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“芯”知識乾貨:靜態儲存與動態儲存的差異對比和應用詳解

半導體儲存器(Semi-conductor Memory)顧名思義就是半導體積體電路工藝製成的儲存資料資訊的固態電子器件,簡稱半導體儲存器。它由大量相同的儲存單元和輸入、輸出電路等構成,按其製造工藝可分為雙極電晶體儲存器和MOS電晶體儲存器;按儲存資料的機理分為靜態儲存器(Static RAM,SRAM)和動態儲存器(Dynamic RAM,DRAM)。

目前廣泛使用的半導體隨機讀寫儲存器是MOS半導體儲存器,半導體儲存器晶片按照讀寫功能可分為只讀儲存器(Read Only Memory,ROM)和隨機讀寫儲存器(Random Access Memory,RAM)兩大類。RAM可讀可寫,斷電時資訊會丟失;ROM中的內容只能讀出,不能寫入,資訊可永久儲存,不會因為斷電而丟失。

“芯”知識乾貨:靜態儲存與動態儲存的差異對比和應用詳解

隨機讀寫儲存器RAM

1、靜態儲存器(SRAM)

利用雙穩態觸發器來儲存資訊,只要不斷電資訊就不會丟失。靜態儲存器的整合度低,成本高,功耗較大,通常作為Cache的儲存體。

2、動態儲存器(DRAM)

利用MOS電容儲存電荷來儲存資訊,使用時需要不斷給電容充電才能保持資訊。動態儲存器電路簡單,整合度高,成本低,功耗小,但需要反覆進行重新整理(Refresh)操作,工作速度較慢,適合作為主儲存器的主體部分。

重新整理操作:為防止儲存的資訊電荷 洩漏而丟失資訊,由外界按一定規律不斷地給柵極進行充電,補足柵極的資訊電荷。

DRAM工作時必須要有重新整理控制電路,操作比較複雜。由於要不間斷地進行重新整理,故稱這種儲存器為動態儲存器。動態MOS儲存器主要採用“讀出”的方式進行重新整理,依次讀出儲存器的每一行,就可完成對整個DRAM的重新整理。

DRAM儲存器的重新整理需要有硬體線路的支援,這些控制線路可以整合在一個半導體晶片上,形成DRAM控制器。藉助於DRAM控制器,可以把DRAM當作SRAM一樣使用,從而為系統設計帶來很大的方便。

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3、增強型DRAM(EDRAM)

EDRAM晶片是在DRAM晶片上整合一個高速小容量的SRAM晶片而構成的,這個小容量的SRAM晶片起到快取記憶體的作用,從而使DRAM晶片的效能得到顯著改進。

當CPU從主存DRAM中讀取資料時,會將包含此資料的整個資料塊都寫入快取記憶體SRAM內,下次讀取連續地址資料時,CPU就可以從這個SRAM中直接取用,而不必到較慢的DRAM中讀取,如此即可加快CPU的存取速度。將由若干EDRAM晶片組成的儲存模組做成小電路外掛板形式,就是目前普遍使用的記憶體條。

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只讀儲存器ROM

只讀儲存器ROM是一種儲存固定資訊的儲存器,其特點是在正常工作狀態下只能讀取資料,不能即時修改或重新寫入資料。

只讀儲存器電路結構簡單,且存放的資料在斷電後不會丟失,特別適合於儲存永久性的、不變的程式程式碼或資料(如常數表、函式、表格和字元等),計算機中的自檢程式就是固化在ROM中的,ROM的最大優點是具有不易失性。

只讀儲存器有不可重寫只讀儲存器(MROM、PROM)和可重寫只讀儲存器(EPROM、EEPROM、閃速儲存器等)兩大類。

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不可重寫只讀儲存器

1、掩模只讀儲存器(MROM)

掩模只讀儲存器,又稱固定ROM。這種ROM在製造時,生產廠家利用掩模(Mask)技術把資訊寫入儲存器中,使用時使用者無法更改,適宜大批次生產。

掩模只讀儲存器可分為二極體ROM、雙極型三極體ROM和MOS管ROM三種類型。

2、可程式設計只讀儲存器(PROM)

可程式設計只讀儲存器(Programmable ROM,簡稱PROM),是可由使用者一次性寫入資訊的只讀儲存器,是在MROM的基礎上發展而來的。

PROM的缺點是使用者只能寫入一次資料,一經寫入就不能再更改。

可重寫只讀儲存器

這類ROM由使用者寫入資料(程式),當需要變動時還可以進行修改,使用起來比較方便。可重寫ROM有紫外線擦除EPROM、電擦除EEPROM和閃速儲存器Flash ROM三種類型。

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1、光擦可程式設計只讀儲存器(EPROM)

EPROM的特點是其中的內容可以用特殊的裝置進行擦除和重寫。EPROM出廠時,其儲存內容為全“1”,使用者可根據需要改寫為“0”,當需要更新儲存內容時,可將原儲存內容擦除(恢復為全“1”),以便寫入新的內容。

EPROM一般是將晶片置於紫外線下照射15~20分鐘左右,以擦除其中的內容,然後用專用的裝置(EPROM寫入器)將資訊重新寫入,一旦寫入則相對固定。在閃速儲存器大量應用之前,EPROM常用於軟體開發過程中。

2、電擦可程式設計只讀儲存器(EEPROM或E2PROM)

用紫外線擦除EPROM的操作複雜,速度很慢。EEPROM可以用電氣方法將晶片中的儲存內容擦除,擦除時間較快,甚至可以在聯機狀態下操作。EEPROM既可使用字擦除方式又可使用塊擦除方式,使用字擦除方式可擦除一個儲存單元,使用塊擦除方式可擦除資料塊中所有儲存單元。

3、閃速儲存器(Flash ROM)

閃速儲存器Flash ROM是20世紀80年代中期出現的一種塊擦寫型儲存器,是一種高密度、非易失性的讀/寫半導體儲存器,它突破了傳統的儲存器體系,改善了現有儲存器的特性。

“芯”知識乾貨:靜態儲存與動態儲存的差異對比和應用詳解

Flash ROM中的內容或資料不像RAM一樣需要電源支援才能儲存,但又像RAM一樣具有可重寫性。在某種低電壓下,其內部資訊可讀不可寫,類似於ROM,而在較高的電壓下,其內部資訊可以更改和刪除,類似於RAM。

目前主流儲存器大部分都是RAM,在RAM中按原理還分為兩類——易失性的(Volatile)和非易失的(Non-Volatile),區別在於斷電後是否儲存資料。易失性儲存器有SRAM、DRAM、SDRAM和DDR等,主要用途分別是快取記憶體(cache)和記憶體條。非易失性儲存器主要是包含硬碟(磁學,Hard Disk Drive -HDD)、Flash、光碟(光學),用在我們常見的隨身碟、SD卡和SSD等儲存裝置中。

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