硬件扫盲系列-存储器

1. 前言

最近已经被微处理器的存储器，接口，总线啥的搞得晕头转向。
常见的存储器有SRAM，Flash，EEPROM，DDR，那这些都什么时候用，怎么搭配？

2.存储器

2.1 什么是存储器？

又要回到数字电路。
存储器由存储单元、地址译码器、输出控制电路组成，能够存储二进制代码。

存储器的来源是锁存器（对电平敏感的储存电路）和触发器（对边沿敏感的储存电路）。这两种时序电路会根据电平或者边沿的变化，来保持输出电平的稳定，输出0或者1。

输出控制电路一般包括三态缓冲器，有输出时，有足够的驱动能力，无输出时，输出高阻。

2.2 存储器的分类

分为RAM(Random access memory随机存取存储器)和ROM（Read only memory只读存储器）。
RAM：分为SRAM(静态RAM，储存单元是触发器)和DRAM(动态RAM，电容存储电荷，需要定时刷新，维持电容电荷)。RAM可读可写，但是数据掉电消失。
ROM:分为固定ROM和可编程ROM(PROM)，理论上应该是只读，但是随着发展，也是可读可写，数据掉电不消失。

RAM VS ROM

• RAM 用于频繁读取数据的场合，比如数据缓存
• ROM用于数据不怎么变的场合，如存储卡。
• ROM之所以掉电数据不消失，由其存储阵列的开光管决定的，浮栅绝缘性好，不易放电。
• ROM属于组合逻辑，RAM属于时序逻辑

2.2.1 ROM

ROM的基本结构如下：

存储阵列一般由二极管，mos或者BJT组成，改变存储阵列的管子，可改变ROM的性能。
下面是存储阵列为二极管的示意图，有二极管并且OE使能的话，对应的D输出为1：

这里列出几个概念：
位数：数据线的数量M
字长：地址线的数量N
字：译码器输出的数量，2^N
容量：2^N*M

下面是存储阵列为MOS管的示意图，并且为了减少缓冲器的数量，进行了行列译码：

2.2.2 RAM

RAM与ROM的区别是，存储单元由锁存器或者触发器组成。它可以从任一指定的地址读出或者写入，数据掉电消失。
下图是RAM的结构框图，当CE不为0时，RAM不工作。

3. ROM

下面对ROM型存储器进行详细介绍。

3.1 PROM

PROM:分为一次可编程ROM(PROM)和光可擦除PROM(EPROM)和电可擦除PROM(E2PROM)和闪存（Flash）。
PROM(Programmable Read-Only Memory)一次可编程ROM。其存储单元由带金属熔丝的二极管组成，当要编程时，用加高压的方式将其熔断，由于熔丝烧断后不能恢复，所以PROM只能进行一次编程，并且需要专门的PROM编程器，但是正是因为其包含的是熔丝，所以稳定性比较好，所以PROM在航天中使用的比较多。
E2PROM：存储阵列的管子由Flotox mos构成。由于EEPROM内一般含有升压电路，所以可直接在线擦除。但是结构复杂，集成度低。
Flash：存储阵列的管子由快闪叠栅 mos构成。擦除和写入分开进行，擦除是在mos的S极加正压，写入是在G极加高压。结构简单，集成度比EEPROM高。

3.2 EEPROM

EEPROM是电可擦除PROM，将PROM的熔丝换成了开关管，既可写，也可读，并且不需要编程器，非常方便。
E2PROM通讯接口一般有两种，SPI和I2C。一般与I2C接口共同使用。

EEPROM写之前不需要擦除，可以每次改写一个字节。当然，也有缺点，EEPROM读写速度慢，另外，容量比较小，也就是说EEPROM要贵。

对单片机来说，关键性的数据，如传感器的标定数据，用户配置参数等，用EEPROM存储，而像文件等大容量的数据记录，或者经常读但很少写的数据，可以用FLASH闪存存储，像图片、字库、文件记录。

3.3 Flash

3.3.1 简介

Flash：闪存。属于EEPROM的一种，不过相比于常规的EEPROM按字节擦除，flash是按块擦除的，掉电后，数据不消失。
flash的存储阵列中，存储单元采用的是带有浮栅极的mos，可以掉电后还能存储电荷，写数据就是给浮栅充电，注入电荷表示0，没有注入电荷表示1。相比于EEPROM，其电路更简单，所以在同样体积下，容量可以做的更大，但操作相对更麻烦。

3.3.2 分类

按存储类别分为nand flash和nor flash。
nor flash是或非型的，存储阵列中的开关管是并联的形式，其地址数据线是分开的。擦除是按块擦，可以按照地址随机寻址，但是读取可以随机读取。

nand flash是与非型的，存储阵列中的开关管是串联的形式，其地址数据线是共用的。擦除是按块擦，但读取只能按页读取。由于地址数据线复用 ，所以读取速度慢，但是写入和擦写速度快。nand flash内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，成本也低。

Nor flash VS nand flash

• nor flash 兼容sram的接口，挂接简单
• nor 容量小，成本高
• nor 可靠性高，寿命低
• nor 块大，擦写时间长
• nor是随机读写，nand是顺序读写，所以一般启动用nor。nor主要用来执行片上程序，nand主要用在大容量存储。
• nor以字节为基本单位，nand以块为基本单位读写

下面简单介绍下页，扇区，块。
为了方便管理存储单元，flash存储区分为页，扇区，块。
包含关系如下图：

flash主要以扇区为最小单元，有的也以页为最小单元。

按对外的接口形式分，分为SPI Flash（串行flash）和CFI Flash（并行flash）。

3.3.3 时序

以并行flash am29lv160为例进行时说明，它是一款nor flash。

读时序

写时序

刷新就是写1的过程，而写的过程在刷新后可以写0，因为flash数据只能由1变0，不能由0变1.
nand flash

读时序

写时序

4.RAM

RAM可以分为SRAM和DRAM。

4.1 SRAM

4.1.1 简介

SRAM是静态随机存储器，它一个存储单元包括6个开关管组成的锁存器，所以内部结构复杂，小体积下，容量不能做的很大。
SRAM的存储单元如下：

4.1.2 时序

SRAM的读和写分开进行。
1）读时序
在地址有效的情况下，CE使能，OE使能，WE禁止，由于逻辑电路存在延时，所以延时一段时间后，输出数据有效，当CE/OE无效，延时一段时间后，数据无效。

CE=chip enable（芯片使能）
CS=Chip select（芯片选中）
CE/CS：片选信号，主要是总线挂接多个存储器时，用来告诉某个存储器，数据是传给你的，你要做出反应，其他存储器不能用。片选的另一个作用是，告诉外挂的存储器，选中你时，你就工作，不选中你时，你就省电休眠。
2）写时序
在地址有效情况下，CE/WE使能，OE禁止。

4.2 DDR

4.2.1 简介

DDR是SDRAM（同步RAM）的一种，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，在时钟上升沿和下降沿读写两次。
SDRAM属于DRAM，即动态ram，它的存储单元常规的由一个开关管和电容组成，因为0和1的状态是受电容充放电的影响，需要实时刷新（给电容补充电荷），所以称为动态ram。由于其基本结构比较简单，所以小体积情况下容量可以做的很大。但是由于受电容充放电影响，速度不能做的很快。
DRAM的基本结构如下：

与SRAM不同的是，它包括行/列地址选通，行列地址寄存器，及刷新相关的寄存器等。行列地址复用会降低速度，所以SRAM种没有使用。
RAS:row address strobe
CAS:column address strobe

DRAM的存储单元如下：

4.2.2 分类

DDR的分类如下表，随着一代代发展，主要是功耗更低，速率更快。

4.2.3 时序

1）读写时序
行列选通信号变低后，OE为低，则读数据；WE为低，则读写数据。

2）页模式读
页操作：对一行的所有列进行操作，即行地址不变改变列地址。这种方式的好处是，读取速度变快。

3）只刷新
对某一行的指定单元进行刷新。

参考文献

《电子技术基础（数字部分）》