市场上的存储芯片数量可能非常庞大。当尝试选择最合适的芯片类型时,用户需要明确其预期用途和具体要求。在选择过程中,了解不同产品规格背后的意义和含义也很重要。
以下是设计人员和开发人员常用的参数:
- 硬件接口指存储芯片的众多接口,这些接口需要在不影响存储器容量的情况下实现高速数据访问和检索。存储芯片与图形驱动器、硬盘驱动器和通用串行总线 (USB) 之间存在接口。
- 数据速率是从程序存储器中提取指令、将其转换为 CPU 信号并执行的速度。
- 带宽(或时钟速率和访问时间)指存储芯片在设定的时间范围内可以移动、读取、存储或处理的数据量。它可以用比特、字节或赫兹/秒(b/s、B/s 或周期/秒)来表示。
- 存储容量指数据存储容量。
- 存储带宽指处理器从半导体器件中读取数据或将数据存储到半导体器件中的速度。
- 内存时序决定处理器系统的整体运行速度。
- 数据保存时间表示数据可以在芯片中的保留时长。 如果芯片需要持续电源供电,则芯片的
- 电源效率较低。
- 写入/重写或只读表示存储芯片是否频繁写入/重写。只读存储器通常存储只读的可执行程序。
- 温度容限指存储芯片能够可靠运行的温度范围;温度范围越大,则表明芯片在恶劣环境下的工作能力越强。
我们将使用上述参数来比较市场上最常见的四类存储芯片:动态随机存取存储器 (DRAM),静态随机存取存储器 (SRAM),电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) 以及闪存。
主存储器或 RAM 使用动态 RAM 和静态 RAM,辅助存储器或 ROM 使用 EEPROM 和闪存。虽然主存储器和辅助存储器都是必要的,但它们在多个方面存在差异。传统上,辅助存储器是指硬盘等外部存储器。随着存储器技术的发展,现在很多辅助存储器都包括固态存储器。
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主存储器 |
辅助存储器 |
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动态随机存取存储器 (DRAM) |
静态随机存取存储器 (SRAM) |
闪存 |
电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) |
硬件接口 |
与 CPU 相连 |
与 CPU 相连 |
否 |
否 |
数据速率(时钟速率、数据访问) |
快 |
快 |
慢 |
慢 |
带宽 |
快 |
快 |
慢 |
慢 |
存储器大小 |
有限 |
有限 |
大 |
大 |
数据保持 |
暂时 |
暂时 |
永久 |
永久 |
电源效率 |
持续需要电源 |
持续需要电源 |
效率更高 |
效率更高 |
写入/只读 |
多次写入和重写 |
多次写入和重写 |
大多只读 |
大多只读 |
需要刷新 |
是 |
否 |
否 |
否 |
温度容限 |
商业和工业应用 |
商业和工业应用 |
商业和工业应用 |
商业和工业应用 |
主存储器:DRAM vs. SRAM
主存储器或 RAM 与中央处理单元 (CPU) 相连。因此,主存储器可以更快地访问数据。然而,主存储器的存储容量有限,而辅助存储器则用于长期存储大量数据。主存储器是易失性的、临时性的,并且需要持续的电源来保留其存储的内存。当系统关闭时,存储器的内容将会丢失。最后,主存储器可以多次写入和重写。
DRAM 和 SRAM 都可用于主存储器。DRAM 的单元结构比 SRAM 简单。DRAM 需要一个存储单元,而 SRAM 则需要多个单元。因此,DRAM 的成本虽然低很多,却能提供相同水平的存储密度。此外,DRAM 可以在较小的外形尺寸内实现较高的存储密度,因此得以在个人计算机和工作站中普及。
然而,DRAM 有着显著的缺点。由于 DRAM 单元中负责数据存储的电荷会缓慢地泄漏出来,因此 DRAM 单元必须定期刷新或重写。这个刷新过程是动态的,因此被称为“DRAM”(动态随机存取存储器)。刷新和持续的能源需求使得 DRAM 成为高耗能/低效率的选择。DRAM 的刷新需求也降低了它的运行速度
另一方面,由于 SRAM 不需要刷新,因此它可以支持比 DRAM 更快、更可靠的读写周期时间。此外,由于 SRAM 不需要在数据访问之间暂停,因此 SRAM 的周期时间短得多。由于每个芯片的存储单元更多,SRAM 芯片比 DRAM 芯片更昂贵,且需要更多的功率。因此,SRAM 通常用于高速缓冲存储器和图象存储器,而 DRAM 则用作主要的半导体存储器技术。
除了更快的运行速度外,SRAM 还比 DRAM 具有更高的运行效率。DRAM 异步运行,先对请求作出反应,然后一次处理一个请求。另一方面,SRAM 与处理器的时钟同步,能够以更复杂的方式和更高的速度运行。
最后,DRAM 以及 SRAM 芯片加固后,其温度范围可以支持工业和军事应用。
辅助存储器:EEPROM vs. 闪存
与主存储器不同,辅助存储器或 ROM 存储器不与 CPU 相连。因此,辅助存储器的数据访问速度较慢。由于辅助存储器是非易失性的,而且是永久性的,因此在遇到断电、冲击或振动时,不会丢失数据。更重要的是,辅助存储器的数据存储量明显更大,而且不像主存储器可以反复写入和重写,而是以只读为主,很少修改。
EEPROM 是一种可以通过特定电压的电脉冲反复擦除和重新编程的 ROM。EEPROM 芯片是以字节为单位进行擦除和重新编程的。因此,对 EEPROM 进行重新编程的速度会很慢。此外,EEPROM 的可编程性有限,导致寿命缩短。
由于缺乏数据保存和数据耐久性的可靠性,EEPROM 的应用并不广泛。EEPROM 的数据保存时间有限,因为注入浮置栅极的电子可能会漂移出去,造成数据丢失。对于 EEPROM 来说,超过一定的周期数就无法重写,从而限制了数据的耐久性。
因此,EEPROM 主要用于快速器件原型制作,因为这要求易于重新编程,并且无易失性。个人计算机制造商通常使用 EEPROM 对只读存储器进行重新编程。另外,由于 EEPROM 芯片不需要电源来保留其数据,因此通常用于存储 BIOS 信息以及用于调制解调器、视频卡和其他外围设备的基本软件。
多年来,作为 EEPROM 的更高效版本,闪存在很多领域已经取代 EEPROM。与 EEPROM 以字节为单位进行读写不同,闪存以固定大小的块来擦除、写入数据,这一特点使闪存的性能比 EEPROM 有所提高。虽然有些闪存芯片由于在擦除之前不能写入,所以速度较慢,但一些新推出的闪存芯片具有边读边写 (RWW) 功能,可以实现同时读写。
与非 (NAND) 和或非 (NOR) 是闪存的两种基本类型。NAND 闪存的访问方式与硬盘等块设备非常相似。NAND 使用文件系统进行分区,并作为随机存取存储区域使用,因此需要一个内存管理单元。另一方面,NOR 闪存可以像传统的 ROM 一样,以单个存储单元为单位进行读取。另外,为了延长闪存驱动器有限的写入周期数(寿命),还开发了耗损均衡技术,以减少对高使用率单元或区域的影响。
总体而言,闪存芯片比 EEPROM 芯片更便携。但是,闪存芯片的每字节价格过于昂贵,无法作为大容量存储设备使用。目前,闪存用于数码相机安全数据卡、U 盘、手机、传呼机和扫描仪等设备的数码图片便携存储。闪存芯片也被用作笔记本电脑的固态磁盘和视频游戏机的存储卡。
结语
一台计算机需要主存储器和辅助存储器。这两种类型的存储器具有不同的硬件接口、数据速率、存储容量、数据保存时间、电源效率和写入/读取特性。在选择存储芯片时,要寻找适合自己设计的参数。大多数分销商都提供存储器搜索标准,以方便开发人员。
主存储器同时使用 DRAM 和 SRAM 芯片。它们之间最显著的区别是:DRAM 需要定期刷新,成本较低,而 SRAM 的速度较快。辅助存储器中使用的 EEPROM 和闪存芯片在擦除和写入方式上有明显不同,闪存芯片的成本也较高。
虽然还有很多其他的专用存储器,但 DRAM、SRAM、闪存和 EEPROM 是目前设计中最受欢迎的存储芯片选择。