构成的SRAM功耗较低，应用广泛。
  • 从功能上分，SRAM可以分为异步SRAM和同步SRAM(SSRAM)。异步SRAM的读写访问受控于地址线和控制信号；同步SRAM的读写访问均在时钟的上/下沿时刻发生，且受控于地址线和控制信号。
  • 从端口上可以分为单端口SRAM、两端口SRAM和双端口；
  • SRAM的最基本单元是两个首尾相接的反相器，即第一个反相器的输出连接到第二个反相器的输入，第二个反相器的输出连接到第一个反相器的输入，这样就可以实现两个反相器的输出状态的锁定和保存，就可以存储1bit数据。为了描述SRAM的结构和工作原理，下面展示单端口SRAM、两端口SRAM和双端口的电路原理图。
  • 单端口SRAM，由6个晶体管组成，其中M1、M2、M3和M4构成了存储1bit数据的最基本单元，M1和M3为下拉(NMOS)管，M2和M4为上拉(PMOS)管，M5和M6为存取管(传输管)。该SRAM具有三种状态：standby(空闲)、reading(读)和writing(写)。
    • standby: WL(字线)为低电平，M5和M6断开，两个反相器保持状态不变。
    • reading: 假设基本单元存储的数据是1，即Q = 1, Q' = 0；在开始读之前，会通过预充电电路，将BL(位线)和BL'电平充电至1；使WL为高电平，M5和M6导通；BL' 通过M5和M1(单元存1时，M1一直处于导通状态)迅速放电至 0，M3仍然截止；VDD通过M4和M6对BL充电，使BL保持在1，M1仍然导通；去掉WL上的高电平。reading就是读BL上的电平
    • writing: 假设写1；当WL为低电平，置BL为“1”电平，BL’ 为“0”电平；置WL为高电平，M5、M6导通；Q' 通过M5向BL' 放电，达到“0”电平，M3截止；BL通过M6，VDD通过M4，对Q充电至“1”电平，M1导通；置WL为低电平，M5、M6关闭，此时Q处于“1”电平状态，Q' 处于“0”电平状态。writing就是拉高或者拉低BL，由于BL的驱动能力比存储单元强，会强制覆盖原来的状态。

图1 单端口SRAM

• • 两端口SRAM，由8个晶体管组成，具有独立的读写字线(RWL, WWL)和读写位线(RBL, WBL和WBL')，因此具有分开的读端口和写端口，可以同时读写。

图2 两端口SRAM  

• • 双端口SRAM，在6晶体管单端口SRAM的基础上，复制了一套读写端口。与两端口SRAM相比，两端口SRAM的一个端口只能实现读或写，而双端口SRAM的每一个端口都可以实现读和写。

 图3 双端口SRAM 

• DRAM(动态随机存储器) 
  • 面积小，功耗低，破坏性读出，使用电容保存数据，每隔一段时间需要刷新一次，如果不刷新，数据会丢失。
  • DRAM分为两种类型：1T1C和3T1C，他们的存储单元结构如下所示。现在多采用1T1C。

• • DRAM为什么需要不断的刷新？
    • 当对DRAM进行读操作的时候需要将电容与外界形成回路，通过检测电流变化判断存储元存储的是1还是0(是1就有电荷流出产生电流，是0则没有)。在进行读操作时，如果原来的数据是1，读完之后电荷顺着电流探测电路流走了，就变成0 了，下次再读的时候就不是原来的数据了。所以在读操作结束后需要刷新电路，重新将数据写回DRAM中。
  • 多久刷新一次？每次刷新多少存储单元？如何刷新？

    • 因为，电容上的电荷也只能保存2ms左右，一般每隔2ms也都会进行DRAM刷新。以行为单位，每次刷新一行存储单元。不需要CPU控制，有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期。

• • DRAM也分同步和异步，一般DRAM是异步，SDRAM为同步DRAM；因为同步，所以读写速度被提高。而且，SDRAM是多bank结构，DRAM不分bank；因为分bank，所以SDRAM可以在对被选中的bank读写的同时去对没被选中的bank进行预充电。
  • DDR SDRAM属于SDRAM的一类，LDDR是low power DDR

• SRAM与DRAM的区别: 

  SRAM的存取速度很快，但是地址线需要更多，这是因为SRAM和DRAM的寻址方式不同：SRAM同时发送行地址和列地址，把行地址和列地址拼接起来作为一次读写访问的地址，然后放到地址线上；
  SRAM有可能并没有把行地址和列地址拆分成长度相等的两段，并且行地址线和列地址线都是单独存在；
  DRAM是把行地址和列地址分为长度相等的两段，然后分两次发送；
  DRAM可以地址线复用，也就使用同一跟地址线分别发送行地址和列地址，减少了地址线的使用

3.2 ROM(只读存储器)

3.2.1 MaskROM(掩膜只读存储器)，存储内容在半导体制造厂中按照客户需求，在生产过程中直接写入，之后无法修改。

3.2.2 OTPROM(一次性可编程只读存储器)，顾名思义，只能通过专门编写器对该ROM进行一次写入，之后无法修改。

3.2.3 EPROM(可擦除可编程只读存储器)，修改次数有限，写入之间较长；一般分为UVEPROM(紫外线擦除)和EEPROM(电子擦除)。

3.2.4 Flash(闪存)，基于EEPROM的一种技术，一般分为Nor Flash和Nand Flash

3.2.4.1 Nor Flash

Nor Flash 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。

nor flash常用于保存代码和关键数据。

Nor Flash数据线和地址线分开。

Nor Falsh 根据于 CPU 端接口的不同，可分为并行(CFI)和串行(SPI)两类。

并行 Nor Flash的读取和我们常见的 SDRAM 的读取是一样，可直接接入到主机的 SRAM/DRAM 控制器上，其存储空间也可直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 才能被 CPU 访问，即支持片上运行(XIP)，这样可以减少 SRAM 的容量从而节约了成本。

3.2.4.2 Nand Flash

Nand Flash没有采取内存的随机读取技术，读取一次读一块的形式进行，通常是一次读取512个字节。

Nand Flash 需要通过专门的 NFI （NAND Flash Iterface）与 Host 端通信；没有addr线 它是data线共用数据和地址。通过引脚NFRW NFWE等引脚告诉 什么时候是做data线 什么做addr线。使用I/O口来串行地存取数据。

NAND适合于数据存储。

3.2.5 固态和U盘，是基于Flash的一种技术。