计算机存储设备

在嵌入式开发中，每天都在跟ROM/Flash、RAM/SDRAM打交道，还有那些默默无闻的片内SRAM和EEPROM。但是对SDR/DDR等概念的区分始终不是那么透彻，故网罗相关资料，系统整理了一下ROM/RAM等存储设备的概念。

1存储设备

1.1 存储设备概述

存储设备是用于储存信息的设备或设备。通常是将信息数字化后再以利用电、磁或光学等方式的媒体加以存储。

常见的存储设备有：（1）利用电能方式存储信息的设备如：各式存储器，如各式随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等；（2）利用磁能方式存储信息的设备如：硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器；（3）利用光学方式存储信息的设备如：CD或DVD；（4）利用磁光方式存储信息的设备如：MO（磁光盘）；（5）利用其他实体物如纸卡、纸带等存储信息的设备如：打孔卡、打孔带等。

具体驱动设备的例子如：磁带机 （magnetic tape machine）、软磁盘 （floppy diskette drive）、硬磁盘 （hard disk drive）、固态硬盘（Solid State Disk）、光盘机 （CD drive 或 DVD drive）、纸带穿孔与读取机 （punch-tape machine）。

1.2 主存储器和辅助存储器

存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器。由于寄存器和高速缓存一般是属于硬件配置范畴，故一般所说的主存储器主要是指内存，外部存储器主要是指硬盘（也称磁盘）。

内存的特点是存取速率快，一般用来存储运算时的数据。我们平常使用的程序，如Windows操作系统、打字软件、游戏软件等，一般都是安装在硬盘等外存上的，但仅此是不能使用其功能的，必须把它们调入内存中运行，才能真正使用其功能。我们平时输入一段文字，或玩一个游戏，其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里，存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存，而我们工作的办公桌就是内存。通常我们把要永久保存的、大量的数据存储在外存上，而把一些临时的或少量的数据和程序放在内存上，当然内存的好坏会直接影响电脑的运行速度。

1.3 随机存取和易失性

1.3.1随机存取

所谓“随机存取”，指的是当存储器中的信息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。相对的，读取或写入顺序访问（Sequential Access）存储设备中的信息时，其所需要的时间与位置就会有关系（如磁带）。

计算机的主存储器可以被随机的访问，典型的位置信息使用内存的物理地址，无论存储的内容怎么变化，物理地址是不变的。卷起的磁带没有地址定位，当我们想听某一首歌曲时，只能靠手工快进或倒带模糊定位。

1.3.2 易失性

内存一般为非永久性或易失性存储器（Volatile Memory），在断电的时候，将失去所存储的内容。内存储器的作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

外存储器是指除CPU寄存器、高速缓存和内存以外的存储器，此类存储器一般断电后仍然能保存数据。通常称这类存储器为永久性或非易失性存储器（Non-volatile Memory），常见的外储存器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。

1.3.3 刷新

现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据。电容器充满电后代表1（二进制），未充电的代表0。由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，电荷会渐渐随时间流失而使数据发生错误。刷新是指重新为电容器充电，弥补流失了的电荷，需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。

 

2易失性存储器

易失性存储器（Volatile memory）是指当电流关掉后，所存储的数据便会消失的电脑存储器。

RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM)。

2.1SRAM（Static RAM, 静态随机存取存储器）

SRAM中的每一bit存储在由4个场效应管（M1,M2, M3, M4）构成两个交叉耦合的反相器中。另外两个场效应管（M5, M6）是存储基本单元到用于读写的位线(Bit Line)的控制开关。所谓的“静态”，是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。然而，当电力供应停止时，SRAM储存的数据还是会消失。

SRAM易于控制，随机访问快速、功耗低（特别是在空闲状态），因此SRAM主要用于带宽要求高或者功耗要求低的场合。SRAM一般主要集成于芯片内：（1）作为微控制器的RAM或者L1 Cache（通常从32 B到128KB）；（2）作为强大的微处理器的主cache，如x86系列与许多其它CPU（从8 kiB到几百万字节的量级）；（3）作为寄存器（参见寄存器堆）；（4）用于特定的IC或ASIC（通常在几千字节量级），例如交换芯片PCU单元中的Rx/Tx FIFO缓存；（5）用于FPGA与CPLD；（6）LCD显示器或者打印机也通常用SRAM来缓存数据。

由于复杂的内部结构，SRAM比DRAM的占用面积更大，且SRAM比DRAM更为昂贵，因而不适合用于更高存储密度低成本的应用，如PC机内存。DRAM由于具有较低的单位容量价格，所以被大量的采用作为系统的主存。

2.2 DRAM（Dynamic RAM，动态随机存取存储器）

DRAM利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制比特（bit）是1还是0。由于在现实中电容会有漏电的现象，导致电位差不足而使记忆消失，因此除非电容经常周期性地充电刷新，否则无法确保记忆长存。由于这种需要定时刷新的特性，因此被称为“动态”存储器。相对来说，“静态”存储器（SRAM）只要存入数据后，纵使不刷新也不会丢失记忆。同SRAM，当电力供应停止时，DRAM存储的数据也会消失。

与SRAM相比，DRAM的优势在于结构简单——每一个比特的数据都只需一个电容跟一个晶体管来处理，相比之下在SRAM上一个比特通常需要六个晶体管。正因这缘故，DRAM拥有非常高的密度，单位体积的容量较高因此成本较低。但相反的，DRAM也有访问速度较慢，耗电量较大的缺点。由于DRAM的性价比很高，且扩展性也不错，是现今一般电脑主存的最主要部分。

2.3 SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存取存储器）

同步动态随机存取内存是有一个同步接口的动态随机存取内存（DRAM）。通常动态随机存取内存（DRAM）是有一个异步接口的，这样它可以随时响应控制输入的变化。而SDRAM有一个同步接口，在响应控制输入前会等待一个时钟信号，这样就能和计算机的系统总线同步。时钟被用来驱动一个有限状态机，对进入的指令进行流水线操作。这使得SDRAM与没有同步接口的异步RAM(Asynchronous DRAM)相比，可以有一个更复杂的操作模式。

传统的SDR（SDRAM）只能在信号的上升沿进行数据传输，而新一代DDR SDRAM却可以在信号的上升和下降沿都进行数据传输。所以DDR内存在每个时钟周期都可以完成两倍于SDRAM的数据传输量，这也是DDR的意义——Double Data Rate，双倍数据速率。

DDR SDRAM（Double-Data-Rate SDRAM，双倍数据率同步动态随机存取存储器）为具有双倍数据传输率的SDRAM，其数据传输速度为系统时钟频率之两倍，由于速度增加，其传输性能优于传统的SDRAM。DDRSDRAM在系统时脉的上升延和下降延都可以进行数据传输。

DDR2 SDRAM（Double-Data-Rate Two SDRAM，第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器），是一种电脑存储器规格。它属于SDRAM家族的存储器产品，提供了相较于DDR SDRAM更高的运行性能与更低的电压，是DDR SDRAM（双倍数据率同步动态随机存取存储器）的后继者（增加至四倍），也是现时流行的存储器产品。

DDR3 SDRAM（Double-Data-Rate Three SDRAM，第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器），是一种电脑存储器规格。它属于SDRAM家族的存储器产品，提供了相较于DDR2 SDRAM更高KSEG0的运行性能与更低的电压，是DDR2 SDRAM（四倍数据率同步动态随机存取存储器）的后继者（增加至八倍），也是现时流行的存储器产品。

目前DDR3内存在DRAM领域占据了85%到90%的份额，DDR4内存的标准规范已经制定完成，三星、海力士等也早都陆续完成了样品，预计到2014年才会正式登场亮相，并在不久的将来普及成为新的主流规格。

需要指明的是SDRAM在加电后，并不能立即使用，需要进行初始化，设置好参数才能保存数据。SDRAM还需设置内存的刷新时间，如果设置时间不对，就不能保存数据了。

 

3非易失性存储器

非易失性存储器中，依存储器内的数据是否能在使用电脑时随时改写为标准，可分为二大类产品，即ROM和Flash memory。

3.1 ROM（Read Only Memory，只读存储器）

常用于存储各种固定程序和数据，一般在出厂时经特殊的工序将资料烧录其中（program written when manufactured），在系统停止供电的时候仍然可以保持数据。ROM中的内容只能读不能改写，一旦烧录进去，用户只能验证写入的资料是否正确，不能再作任何修改。如果发现资料有任何错误，则只有舍弃不用。

PROM（Programmable ROM，可编程程序只读内存），内部有行列式的镕丝，是需要利用电流将其烧断，写入所需的资料（programmed after manufacture），但仅能写录一次。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”。

EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM），芯片可重复擦除和写入，解决了ROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据（erased with UV light），完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12—24V，随不同的芯片型号而定）。EPROM的型号是以27开头的，如27C020(8*256K）是一片2M Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。

EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦除可编程ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。当计算机在使用的时候是可频繁地对EEPROM进行重编程，但EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。EEPROM一般用于即插即用（Plug & Play），常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据。

不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容。不必将资料全部洗掉才能写入，而且是以Byte为最小修改单位，彻底摆脱了EPROM Eraser和编程器的束缚。由于EEPROM的优秀性能，以及在联机操作的便利，它被广泛用于需要经常擦除的BIOS芯片以及闪存芯片，并逐步替代部分有断电保留需要的RAM芯片，甚至取代部份的硬盘功能（见固态硬盘）。它与高速RAM成为当前最常用且发展最快的两种存储技术。例如，厂家在出厂前把所有内存配置信息写到一个EEPROM里，让BIOS启动时通过I2C总线去读取内存条上的EEPROM参数，然后对内存进行初始化。

既然PROM、EPROM、EEPROM都是可编程的，但是为什么还称之为只读（Read Only）呢？ 这个可能是指不能像访问主存那样被CPU按地址直接改写，而是要通过一定的电光手段才能擦除改写。

3.2 Flash

NVRAM（Non-Volatile RAM），即非易失性存储器，指广义上断电后仍能保持数据的存储设备。在多种NVRAM中，以闪存技术最为引人注目。

快闪存储器（Flash Memory）简称“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。闪存的每一个记忆胞都具有一个“控制闸”与“浮动闸”，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。

在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM/EEPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM/EEPROM）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）。

闪存属于EEPROM的改进产品，EEPROM可以一次只擦除一个字节(Byte)，但闪存的存储体通常被组织成块（Block），向闪存地址写之前要先擦除掉该地址的内容，并且对闪存的擦除粒度是单个块(Block)。

闪存芯片有两种形式：NOR和NAND。NOR（或非）用于存储嵌入式设备上的固件映象（firmware image），而NAND（与非）用作大容量、高密度、廉价的、但有瑕疵的存储器，通常是固态大容量存储介质，如USB笔驱动器和DOM。

NOR闪存芯片通过与通常RAM类似的地址线和数据线连接到处理器，可以像访问SDRAM一样，按照数据/地址总线直接访问。但NAND闪存芯片是通过I/O和控制线与设备连接的，只有8位/16位/32位甚至更多位宽的总线，每次访问都要将长地址分为几部分，一点点的分布传入才能访问NAND Flash。

3.2.1 NOR FLASH: （任意地址读数据，但按扇区写数据即扇区擦除）

NOR Flash属于芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，应用程序可以直接在其中运行，故一般用于存储嵌入式设备的启动代码。SoC复位后，bootstrap微码会自动将指令指针指向NOR Flash的零地址（after-reset starting point），开始执行这个地址所包含的指令。但是存放在ROM/Flash中的数据不能直接被修改，一般还是要将相应代码拷贝重定位到RAM中执行。

NOR Flash根据外部接口分为普通接口和SPI接口。普通接口的NOR Flash，多数支持CFI接口，所以一般也叫做CFI接口。CFI接口，相对于串口的SPI来说，也被称为并行（Parallel）接口。

普通的parallel/CFI/JEDEC接口的的Nor Flash的针脚比较多，芯片比较大。之所有会有SPI接口的，主要是相对CFI/Parallel的NOR Flash可以减少针脚数目，减少芯片封装大小，采用了SPI后的NOR Flash，针脚只有8个。

SPI Nor Flash每次传输一个bit位的数据，ParallelNor Flash每次传输多个bit位的数据（有x8和x16bit两种）。SPI Nor Flash比parallel便宜，接口简单点，但速度慢。

一般SoC芯片提供boot sel pin，供用户选择存储引导程序的Flash的类型。

3.2.2 NAND FLASH:（按扇区读数据，按扇区写数据即扇区擦除）

NAND闪存芯片与NOR不同，它们不是通过数据线和地址线连接到CPU的，而是通过一个称为NAND闪存控制器的特别电子元件与CPU对接的，许多嵌入式处理器集成了NAND控制器。因此，在NAND闪存上的代码不能直接执行，必须先复制到RAM才能执行。

NAND技术用在USB笔驱动器、DOM、CF内存卡和SD/MMC卡等设备中，模拟标准存储接口，比如基于NAND闪存的SCSI或IDE。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”。

3.2.3 SD Card

SD Card（Secure Digital Card），直译成汉语就是“安全数字卡”。它是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，被广泛地应用于便携式装置上，例如智能手机、个人数码助理（PDA） 、数码相机和多媒体播放器（MP3、MP4）等。

SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SD卡在24mm×32mm×2.1mm的体积内结合了SanDisk快闪记忆卡控制与MLC（Multilevel Cell）技术和Toshiba（东芝）0.16u及0.13u的NAND技术，通过9针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上记忆的信息。而且它是一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。

 

4 CMOS/BIOS

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在计算机领域，CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，因为可读写的特性，所以用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的，一般都有128~256字节的容量。CMOS RAM芯片由系统通过一块后备电池供电，因此无论是在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。

BIOS（Basic Input Output System），直译就是“基本输入输出系统”。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM（EPROM或EEPROM）芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

主板上的BIOS芯片或许是主板上唯一贴有标签的芯片，一般它是一块32针的双列直插式的集成电路，上面印有"BIOS"字样。CMOS芯片通常都集成在主板的BIOS芯片里面，所以主板上一般看不到CMOS芯片，只能看到BIOS芯片。通过BIOS程序对电脑硬件进行设置，设置好的参数放在CMOS芯片里面。

新型计算机主板都采用Flash BIOS，使用相应的升级软件就可进行升级，Flash BIOS升级需要两个软件：一个是新版本BIOS的数据文件（需要到Internet网上去下载）；一个是BIOS刷新程序（一般在主板的配套光盘上可以找到，也可到Internet网上去下载）。

 

参考：

《RAM,SRAM,SDRAM工作原理 之一》

《RAM,SRAM,SDRAM工作原理 之二》

《RAM,SRAM,SDRAM工作原理 之三》

《DRAM, SRAM, SDRAM的关系与区别》

《SDR和DDR SDRAM的初始化操作》

《NVRAM 和 flash的区别》

《Is eepromand cmos the same?》

《spi flash、nor flash 、nand flash》

《路由器的内存和作用》

《编写uboot下Nor Flash驱动的注意事项》

《Flash》