第22章 常用存储器介绍—零死角玩转STM32-F429系列

第22章     常用存储器介绍
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22.1 存储器种类

存储器是计算机结构的重要组成部分。存储器是用来存储程序代码和数据的部件，有了存储器计算机才具有记忆功能。基本的存储器种类见图 221。



图 221 基本存储器种类
存储器按其存储介质特性主要分为"易失性存储器"和"非易失性存储器"两大类。其中的"易失/非易失"是指存储器断电后，它存储的数据内容是否会丢失的特性。由于一般易失性存储器存取速度快，而非易失性存储器可长期保存数据，它们都在计算机中占据着重要角色。在计算机中易失性存储器最典型的代表是内存，非易失性存储器的代表则是硬盘。

22.2 RAM存储器

RAM是"Random Access Memory"的缩写，被译为随机存储器。所谓"随机存取"，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。这个词的由来是因为早期计算机曾使用磁鼓作为存储器，磁鼓是顺序读写设备，而RAM可随读取其内部任意地址的数据，时间都是相同的，因此得名。实际上现在RAM已经专门用于指代作为计算机内存的易失性半导体存储器。

根据RAM的存储机制，又分为动态随机存储器DRAM(Dynamic RAM)以及静态随机存储器SRAM(Static RAM)两种。

22.2.1 DRAM

动态随机存储器DRAM的存储单元以电容的电荷来表示数据，有电荷代表1，无电荷代表0，见图 222。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，因此它需要定期刷新操作，这就是"动态(Dynamic)"一词所形容的特性。刷新操作会对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保证数据的正确性。



图 222 DRAM存储单元
1.    SDRAM
根据DRAM的通讯方式，又分为同步和异步两种，这两种方式根据通讯时是否需要使用时钟信号来区分。图 223是一种利用时钟进行同步的通讯时序，它在时钟的上升沿表示有效数据。



图 223 同步通讯时序图
由于使用时钟同步的通讯速度更快，所以同步DRAM使用更为广泛，这种DRAM被称为SDRAM(Synchronous DRAM)。
2.    DDR SDRAM
为了进一步提高SDRAM的通讯速度，人们设计了DDR SDRAM存储器(Double Data Rate SDRAM)。它的存储特性与SDRAM没有区别，但SDRAM只在上升沿表示有效数据，在1个时钟周期内，只能表示1个有数据；而DDR SDRAM在时钟的上升沿及下降沿各表示一个数据，也就是说在1个时钟周期内可以表示2数据，在时钟频率同样的情况下，提高了一倍的速度。至于DDRII和DDRIII，它们的通讯方式并没有区别，主要是通讯同步时钟的频率提高了。

当前个人计算机常用的内存条是DDRIII SDRAM存储器，在一个内存条上包含多个DDRIII SDRAM芯片。

22.2.2 SRAM

静态随机存储器SRAM的存储单元以锁存器来存储数据，见图 224。这种电路结构不需要定时刷新充电，就能保持状态(当然，如果断电了，数据还是会丢失的)，所以这种存储器被称为"静态(Static)"RAM。



图 224 SRAM存储单元
同样地，SRAM根据其通讯方式也分为同步(SSRAM)和异步SRAM，相对来说，异步SDRAM用得较多。

22.2.3 DRAM与SRAM的应用场合

对比DRAM与SRAM的结构，可知DRAM的结构简单得多，所以生产相同容量的存储器，DRAM的成本要更低，且集成度更高。而DRAM中的电容结构则决定了它的存取速度不如SRAM，特性对比见表 221。
表 221 DRAM与SRAM对比

特性	DRAM	SRAM
存取速度	较慢	较快
集成度	较高	较低
生产成本	较低	较高
是否需要刷新	是	否

所以在实际应用场合中，SRAM一般只用于CPU内部的高速缓存(Cache)，而外部扩展的内存一般使用DRAM。

22.3 非易失性存储器

非易失性存储器种类非常多，半导体类的有ROM和FLASH，而其它的则包括光盘、软盘及机械硬盘。

22.3.1 ROM存储器

ROM是"Read Only Memory"的缩写，意为只能读的存储器。由于技术的发展，后来设计出了可以方便写入数据的ROM，而这个"Read Only Memory"的名称被沿用下来了，现在一般用于指代非易失性半导体存储器，包括后面介绍的FLASH存储器，有些人也把它归到ROM类里边。
1.    MASK ROM
MASK(掩膜) ROM就是正宗的"Read Only Memory"，存储在它内部的数据是在出厂时使用特殊工艺固化的，生产后就不可修改，其主要优势是大批量生产时成本低。当前在生产量大，数据不需要修改的场合，还有应用。
2.    OTPROM
OTPROM(One Time Programable ROM)是一次可编程存储器。这种存储器出厂时内部并没有资料，用户可以使用专用的编程器将自己的资料写入，但只能写入一次，被写入过后，它的内容也不可再修改。在NXP公司生产的控制器芯片中常使用OTPROM来存储密钥；STM32F429系列的芯片内部也包含有一部分的OTPROM空间。
3.    EPROM
EPROM(Erasable Programmable ROM)是可重复擦写的存储器，它解决了PROM芯片只能写入一次的问题。这种存储器使用紫外线照射芯片内部擦除数据，擦除和写入都要专用的设备。现在这种存储器基本淘汰，被EEPROM取代。
4.    EEPROM
EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是电可擦除存储器。EEPROM可以重复擦写，它的擦除和写入都是直接使用电路控制，不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据，无需整个芯片擦除。现在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。

22.3.2 FLASH存储器

FLASH存储器又称为闪存，它也是可重复擦写的储器，部分书籍会把FLASH存储器称为FLASH ROM，但它的容量一般比EEPROM大得多，且在擦除时，一般以多个字节为单位。如有的FLASH存储器以4096个字节为扇区，最小的擦除单位为一个扇区。根据存储单元电路的不同，FLASH存储器又分为NOR FLASH和NAND FLASH，见表 222。
表 222 NOR FLASH 与NAND FLASH特性对比

特性	NOR FLASH	NAND FLASH
同容量存储器成本	较贵	较便宜
集成度	较低	较高
介质类型	随机存储	连续存储
地址线和数据线	独立分开	共用
擦除单元	以"扇区/块"擦除	以"扇区/块"擦除
读写单元	可以基于字节读写	必须以"块"为单位读写
读取速度	较高	较低
写入速度	较低	较高
坏块	较少	较多
是否支持XIP	支持	不支持

NOR与NAND的共性是在数据写入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以"扇区/块"为单位的。而NOR与NAND特性的差别，主要是由于其内部"地址/数据线"是否分开导致的。

由于NOR的地址线和数据线分开，它可以按"字节"读写数据，符合CPU的指令译码执行要求，所以假如NOR上存储了代码指令，CPU给NOR一个地址，NOR就能向CPU返回一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。

而由于NAND的数据和地址线共用，只能按"块"来读写数据，假如NAND上存储了代码指令，CPU给NAND地址后，它无法直接返回该地址的数据，所以不符合指令译码要求。表 222中的最后一项"是否支持XIP"描述的就是这种立即执行的特性(eXecute In Place)。

若代码存储在NAND上，可以把它先加载到RAM存储器上，再由CPU执行。所以在功能上可以认为NOR是一种断电后数据不丢失的RAM，但它的擦除单位与RAM有区别，且读写速度比RAM要慢得多。

另外，FLASH的擦除次数都是有限的(现在普遍是10万次左右)，当它的使用接近寿命的时候，可能会出现写操作失败。由于NAND通常是整块擦写，块内有一位失效整个块就会失效，这被称为坏块，而且由于擦写过程复杂，从整体来说NOR块块更少，寿命更长。由于可能存在坏块，所以FLASH存储器需要"探测/错误更正(EDC/ECC)"算法来确保数据的正确性。

由于两种FLASH存储器特性的差异，NOR FLASH一般应用在代码存储的场合，如嵌入式控制器内部的程序存储空间。而NAND FLASH一般应用在大数据量存储的场合，包括SD卡、U盘以及固态硬盘等，都是NAND FLASH类型的。

在本教程中会对如何使用RAM、EEPROM、FLASH存储器进行实例讲解。

22.4 每课一问

1.    查看自己计算机的内存条是什么类型的RAM以及CPU的Cache大小。
2.    当前经常听到人们说的"手机内存"大小为16G/32G/64G是指RAM还是ROM的大小？它具体是哪一种存储器？(此处"RAM/ROM"指"易失/非易失"存储器)
3.    查看自己实验板STM32芯片的RAM和FLASH这两个参数分别是多大，它的RAM是SRAM还是SDRAM？FLASH是NOR FLASH 还是NAND FLASH？