半导体存储器

半导体存储器

一     半导体存储器概述

半导体存储器是微型计算机的重要组成部分，是微型计算机的重要记忆元件，常用于存储程序、常数、原始数据、中间结果和最终结果等数据。下面首先介绍几个与半导体存储器有关的概念。

位（bit）：

计算机中表示信息的基本单元是位，它用来表达一个二进制信息“1”或“0”。在存储器中，位信息是由具有记忆功能的半导体电路（如触发器）实现的。

字节（Byte）：

计算机中信息大多是以字节形式存放的。一个字节由8个信息位组成，通常作为一个存储单元.

字（Word）：

字是计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传递的一组二进制位。它的长度叫做字长。1个字通常由2个字节组成。

 

容量：存储器芯片的容量是指在一块芯片中所能存储的信息位数。例如，8 K×8位的芯片，其容量为能存储8×1024×8=65536位信息。一般以字节的数量表示，如上述芯片的存储容量为8K字节。

地址：字节所处的物理空间位置是以地址标识的。我们可以通过地址码访问某一字节，即一个字节对应一个地址。

对于16位地址线的微机系统来说，地址码是由4位十六进制数表示的。16位地址线所能访问的最大地址空间为64K字节。64K存储空间的地址范围是0000H～0FFFFH，第0个字节的地址为0000H，第1个字节的地址为0001H，……，第65535个字节的地址为0FFFFH。

二     半导体存储器的分类

半导体存储器通常按功能分为只读存储器ROM（Read Only Memory）和随机存取存储器RAM（又称为读写存储器Read Access Memory）。

2.1        只读存储器（ROM） (Read Only Memory)

ROM所存储的信息在正常情况下只能读取，不能随意改变。其信息是在特殊条件下生成的。即使停电其信息也不会丢失。因此，这种存储器适用于存储固定不变的程序和数据。ROM存储器按工艺常分为掩膜ROM、PROM和EPROM等三类。

2.1.1          掩膜ROM (Mask-ROM)：

其存储的信息是在掩膜工艺制造过程中固化进去的，信息一旦固化便不能再修改。因此，掩膜ROM适合于大批量的定型产品，它具有工作可靠和成本低等优点。

我知道的只有Handspring生产的Visor系列的Palm OS PDA，和SONY生产的低端Clie SL-10使用了这种ROM。

2.1.2          可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）：

其信息可由用户通过特殊手段写入，但它只能写入一次，并且写入的信息不能修改。

2.1.3          EPROM（Erasable PROM）：

可擦除、可改写的PROM。用户可根据需要对它进行多次写入和擦除。但每次写入之前，一定要先擦除。按照信息擦除方法的不同，EPROM又可分为紫外线擦除的EPROM和电擦除的E2PROM（EEPROM）。通常其内容的擦除、写入都用专门的工具完成，操作比较简单。

EPROM:

因为写入电路是专用的，通常不会集成在计算设备之中，所以它通常做成不常更新，而且是插拔方式的。当需要更新的时候，取下来放入专用的写入设备改写。早期的某些电脑主板的BIOS，就使用了这种ROM。

EEROM：

与EPROM不同，E2PROM的擦写可以用电路而不是紫外线完成。擦写的电压比读入电压要高，通常在20V以上，擦写速度也较EPROM快。

 

Flash ROM / Flash EEPROM：

EEPROM一度使用很多，不过目前被一种改进的ROM - Flash ROM代替了。

这是目前最常见的可擦写ROM了，广泛的用于主板和显卡声卡网卡等扩展卡的BIOS存储上。而现在各种邮票尺寸的半导体存储卡，包括Compact Flash/CF，Smart Media/SM，Security Digital/SD，Multimedia Card/MMC，Memory Stick/MS，以及FUJI新出的标准vCard，还有各种钥匙链大小的USB移动硬盘/USB Drive/优盘，内部用的都是Flash ROM。

绝大多数PDA/掌上电脑也用它来存储操作系统和内置程序。还有数码相机，数码摄像机，MD/MP3播放器内部的Fireware（用于存储DSP/ASIC程序），也大多使用Flash ROM了。与EEPROM相比，Flash ROM有写入速度快，写入电压低的优点。

flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。

 

Flash Rom分为两种，NAND和NOR

两种的区别在于，前者像磁带而后者像CD，即NOR可以随机存储，而NAND的不可以。

以下我们对两种FLASH进行简要的对比：

1、   结构对比

NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

 

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

2、   寿命：

NAND使用的是线性读取，速度比NOR的随机读取要快，而且可以刷新10万次，而NOR只有1万次。

3、   速度差别：

NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

 

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

4、   接口差别

NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

5、   容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash用在8～4GB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

6、   可靠性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

7、   寿命(耐用性)

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

位交换

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。

当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。

NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可*的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

 

2.2        随机存取存储器（RAM）

在正常情况下，可以随机写入或读出其信息的存储器。数据读人后，存储器内的原数据不变；而新数据写入后，原数据自然消失，并为新数据代替。但停止向芯片供电后，它所保存的信息全部丢失，属易失性存储器。它主要用来存放临时的程序和数据。

 

RAM按器件制造工艺不同又分为双极型RAM和MOSRAM两大类。

2.2.4          双极型RAM

采用晶体管触发器作为基本存储电路。其优点是存取速度快，但结构复杂，集成度较低，比较适合用于小容量的高速暂存器。

2.2.5           MOSRAM

采用MOS管作为基本存储电路。具有集成度高，功耗低，价格便宜等优势，在半导体存储器中占有主要地位。MOS随机存储器按信息存储的方式又分为静态RAM和动态RAM两种。

 

1、     静态RAM（SRAM—Static RAM）

其存储的信息采用触发器的两个稳定状态来表示，因此，在非掉电情况下不会自动丢失。

SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵。所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。

2、   动态RAM（DRAM—Dynamic RAM）。

其存储的信息经过一定时间会自动丢失，工作中需要进行定时刷新。动态RAM的速度比SRAM慢，不过比任何ROM都要快。计算机内存就是DRAM的。

DRAM的种类太多了，无法一一列举，这里只列出最常见的：

DRAM

如果和其它DRAM种类一起说这个名词，那它指的就是最老式的DRAM存储器，在寻址上没有作任何优化，速度很慢，只在386以前的电脑上有了。

FPRAM/FastPage RAM

快页内存，以页面方式读取数据，比DRAM快，486上用过。

EDORAM，Extended Data Output RAM

这是比快页内存更快的一种读取方式，广泛见于486和早期Pentium时代的电脑，PC上使用的EDO RAM通常是72针脚单面的，现在你还可以在比较老的一些电脑中找到它们。在PDA/掌上电脑中，这种EDO内存还在广泛使用着。

SDRAM，Sychronous DRAM，同步内存。

早期的PC内存的时钟和CPU外部时钟不是同步的，这就会导致在每次读写数据的时候有个协同时间，效率不高，而SDRAM是可以和CPU的外部时钟同步运行的，提高读写效率。Pentium到Pentium III时代一直是SDRAM主宰者PC，这种168pin双面针脚的内存条现在仍然普遍。在低端的显示卡上也常常使用这种内存，目前绝大多数的嵌入式系统均使用本种RAM。

DDR RAM，DDR SDRAM，Double Date-Rate RAM。

这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势，事实上击败了Intel的另外一种内存标准－Rambus DRAM。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

RDRAM，Rambus DRAM，这是Intel公司的专利技术，和原来的内存读写方式有很大不同，它使用了一种高速串行方式，对于连续读写的时候非常有利，不过在随机读写的时候相对于DDR RAM的优势不明显。而且成本高昂，最终在Intel这个巨人的强力推动下也没有成为主流，只用在一些高档的PIV电脑和服务器上。

VRAM，Video RAM，这是一种双端口的RAM，双端口的好处是一端写入的时候另一端还可以在读出，最常见的应用是用在显卡上，一端可以写入屏幕数据，另外一端由RAMDAC（数字/模拟信号转换器）读出并转换成视频信号输出到显示器上。对于使用高分辨率显示器的平面设计者来说，显卡上武装高速的VRAM必不可少。VRAM成本很高。

SGRAM，是一个SDRAM的改良型号，成本较低，但是可以以类似VRAM双端口的方式工作。Matrox曾经用它来武装Mystique系列低端显卡。

WRAM，Windows RAM，是VRAM的一个简化型号，Matrox曾经用它来武装Millennium系列高档显卡。

      

DDRII：

是由JEDEC（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力（即：4bit数据读预取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

图 1半导体存储器分类图

三     半导体存储器的主要性能指标

有两个主要技术指标；存储容量和存取速度

1、     存储容量

存储容量是半导体存储器存储信息量大小的指标。半导体存储器的容量越大，存放程序和数据的能力就越强。

2、   存取速度

存储器的存取速度是用存取时间来衡量的，它是指存储器从接收CPU发来的有效地址到存储器给出的数据稳定地出现在数据总线上所需要的时间。存取速度对CPU与存储器的时间配合是至关重要的。如果存储器的存取速度太慢，与CPU不能匹配，则CPU读取的信息就可能有误。

3、   存储器功耗

存储器功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率。通常，半导体存储器的功耗和存取速度有关，存取速度越快，功耗也越大。因此，在保证存取速度前提下，存储器的功耗越小越好。

4、   可靠性和工作寿命

半导体存储器的可靠性是指它对周围电磁场、温度和湿度等的抗干扰能力。由于半导体存储器常采用VLSI工艺制造，可靠性较高，寿命也较长，平均无故障时间可达数千小时。

5、   集成度

半导体存储器的集成度是指它在一块数平方毫米芯片上能够集成的晶体管数目，有时也可以每块芯片上集成的“基本存储电路”个数来表征。