對ROM和RAM以及FLASH存儲器的詳細解析

ROM和RAM指的都是半導體存儲器，ROM是Read Only Memory的縮寫，RAM是Random Access Memory的縮寫。ROM在系統(tǒng)停止供電的時候仍然可以保持數(shù)據(jù)，而RAM通常都是在掉電之后就丟失數(shù)據(jù)，典型的RAM就是計算機的內(nèi)存。

RAM有兩大類：

一種稱為靜態(tài)RAM(Static RAM/SRAM)，SRAM速度非?？欤悄壳白x寫最快的存儲設備了，但是它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級緩沖，二級緩沖。

另一種稱為動態(tài)RAM(Dynamic RAM/DRAM)，DRAM保留數(shù)據(jù)的時間很短，速度也比SRAM慢，不過它還是比任何的ROM都要快，但從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很 多，計算機內(nèi)存就是DRAM的。

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，事實上擊敗了Intel的另外一種內(nèi)存標準-Rambus DRAM。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。

內(nèi)存工作原理：

內(nèi)存是用來存放當前正在使用的(即執(zhí)行中)的數(shù)據(jù)和程序，我們平常所提到的計算機的內(nèi)存指的是動態(tài)內(nèi)存(即DRAM)，動態(tài)內(nèi)存中所謂的"動態(tài)"，指的是當我們將數(shù)據(jù)寫入DRAM后，經(jīng)過一段時間，數(shù)據(jù)會丟失，因此需要一個額外設電路進行內(nèi)存刷新操作。

具體的工作過程是這樣的：一個DRAM的存儲單元存儲的是0還是1取決于電容是否有電荷，有電荷代表1，無電荷代表0。但時間一長，代表1的電容會 放電，代表0的電容會吸收電荷，這就是數(shù)據(jù)丟失的原因;刷新操作定期對電容進行檢查，若電量大于滿電量的1/2，則認為其代表1，并把電容充滿電;若電量 小于1/2，則認為其代表0，并把電容放電，藉此來保持數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

ROM也有很多種，PROM是可編程的ROM，PROM和EPROM(可擦除可編程ROM)兩者區(qū)別是，PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就 無法修改了，這種是早期的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)不可能使用了，而EPROM是通過紫外光的照射擦出原先的程序，是一種通用的存儲器。另外一種EEPROM是通過 電子擦出，價格很高，寫入時間很長，寫入很慢。

舉個例子，手機軟件一般放在EEPROM中，我們打電話，有些最后撥打的號碼，暫時是存在SRAM中的，不是馬上寫入通過記錄(通話記錄保存在EEPROM中)，因為當時有很重要工作(通話)要做，如果寫入，漫長的等待是讓用戶忍無可忍的。

FLASH存儲器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能，還不會斷電丟失數(shù)據(jù)同時可以快速讀取 數(shù)據(jù)(NVRAM的優(yōu)勢)，U盤和MP3里用的就是這種存儲器。在過去的20年里，嵌入式系統(tǒng)一直使用ROM(EPROM)作為它們的存儲設備，然而近年 來Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系統(tǒng)中的地位，用作存儲 Bootloader 以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當硬盤使用(U盤)。

目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。

NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。

NAND Flash沒有采取內(nèi)存的隨機讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節(jié)，采用這種技術(shù)的Flash比較廉價。用戶 不能直接運行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發(fā)板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運行啟動代碼。

一般小容量的用NOR Flash，因為其讀取速度快，多用來存儲操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常見的NAND FLASH應用是嵌入式系統(tǒng)采用的DOC(Disk On Chip)和我們通常用的"閃盤"，可以在線擦除。目前市面上的FLASH 主要來自Intel，AMD，F(xiàn)ujitsu和Toshiba，而生產(chǎn)NAND Flash的主要廠家有Samsung和Toshiba。

NAND Flash和NOR Flash的比較

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，強調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經(jīng)過了十多年之后，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR 和NAND閃存。

相"flash存儲器"經(jīng)?？梢耘c相"NOR存儲器"互換使用。許多業(yè)內(nèi)人士也搞不清楚NAND閃存技術(shù)相對于NOR技術(shù)的優(yōu)越之處，因為大多數(shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。

NOR是現(xiàn)在市場上主要的非易失閃存技術(shù)。NOR一般只用來存儲少量的代碼;NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中。NOR的特點是應用簡單、無需專門的 接口電路、傳輸效率高，它是屬于芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP， eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在(NOR型)flash閃存內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但 是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場的大部分。

NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

1、性能比較:

flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大 多數(shù)情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為1。

由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權(quán)衡以下的各項因素：

● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

● NAND的寫入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

● 大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。

● NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

(注：NOR FLASH SECTOR擦除時間視品牌、大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除時間為60ms，而有的需要最大6s。)

2、接口差別:

NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。

NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

3、容量和成本:

NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應地降低了價格。

NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲，NAND在CompactFlash、 Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

4、可靠性和耐用性:

采用flahs介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

A) 壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

B) 位交換

所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特(bit)位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。

當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃浴?/p>

C) 壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。

NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。

5、易于使用:

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。

由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记?，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

6、軟件支持:

當討論軟件支持的時候，應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū) 動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

NOR FLASH的主要供應商是INTEL 、MICRO等廠商，曾經(jīng)是FLASH的主流產(chǎn)品，但現(xiàn)在被NAND FLASH擠的比較難受。它的優(yōu)點是可以直接從FLASH中運行程序，但是工藝復雜，價格比較貴。

NAND FLASH的主要供應商是SAMSUNG和東芝，在U盤、各種存儲卡、MP3播放器里面的都是這種FLASH，由于工藝上的不同，它比NOR FLASH擁有更大存儲容量，而且便宜。但也有缺點，就是無法尋址直接運行程序，只能存儲數(shù)據(jù)。另外NAND FLASH 非常容易出現(xiàn)壞區(qū)，所以需要有校驗的算法。

在掌上電腦里要使用NAND FLASH 存儲數(shù)據(jù)和程序，但是必須有NOR FLASH來啟動。除了SAMSUNG處理器，其他用在掌上電腦的主流處理器還不支持直接由NAND FLASH 啟動程序。因此，必須先用一片小的NOR FLASH 啟動機器，在把OS等軟件從NAND FLASH 載入SDRAM中運行才行，挺麻煩的。

DRAM 利用MOS管的柵電容上的電荷來存儲信息，一旦掉電信息會全部的丟失，由于柵極會漏電，所以每隔一定的時間就需要一個刷新機構(gòu)給這些柵電容補充電荷，并且 每讀出一次數(shù)據(jù)之后也需要補充電荷，這個就叫動態(tài)刷新，所以稱其為動態(tài)隨機存儲器。由于它只使用一個MOS管來存信息，所以集成度可以很高，容量能夠做的 很大。SDRAM比它多了一個與CPU時鐘同步。

SRAM 利用寄存器來存儲信息，所以一旦掉電，資料就會全部丟失，只要供電，它的資料就會一直存在，不需要動態(tài)刷新，所以叫靜態(tài)隨機存儲器。

以上主要用于系統(tǒng)內(nèi)存儲器，容量大，不需要斷電后仍保存數(shù)據(jù)的。

Flash ROM 是利用浮置柵上的電容存儲電荷來保存信息，因為浮置柵不會漏電，所以斷電后信息仍然可以保存。也由于其機構(gòu)簡單所以集成度可以做的很高，容量可以很大。 Flash rom寫入前需要用電進行擦除，而且擦除不同與EEPROM可以以byte(字節(jié))為單位進行，flash rom只能以sector(扇區(qū))為單位進行。不過其寫入時可以byte為單位。flash rom主要用于bios，U盤，Mp3等需要大容量且斷電不丟數(shù)據(jù)的設備。

PSRAM，假靜態(tài)隨機存儲器。

背景：

PSRAM具有一個單晶體管的DRAM儲存格，與傳統(tǒng)具有六個晶體管的SRAM儲存格或是四個晶體管與two-load resistor SRAM 儲存格大不相同，但它具有類似SRAM的穩(wěn)定接口，內(nèi)部的DRAM架構(gòu)給予PSRAM一些比low-power 6T SRAM優(yōu)異的長處，例如體積更為輕巧，售價更具競爭力。目前在整體SRAM市場中，有90%的制造商都在生產(chǎn)PSRAM組件。在過去兩年，市場上重要的 SRAM/PSRAM供貨商有Samsung、Cypress、Renesas、Micron與Toshiba等。

基本原理：

PSRAM就是偽SRAM，內(nèi)部的內(nèi)存顆粒跟SDRAM的顆粒相似，但外部的接口跟SRAM相似，不需要SDRAM那樣復雜的控制器和刷新機制，PSRAM的接口跟SRAM的接口是一樣的。

PSRAM容量有8Mbit，16Mbit，32Mbit等等，容量沒有SDRAM那樣密度高，但肯定是比SRAM的容量要高很多的，速度支持突發(fā) 模式，并不是很慢，Hynix，Coremagic， WINBOND .MICRON. CY 等廠家都有供應，價格只比相同容量的SDRAM稍貴一點點，比SRAM便宜很多。

PSRAM主要應用于手機，電子詞典，掌上電腦，PDA，PMP.MP3/4，GPS接收器等消費電子產(chǎn)品與SRAM(采用6T的技術(shù))相比，PSRAM采用的是1T+1C的技術(shù)，所以在體積上更小，同時，PSRAM的I/O接口與SRAM相同。在容量上，目前有 4MB，8MB，16MB，32MB，64MB和128MB。比較于SDRAM，PSRAM的功耗要低很多。所以對于要求有一定緩存容量的很多便攜式產(chǎn)品，這是一個理想的選擇。