8.1 三种典型的半导体存储芯片

8.1.1 存储器的分类

• 半导体存储器：TTL(双极性存储器)，MOS（单极性存储器），SSD——需通电，断电后信息即消失的存储器。（速度快、集成化、飞破坏性读出）

• 磁表面存储器：磁头、载磁体——非易失，断电后仍能保存信息的存储器。

• 磁芯存储器：硬磁材料、环状原件——非易失

• 光盘存储器：激光、磁光材料——非易失

• 随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。

• 顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。

• 只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。

• 随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的存储器。

• 主存储器：主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大。

• 辅助存储器（外存）：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大，单位成本低。

• 高速缓冲存储器：高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。

8.1.2 半导体存储器的分类

1. 内存RAM
内存 RAM（random access memory）是随机存取存储器，存储单元的内容可以按照需要随机取出或者存入（不需要线性依次存储），存取数据比较快，掉电会丢失数据，容量相对小。一般 CPU（MCU）运行时会把程序从 ROM 拷贝到 RAM 里面执行，所以一般 RAM 是作为和 CPU（MCU） 直接交换数据的内部存储器，也叫主存或者内存。
内存有以下的类别：
• SRAM：静态随机存取存储器（Static RAM），具有静态存取功能。不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据，特点是高性能、低集成度（占地面积大）、功耗大、速度可以非常快，但价格高、容量小。利用触发器的两个稳定状态标识“0”和“1”，至少需要6个晶体管才能标识一个二进制位。
• PSRAM：伪静态存储器，内部自带刷新机制。
• SSRAM：同步静态随机存取存储器（Synchronous SRAM），有时钟线，读写以时钟信号为基准。
• DRAM：动态随机存取存储器（Dynamic RAM），每隔一段时间固定对 DRAM 刷新充电一次，否则内部数据会消失。现在电脑用的 DDR 内存条都属于 DRAM。
• DARAM：双口 RAM，一个时钟周期可访问两次。
• SDRAM：同步动态随机存取存储器（Synchronous DRAM），数据的收发以时钟信号为基准。
• SDR SDRAM：单倍速率（Single-Data-Rate）SDRAM，采用单端（Single-Ended）时钟信号，在时钟上升沿采样。
• DDR SDRAM：双倍速率（Double-Data-Rate）SDRAM，在时钟上升下降沿采样，工作频率比 SDR 翻倍，采用差分的时钟信号以加强抗干扰。工作电压 2.5V/2.6V。
• DDR2 SDRAM：内存时钟 200~533MHz，工作电压 1.8V。
• DDR3 SDRAM：8bit 预取机制，内存时钟 400~1066MHz，工作电压 1.5V/1.35。
• DDR4 SDRAM：16bit 预取机制，工作电压 1.2V。
• DDR5 SDRAM：工作电压 1.1V。
• GDDR SDRAM：图形 DDR，目前有 GDDR2~6。
• LPDDR SDRAM：低功率 DDR，时钟 166MHz，LPDDR2 其工作电压 1.2V，时钟 100~533MHz。

2. 外存ROM
外存 ROM（Read Only Memory）也称为辅助存储器，不能与 CPU 之间直接进行信息交换。它的储存速度相对慢得多、但容量相对大，在简单的系统上常与内存配合使用，作为储存程序与其他文件的空间。
ROM 最开始是一次性的，只能写入一次，后续只能读取操作，数据掉电不会消失，如 CD-ROM、DVD-ROM，后面出现的 PROM、EPROM、EEPROM 可有条件地写入。
外存有以下的类别（按时间推进）：
• PROM：可编程 ROM，内部是行列式熔断丝，可以自己写入一次，写错了，只能再换一片。
• EPROM：紫外线可擦除，写入时需要用编程器产生高压脉冲信号。
• OTP-ROM：一次可编程 ROM，写入原理与 EPROM 相同。
• EEPROM：电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable），在 EPROM 的基础上进一步发展形成，可电擦除，可以按照字节操作，但是集成度不高、价格比较贵。

3. 闪存Flash
闪存 Flash 是一种长寿命的非易失性（掉电保存）的存储器，算是广义的 EEPROM，因为它也是可电擦除的 ROM，它与 EEPROM 最大的区别就是，只能按照扇区（block）操作读写，但其成本比 EEPROM 低。FALSH 分为 NOR FLASH 和 NAND FLASH。
闪存有以下的类别（按时间推进）：
• NOR Flash：数据线和地址线分开，可以实现像 RAM 的随机寻址 / 读取功能，也就是说程序可以在 NOR Flash 上直接运行，不需要拷贝到 RAM 中。但容量小，分为 Parallel/Serial NOR Flash。
• Nand Flash：数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址，不能直接运行程序，容量大，有 SLC、MLC、TLC、QLC
• MMC：MMC 接口、NAND Flash、主控制器
• eMMC Flash：嵌入式存储解决方案，带有 MMC 接口（并行数据总线）、NAND Flash、主控制器
• UFS：串行数据总线、Nand Flash、主控制器

8.1.3 半导体存储器的结构框图

• “小数端”存放：小数端存放即低地址对应存放低位字节数据。例如，IntelX86处理器的32位存储字12345678H存放在内存中的情况如图所示，占有24300H~24303H四个地址的字节单元，其中最低字节78H存放在24300H中。

• “大数端”存放：在Motorola的680X0系统中，32位存储字12345678H存放在内存中的情况如图所示，最高8位信息12H存放在最低地址24300H，称为“大数端（big endian）存放。32位存储字的地址24300H指向最高8位的存储单元。

8.1.4 主要技术指标

• 存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址寄存器MAR的编址数与存储字位数的乘积表示。

• 存储速度：可以用两个时间参数表示，一个是“存取时间”TA，定义为从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间；另一个是“存储周期”TMC，定义为启动两次独立的存储操作之间所需的最小时间间隔。

• 可靠性：用MTBF，即平均故障间隔时间来衡量，MTBF越长，可靠性越高。

• 性能/价格比

8.2 内存储器接口的基本技术

8.2.1 8位微机系统中的存储器接口

8.2.2 动态存储器的连接

📎 参考文章——第8章

• 存储器的分类

• 计算机组成原理3-存储器的分类和层次结构

• 存储器中的数据组织 --小数端和大数端