聊聊RAM和ROM

這一次我們繼續(xù)來聊一聊Memory，上次我們談到了NVM，這次我們來聊聊RAM和ROM。

何為Memory

Memory種類

Memory用來存儲和讀寫的大量的二進制數(shù)據(jù)。其中又有兩個相對應的概念：只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）。ROM只能讀，不能寫；RAM既能讀又能寫。RAM具有易失性。斷電以后，RAM中保存的數(shù)據(jù)將全部丟失；而ROM中的數(shù)據(jù)則可以長久保存。

Memory結(jié)構(gòu)

存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本都差不多，一般由存儲陣列，地址譯碼器和輸出控制電路組成。存儲陣列以外的電路都稱為外圍電路（Periphery）。

存儲陣列是memory的核心區(qū)域，它有許多存儲單元組成，每個存儲單元存放一位二值數(shù)據(jù)。每次讀出一組數(shù)據(jù)，稱為一組字。一個字中所含的位數(shù)稱為字長（Bit）。

為了區(qū)別各個不同的字，給每個字賦予一個編號，稱為地址，由譯碼器將地址代碼轉(zhuǎn)譯。地址單元個數(shù)就是字數(shù)（Depth），用N表示，數(shù)值為2n，n為地址碼的位數(shù)。

實際運用中，我們經(jīng)常以字數(shù)（Depth）和字長（Bit）的乘積來表示存儲器的容量。如下圖中的ROM容量為28 X 1，有256個字，字長為1位，總共256個存儲單元。容量越大，意味著能存儲的數(shù)據(jù)越多。

關(guān)于RAM

RAM（Random Access Memory），隨機存儲器，指存儲內(nèi)容可被快速地寫入或者讀出，掉電后存儲內(nèi)容丟失地存儲器。

RAM可分為SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）和DRAM（動態(tài)隨機存儲器）兩種。

1）SRAM

SRAM的優(yōu)點是只要器件不掉電，存儲內(nèi)容就不會丟失，無需刷新電路，工作速度快。缺點是集成度低，功耗大，價格高。

上圖是一種典型的SRAM結(jié)構(gòu)，每個存儲單元由六個MOS管組成，中間四個MOS管構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，兩側(cè)的兩個MOS管（Q1，Q1’）的開關(guān)狀態(tài)由同一個選擇信號CE控制。

數(shù)據(jù)寫入時，數(shù)據(jù)信號D及其取反后的信號D#分別出現(xiàn)在Q1和Q1’上，待選擇信號CE將Q1和Q1’導通后，D和D#觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使之發(fā)生相應的翻轉(zhuǎn)，并使翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)一直得到保留，直到下次數(shù)據(jù)寫入事件的發(fā)生。

數(shù)據(jù)讀出時，選擇信號CE有效并使Q1和Q1’導通后，A和A’點的邏輯狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)信號D和D#上，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，該讀取的過程并不改變存儲單元內(nèi)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)。

每個SRAM存儲單元由六個MOS管組成，功耗大，集成度低，但由于內(nèi)部采用了雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，也無需不斷地對內(nèi)部存儲地內(nèi)容進行刷新。

所以SRAM在電子產(chǎn)品種容量較小，往往用在非?？量痰牡胤?，例如CPU的緩存。

2）DRAM

DRAM地優(yōu)點是集成度高，功耗小，價格低。

缺點是即便器件不掉電，存儲內(nèi)容也只能保持很短地時間，需不斷地被刷新。

典型的DRAM結(jié)構(gòu)圖如下：

每個存儲單元由一個MOS管及其寄生電容構(gòu)成。由于數(shù)據(jù)信號的狀態(tài)由電容的電荷量決定，因此每隔一段時間需對電容做一次充放電的刷新操作。

DRAM通常用于制作容量要求高，但是速度要求相對低的存儲器，例如電腦內(nèi)存條。

DRAM分為很多種，常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，這里介紹其中的一種，DDR RAM。

DDR RAM（Date-Rate RAM）也稱作DDR SDRAM，這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內(nèi)存，而且它有著成本優(yōu)勢。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來提高帶寬，這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

關(guān)于SRAM和DRAM的更多信息可以參考之前的推文：科普：SRAM與DRAM的區(qū)別在哪里？

關(guān)于ROM

ROM的定義

ROM是只讀存儲器（Read-Only Memory）的簡稱，是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導體存儲器。其特性是一旦儲存資料就無法再將之改變或刪除。通常用在不需經(jīng)常變更資料的電子或電腦系統(tǒng)中，并且資料不會因為電源關(guān)閉而消失。

ROM的發(fā)展

為便于使用和大批量生產(chǎn) ，進一步發(fā)展了可編程只讀存儲器（PROM）、可擦可編程序只讀存儲器（EPROM）和電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）。例如早期的個人電腦如Apple II或IBM PC XT/AT的開機程序（操作系統(tǒng)）或是其他各種微電腦系統(tǒng)中的韌體（Firmware）。

EPROM需用紫外光擦除，使用不方便也不穩(wěn)定。20世紀80年代制出的EEPROM，克服了EPROM的不足，但集成度不高 ，價格較貴。于是又開發(fā)出一種新型的存儲單元結(jié)構(gòu)同 EPROM 相似的快閃存儲器 。其集成度高、功耗低 、體積小 ，又能在線快速擦除 ，因而獲得飛速發(fā)展，并有可能取代現(xiàn)行的硬盤和軟盤而成為主要的大容量存儲媒體。大部分只讀存儲器用金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管制成。

ROM有很多種，Mask-ROM就是工程師口中的只讀memory，數(shù)據(jù)固化后就不可改變。

最初,大家把只能讀的存儲器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。由于不能改寫，因而使用起來很不方便。隨著技術(shù)的進步，在ROM中使用一些新技術(shù)，就可以使它具有可以編程的功能。

PROM是可編程的ROM，但PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就無法修改了。隨著時代發(fā)展，這樣的功能顯然是不夠的。

后來又出現(xiàn)了EPROM，是通過紫外線來擦除的，并且通過高壓來編程，這類ROM上面一般有一個透明的石英玻璃窗。

而EPROM則可以通過紫外光的照射擦除原先的程序，進行編程，是一種通用的存儲器。

后來又出現(xiàn)了EEPROM，不用紫外線照射就可以擦除，因而可以直接在電路中編程。EEPROM是通過電子擦除，價格很高，寫入時間很長，寫入很慢。

其實從性質(zhì)上看，它們的功能已經(jīng)與ROM的名稱（只讀）有些出入，但之所以它們依然叫ROM，大概有幾個原因:

（1）不能像RAM那樣快速的寫；

（2）可能需要特殊的擦寫電壓；

（3）可能需要特殊的擦寫時序；

（4）可能需要在寫之前進行擦除操作；

（5）擦寫次數(shù)有限,不像RAM那樣可以隨意寫而不損壞；

（6）掉電后數(shù)據(jù)不會丟失；

（7）有些可寫的存儲器只能寫一次(OTP)。

接下來我們展開討論下EPROM和EEPROM。

關(guān)于EPROM

可抹除可編程只讀存儲（Erasable Programmable Read Only Memory）可利用高電壓將資料編程寫入，抹除時將線路曝光于紫外線下，則資料可被清空，并且可重復使用。通常在封裝外殼上會預留一個石英透明窗以方便曝光。

EPROM的優(yōu)點

（1）EPROM是一種經(jīng)濟高效的解決方案，尤其是對于多個重新編程的情況。

（2）EPROM更易于測試和調(diào)試操作。

（3）即使沒有電源，EPROM也可以存儲數(shù)據(jù)。

EPROM的缺點

（1）EPROM比EEPROM具有更高的靜態(tài)功耗。

（2）與EEPROM相比，EPROM擦除操作要困難得多，時間更長。

（3）EPROM無法逐字節(jié)擦除數(shù)據(jù)。

（4）在某些情況下，EPROM可能比PROM昂貴。

關(guān)于EEPROM

電子式可抹除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，或?qū)懽鱁2PROM）的運作原理類似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場來完成，因此不需要透明窗。可分為序列式和并行式。

與FLASH的區(qū)分在于，擦寫時FLASH需要一片一片擦寫，而EEPROM則可以按“位”擦寫。

單獨的EEPROM組件，其通信口通?？煞譃榇校╯erial）與并行（parallel）兩類。除電源線外，串行通信口只使用1~4只接線來傳遞信號，所需接腳較并行式少，通常用來存儲資料。運行用的程序則通常放在并行式的 EEPROM 中，以利訪問。

EEPROM多字節(jié)讀寫操作時序

讀取EEPROM數(shù)據(jù)很簡單，EEPROM根據(jù)我們所送的時序，直接就把數(shù)據(jù)送出來了，但是寫入EEPROM數(shù)據(jù)卻沒有這么簡單了。給EEPROM發(fā)送數(shù)據(jù)后，先保存在了EEPROM的緩存，EEPROM必須要把緩存中的數(shù)據(jù)搬移到“非易失”的區(qū)域，才能達到數(shù)據(jù)掉電不丟失的效果。

在往非易失區(qū)域?qū)懙倪^程，EEPROM是不會再響應我們的訪問的，不僅接收不到我們的數(shù)據(jù)，而且我們使用IIC標準的尋址模式去尋址，EEPROM都不會應答，就如同這個總線上沒有這個器件一樣。數(shù)據(jù)寫入非易失區(qū)域完畢后，EEPROM再次恢復正常，可以正常讀寫數(shù)據(jù)了。

EEPROM的主要制造商

ON Semiconductor、美信、NXP、華邦電子等

EPROM與EEPROM的比較

（1）紫外線可以擦除EPROM，而電信號可以擦除EEPROM。

（2）EPROM和EEPROM均用于與外部編程相關(guān)的硬件或操作系統(tǒng)的下層。

（3）EPROM晶體管的功耗約為12.5，而EEPROM晶體管的功耗為5伏。

（4）EPROM使用電子注入編程技術(shù)進行編程，而EEPROM使用隧道效應技術(shù)進行編程。

（5）EPROM擦除操作可能需要15到20分鐘，而EEPROM擦除操作僅需5毫秒，這比EPROM快得多。

（6）應該從計算機電路或主板上取下EPROM，以進行擦除和重新編程，在不取下的情況下，可以在計算機電路和主板內(nèi)擦除EEPROM。

EPROM與EEPROM的工作原理

PROM是可編程器件,主流產(chǎn)品是采用雙層柵(二層poly)結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)如圖所示：

浮柵中沒有電子注入時，在控制柵加電壓時，浮柵中的電子跑到上層,下層出現(xiàn)空穴。由于感應,便會吸引電子,并開啟溝道。如果浮柵中有電子的注入時，即加大的管子的閾值電壓。溝道處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣就達成了開關(guān)功能。

這是EPROM的寫入過程，在漏極加高壓，電子從源極流向漏極。溝道充分開啟。在高壓的作用下,電子的拉力加強,能量使電子的溫度極度上升，變?yōu)闊犭娮?hot electron)。這種電子幾乎不受原子的振動作用引起的散射，在受控制柵的施加的高壓時，熱電子使能躍過SiO2的勢壘,注入到浮柵中。

在沒有別的外力的情況下，電子會很好的保持著。在需要消去電子時，利用紫外線進行照射,給電子足夠的能量,逃逸出浮柵。

EEPROM的寫入過程，是利用了隧道效應，即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。根據(jù)隧道效應，包圍浮柵的SiO2，必須極薄以降低勢壘。

源漏極接地,處于導通狀態(tài)。在控制柵上施加高于閾值電壓的高壓，以減少電場作用，吸引電子穿越。

要達到消去電子的要求,EEPROM也是通過隧道效應達成的。如上圖所示,在漏極加高壓,控制柵為0V,翻轉(zhuǎn)拉力方向,將電子從浮柵中拉出。這個動作,如果控制不好,會出現(xiàn)過消去的結(jié)果。

ROM與RAM的不同使用范圍

RAM，易揮發(fā)性隨機存取存儲器，高速存取，讀寫時間相等，且與地址無關(guān)，如計算機內(nèi)存等。

ROM，只讀存儲器。斷電后信息不丟失，如計算機啟動用的BIOS芯片。存取速度很低，（較RAM而言）且不能改寫。由于不能改寫信息，不能升級，現(xiàn)已很少使用。

ROM現(xiàn)階段已經(jīng)很少有獨立的芯片了，最早還應用于漢字字庫、游戲卡等，如今基本上都是以嵌入在芯片里的IP形式出現(xiàn)了。

EPROM、EEPROM、Flash ROM(NOR Flash 和 NAND Flash)，性能同ROM，但可改寫。一般讀出比寫入快，寫入需要比讀出更高的電壓（讀5V寫12V）。而Flash可以在相同電壓下讀寫，且容量大、成本低，如今在U盤、MP3中使用廣泛。

在計算機系統(tǒng)里，RAM一般用作內(nèi)存，ROM用來存放一些硬件的驅(qū)動程序，也就是固件。

審核編輯：劉清