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RAM、ROM、EEPROM和Flash都是些啥?今天终于搞清楚了!

2023/07/17
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说到存储器,大家都能谈论几句,但也仅此而已。RAM、ROMEEPROM和Flash......都是存储器的一种,但你知道它们有何区别?有何特点?分别用在哪种场合?恐怕没几个人能讲清楚。

做人,不能肤浅!要有深度!有内涵!对于自己感兴趣的话题,要一探究竟,搞得明明白白!

看了上面这些五花八门的半导体存储器,估计你很头大,别急,且听我一一道来。

从人类文明诞生以来,我们就一直在寻求能够有效存储信息的方式。从结绳记事、甲骨文、竹简、纸张到今天的闪存、量子存储,脚步从未停止。

最早的信息存储介质是绳子,那个时候,文字还没出现,人类以结绳进行计数、记事。绳子上打结的数量表示事物的多少,而结的大小和形状则表示其他信息,如部落发生的大事、天灾人祸以及历法等。

后来,出现了文字,人们把兽骨龟甲竹简等当作文字的载体。

但这些载体能够记录的信息有限,如何大量、高效地存储信息成为一道难题。

后来,出现了,西汉(公元前202年-8年)初期,中国人发明了造纸术,这是对人类文明的巨大贡献,因为自那以后,信息的记录、传播和继承变得容易了。

几千年以来,人类存储信息的介质就是纸张,一直没变过。

到了现代以后,存储介质又发生了很大的变化,如:选数管、穿孔卡片、磁带、软盘、光盘等。

由于本文的重点不是介绍存储系统发展史,因此,在此一笔带过,下面重点讨论半导体存储器。

半导体存储器,顾名思义,就是用半导体材料作为介质进行信息存储的器件。信息的本质是什么?其实就是“0”和“1”。一个图片、一段视频、一段代码,在存储器中都是以“0”和“1”的形式存在的。

半导体存储器利用半导体介质储存电荷以实现信息存储,存储与读取过程就是电荷的储存或释放。

按大类来分,半导体存储器分为易失性存储器(RAM)非易失性存储器(ROM)

随机存储器(Random Access Memory),简称RAM,它可以让用户临时存储和访问数据、程序,访问速度很快,但其存储的内容在断电后会丢失。电脑的内存就是一种典型的RAM。

RAM进一步又可分为DRAM(Dynamic Random Access Memory动态随机存取存储器)和SRAM(Static Random Access Memory,静态随机存储器)。

SRAM在工作时不需要刷新,而DRAM在工作时需要定期刷新,否则数据就会丢失,由此,SRAM的速度也要远大于DRAM。

SRAM依靠触发器存储数据,花费6个晶体管才能存储1bit;DRAM依靠电容存储,每个存储元(1bit)只需1个电容和1个晶体管,有电流时为1,无电流时为0。DRAM放置久了,电荷则会流失,而SRAM则不存在电荷泄漏问题。

基于以上特性,SRAM一般用在更高速CPU和较低速DRAM之间的缓存,即高速缓冲存储器(Cache),容量一般只有几十K到几十M,DRAM则用于电脑、手机等电子产品的主内存,容量一般在百M或GB级别。

DRAM根据不同的标准和规格,又可以分为如下几类:

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory):SDRAM是最早出现的DRAM类型之一,它与传统的DRAM相比,在数据传输上更具有效率,SDRAM通常以其运行速度命名,例如PC66、PC100、PC133等。

DDR(Double Data Rate):DDR SDRAM是目前最常见和广泛使用的DRAM类型之一。它采用双倍数据传输技术,能够在每个时钟内传输两个数据位。DDR按代称为DDR1、DDR2DDR3、DDR4等,每一代都有不同的频率和带宽,性能逐步提升。

GDDR(Graphics Double Data Rate):GDDR是专门为图形处理器(GPU)设计的高速DRAM类型。它在DDR基础上进行了优化,具有更高的带宽和更快的数据传输速度。GDDR也按代分为GDDR3、GDDR4、GDDR5等,每一代都增加了带宽和性能。

LPDDR(Low Power Double Data Rate):LPDDR是一种低功耗的移动设备专用DRAM,它在DDR基础上进行了优化,以提供更高的能效和较低的功耗,按代分为LPDDR3、LPDDR4、LPDDR5等,每一代都提升了能效和性能。

RAM先讨论到这里,下面说ROM。

电源关闭时,RAM不能保留数据,这个时候就需要ROM了。只读存储器(Read Only Memory)简称ROM。

百度百科上对ROM的解释是ROM只能读出无法写入信息,这种说法在很久以前可能是对的,但放在现在可能会误导大家。

早期的ROM真的是只读,出厂啥样就永远啥样,定型了,比如电脑主板的BIOS就是存储在ROM中的,每次开机流程都一样,从出厂到报废,BIOS完全不用变。

但是随着时代的发展,需求越来越多,ROM变得不那么只读了。

所以出现了PROM可编程只读存储器),给用户的芯片是空白的,用户写一次之后就变成只读了。

这显然无法满足需求,因为用户写一次后可能还想改,于是允许用紫外线擦除重写的EPROM(可擦除可编程只读存储器)被发明了。EPROM与PROM相似,但它可以使用紫外线来擦除数据,并允许用户多次重写数据,在编程前需要先擦除整个芯片,因此擦除和编程过程比较耗时。

用紫外线照射擦除太麻烦了,所以EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)横空出世,不同于EPROM,EEPROM可以通过在电路上加电脉冲来擦除数据,而不需要紫外线照射,并且支持反复擦写和编程,操作更加方便。

EEPROM有时候被称为E方PROM,因为有两个E,即E的平方,简称E方

EEPROM掉电后数据不丢失,可以保存100年,可以擦写100万次。EEPROM可靠、电路复杂、成本也高,所以其容量一般都在512K以下。

此外,EEPROM读写是按字节操作的,所以虽然灵活,但速度比较慢,显然不适宜存储程序。

所以,就有了Flash ROM(闪存存储器),简称Flash,它也是可电擦除的,因此,Flash是一种广义的EEPROM。

Flash的改进主要在于擦写时不再以字节为单位,而是以块为单位,从而简化了电路,降低了成本,擦写速度得到了提升,这显然成为存储程序的完美载体!

汽车上的单片机程序就是存储在Flash中的,这样便于擦除和编写,易于软件更新与刷写。

Flash进一步又可细分为NOR FlashNAND Flash

NOR Flash将数据线和地址线分开,可以实现RAM一样的随机寻址功能,可以读取任何一个字节,但擦除仍然要按块来擦除。NOR Flash成本较高,容量相对小,常见的有128KB、256KB、1MB、2MB等。

NAND Flash数据线和地址线复用,不能利用地址线随机寻址,读取只能按页来读取,同样,擦除仍然要按块来擦除。NAND Flash比较便宜,容量大,更适合存储大量的数据。

NOR Flash适用于程序代码并行读写存储,NAND Flash适用于数据或文件的串行读写存储,用户不能直接运行NAND Flash上的代码,所以很多开发板除了使用NAND Flash外,还需要使用一块小的NOR Flash来运行启动代码。

最后介绍一下eMMC

eMMC是embedded MultiMediaCard的简称,即嵌入式多媒体卡,它是将Nand Flash和Flash Controller和eMMC接口等封装在一起的小型存储系统

这样做的好处是简化了存储系统设计,降低了开发复杂度。因为生产Nand Flash的厂商很多,每家生成的产品特性都有差异,程序员需要针对这些特性做兼容性开发,而eMMC则规定了统一的协议接口,程序员只需要根据协议开发,就能兼容各个厂商的eMMC产品。

此外,eMMC的读写性能更好,其在Nand Flash的基础上,加入了Cache、Memory array等技术,大大提高了读写速度。

eMMC的存储容量很大,从4GB到256GB都有。

汽车存储应用分布

eMMC曾为智能手机而生,如今在汽车领域得到了广泛应用,T-Box、车机ADAS等均有使用。

文章读到这里,相信大家对半导体存储器的了解又更深入了一些,以后跟别人聊起RAM、ROM等,再也不心虚了。

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