常用儲存器概述

2021-09-22 05:48:23 字數 3981 閱讀 3017

目錄

1. 儲存器種類

2. ram儲存器

2.1 dram

2.2 sram

2.3 dram 與 sram的應用場合

3. 非易失性儲存器

3.1 rom儲存器

3.2 flash 儲存器

儲存器是計算機結構的重要組成部分。儲存器是用來儲存程式**和資料的部件,有了儲存器計算機才具有記憶功能。儲存器按其儲存介質特性主要分為「易失性儲存器」和「非易失性儲存器」兩大類。其中的「易失/非易失」是指儲存器斷電後,它儲存的資料內容是否會丟失的特性。由於一般易失性儲存器訪問速度快,而非易失性儲存器可長期儲存資料,它們都在計算機中佔據著重要角色。在計算機中易失性儲存器最典型的代表是記憶體,非易失性儲存器的代表則是硬碟。

ram是「random access memory」的縮寫,被譯為隨機儲存器。所謂「隨機訪問」,指的是當儲存器中的訊息被讀取或寫入時,所需要的時間與這段資訊所在的位置無關。早期計算機儲存器(磁鼓)順序讀寫裝置,讀寫時間因位置差異。ram可隨讀取其內部任意位址的資料,時間都是相同的,因此得名。實際上現在ram已經專門用於指代作為計算機記憶體的易失性半導體儲存器。

根據ram的儲存機制,又分為動態隨機儲存器dram(dynamic ram)以及靜態隨機儲存器sram(static ram)兩種。

動態隨機儲存器dram的儲存單元以電容的電荷來表示資料,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,因此它需要定期重新整理操作,這就是「動態(dynamic)」一詞所形容的特性。重新整理操作會對電容進行檢查,若電量大於滿電量的1/2,則認為其代表1,並把電容充滿電;若電量小於1/2,則認為其代表0,並把電容放電,藉此來保證資料的正確性。

根據dram的通訊方式,又分為同步和非同步兩種,這兩種方式根據通訊時是否需要使用時鐘訊號來區分。下圖是一種利用時鐘進行同步的通訊時序,它在時鐘的上公升沿表示有效資料。

由於使用時鐘同步的通訊速度更快,所以同步dram使用更為廣泛,這種dram被稱為sdram(synchronous dram)。

為了進一步提高sdram的通訊速度,人們設計了ddr sdram儲存器(double data rate sdram)。它的儲存特性與sdram沒有區別,但sdram只在上公升沿表示有效資料,在1個時鐘週期內,只能表示1個有資料;而ddr sdram在時鐘的上公升沿及下降沿各表示乙個資料,也就是說在1個時鐘週期內可以表示2資料,在時鐘頻率同樣的情況下,提高了一倍的速度。至於ddrii和ddriii,它們的通訊方式並沒有區別,主要是通訊同步時鐘的頻率提高了。

當前個人計算機常用的記憶體條是ddriii sdram儲存器,在乙個記憶體條上包含多個ddriii sdram晶元。

靜態隨機儲存器sram的儲存單元以鎖存器來儲存資料,見下圖 。這種電路結構不需要定時重新整理充電,就能保持狀態(斷電資料還是會丟失的),所以這種儲存器被稱為「靜態(static)」ram。

同樣地,sram根據其通訊方式也分為同步(ssram)和非同步sram,由於同步sram用得比較多,一般說sram就是直接指代ssram。

對比dram與sram的結構,可知dram的結構簡單得多,所以生產相同容量的儲存器,dram的成本要更低,且整合度更高。而dram中的電容結構則決定了它的訪問速度不如sram,特性對比見表。所以在實際應用場合中,sram一般只用於cpu內部的快取記憶體(cache),而外部擴充套件的記憶體一般使用dram。

dram與 sram對比 特性

dram

sram

訪問速度

較慢較快

集中度較高

較低生產成本

較低較高

是否需要重新整理是否

非易失性儲存器種類非常多,半導體類的有rom和flash,而其它的則包括光碟、軟盤及機械硬碟。

rom是「read only memory」的縮寫,意為只能讀的儲存器。由於技術的發展,後來設計出了可以方便寫入資料的rom,而這個「read only memory」的名稱被沿用下來了,現在一般用於指代非易失性半導體儲存器,包括後面介紹的flash儲存器,有些人也把它歸到rom類裡邊。

mask(掩膜) rom就是正宗的「read only memory」,儲存在它內部的資料是在出廠時使用特殊工藝固化的,生產後就不可修改,其主要優勢是大批量生產時成本低。當前在生產量大,資料不需要修改的場合,還有應用。

otprom(one time programable rom)是一次可程式設計儲存器。這種儲存器出廠時內部並沒有資料,使用者可以使用專用的程式設計器將自己的資料寫入,但只能寫入一次,被寫入過後,它的內容也不可再修改。在nxp公司生產的控制器晶元中常使用otprom來儲存金鑰;stm32f429系列的晶元內部也包含有一部分的otprom空間。

eprom(erasable programmable rom)是可重複擦寫的儲存器,它解決了prom晶元只能寫入一次的問題。這種儲存器使用紫外線照射晶元內部擦除資料,擦除和寫入都要專用的裝置。現在這種儲存器基本淘汰,被eeprom取代。

eeprom(electrically erasable programmable rom)是電可擦除儲存器。eeprom可以重複擦寫,它的擦除和寫入都是直接使用電路控制,不需要再使用外部裝置來擦寫。而且可以按位元組為單位修改資料,無需整個晶元擦除。現在主要使用的rom晶元都是eeprom。

flash儲存器又稱為快閃儲存器,它也是可重複擦寫的儲器,部分書籍會把flash儲存器稱為flash rom,但它的容量一般比eeprom大得多,且在擦除時,一般以多個位元組為單位。如有的flash儲存器以4096個位元組為扇區,最小的擦除單位為乙個扇區。根據儲存單元電路的不同,flash儲存器又分為nor flash和nand flash。

由於nor的位址線和資料線分開,它可以按「位元組」讀寫資料,符合cpu的指令解碼執行要求,所以假如nor上儲存了**指令,cpu給nor乙個位址,nor就能向cpu返回乙個資料讓cpu執行,中間不需要額外的處理操作。

而由於nand的資料和位址線共用,只能按「塊」來讀寫資料,假如nand上儲存了**指令,cpu給nand位址後,它無法直接返回該位址的資料,所以不符合指令解碼要求。。表 中的最後一項「是否支援xip」描述的就是這種立即執行的特性(execute in place)。

若**儲存在nand上,可以把它先載入到ram儲存器上,再由cpu執行。所以在功能上可以認為nor是一種斷電後資料不丟失的ram,但它的擦除單位與ram有區別,且讀寫速度比ram要慢得多。

,flash的擦除次數都是有限的(現在普遍是10萬次左右),當它的使用接近壽命的時候,可能會出現寫操作失敗。由於nand通常是整塊擦寫,塊內有一位失效整個塊就會失效,這被稱為壞塊,而且由於擦寫過程複雜,從整體來說nor塊塊更少,壽命更長。由於可能存在壞塊,所以flash儲存器需要「探測/錯誤更正(edc/ecc)」演算法來確保資料的正確性。

由於兩種flash儲存器特性的差異,nor flash一般應用在**儲存的場合,如嵌入式控制器內部的程式儲存空間。而nand flash一般應用在大資料量儲存的場合,包括sd卡、u盤以及固態硬碟等,都是nand flash型別的。

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