何為Memory

Memory種類

Memory用來存儲和讀寫的大量的二進制數據。其中又有兩個相對應的概念：只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）。ROM只能讀，不能寫；RAM既能讀又能寫。RAM具有易失性。斷電以后，RAM中保存的數據將全部丟失；而ROM中的數據則可以長久保存。

Memory結構

存儲器內部結構基本都差不多，一般由存儲陣列，地址譯碼器和輸出控制電路組成。存儲陣列以外的電路都稱為外圍電路（Periphery）。存儲陣列是memory的核心區域，它有許多存儲單元組成，每個存儲單元存放一位二值數據。每次讀出一組數據，稱為一組字。一個字中所含的位數稱為字長（Bit）。為了區別各個不同的字，給每個字賦予一個編號，稱為地址，由譯碼器將地址代碼轉譯。地址單元個數就是字數（Depth），用N表示，數值為2n，n為地址碼的位數。

實際運用中，我們經常以字數（Depth）和字長（Bit）的乘積來表示存儲器的容量。如下圖中的ROM容量為28 X 1，有256個字，字長為1位，總共256個存儲單元。容量越大，意味著能存儲的數據越多。

關于RAM

RAM （Random Access Memory），隨機存儲器，指存儲內容可被快速地寫入或者讀出，掉電后存儲內容丟失地存儲器。

RAM可分為SRAM（靜態隨機存儲器）和DRAM（動態隨機存儲器）兩種。

1）SRAM

SRAM的優點是只要器件不掉電，存儲內容就不會丟失，無需刷新電路，工作速度快。缺點是集成度低，功耗大，價格高。

上圖是一種典型的SRAM結構，每個存儲單元由六個MOS管組成，中間四個MOS管構成雙穩態觸發器，兩側的兩個MOS管（Q1，Q1’）的開關狀態由同一個選擇信號CE控制。

數據寫入時，數據信號D及其取反后的信號D#分別出現在Q1和Q1’上，待選擇信號CE將Q1和Q1’導通后，D和D#觸發雙穩態觸發器，使之發生相應的翻轉，并使翻轉后的狀態一直得到保留，直到下次數據寫入事件的發生。

數據讀出時，選擇信號CE有效并使Q1和Q1’導通后，A和A’點的邏輯狀態出現在數據信號D和D#上，從而實現數據的讀取，該讀取的過程并不改變存儲單元內雙穩態觸發器的狀態。

每個SRAM存儲單元由六個MOS管組成，功耗大，集成度低，但由于內部采用了雙穩態觸發器，也無需不斷地對內部存儲地內容進行刷新。

所以SRAM在電子產品種容量較小，往往用在非?？量痰牡胤?，例如CPU的緩存。

2）DRAM

DRAM地優點是集成度高，功耗小，價格低。

缺點是即便器件不掉電，存儲內容也只能保持很短地時間，需不斷地被刷新。

典型的DRAM結構圖如下：

每個存儲單元由一個MOS管及其寄生電容構成。由于數據信號的狀態由電容的電荷量決定，因此每隔一段時間需對電容做一次充放電的刷新操作。

DRAM通常用于制作容量要求高，但是速度要求相對低的存儲器，例如電腦內存條。

DRAM分為很多種，常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，這里介紹其中的一種，DDR RAM。

DDR RAM（Date-Rate RAM）也稱作DDR SDRAM，這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內存，而且它有著成本優勢。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來提高帶寬，這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

關于SRAM和DRAM的更多信息可以參考之前的推文：科普：SRAM與DRAM的區別在哪里？

關于ROM

ROM的定義

ROM是只讀存儲器（Read-Only Memory）的簡稱，是一種只能讀出事先所存數據的固態半導體存儲器。其特性是一旦儲存資料就無法再將之改變或刪除。通常用在不需經常變更資料的電子或電腦系統中，并且資料不會因為電源關閉而消失。

ROM的發展

為便于使用和大批量生產 ，進一步發展了可編程只讀存儲器（PROM）、可擦可編程序只讀存儲器（EPROM）和電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）。例如早期的個人電腦如Apple II或IBM PC XT/AT的開機程序（操作系統）或是其他各種微電腦系統中的韌體（Firmware）。

EPROM需用紫外光擦除，使用不方便也不穩定。20世紀80年代制出的EEPROM，克服了EPROM的不足，但集成度不高 ，價格較貴。于是又開發出一種新型的存儲單元結構同 EPROM 相似的快閃存儲器 。其集成度高、功耗低 、體積小 ，又能在線快速擦除 ，因而獲得飛速發展，并有可能取代現行的硬盤和軟盤而成為主要的大容量存儲媒體。大部分只讀存儲器用金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管制成。

ROM有很多種，Mask-ROM就是工程師口中的只讀memory，數據固化后就不可改變。

最初,大家把只能讀的存儲器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉電后數據不會丟失。由于不能改寫，因而使用起來很不方便。隨著技術的進步，在ROM中使用一些新技術，就可以使它具有可以編程的功能。

PROM是可編程的ROM，但PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就無法修改了。隨著時代發展，這樣的功能顯然是不夠的。

后來又出現了EPROM，是通過紫外線來擦除的，并且通過高壓來編程，這類ROM上面一般有一個透明的石英玻璃窗。

而EPROM則可以通過紫外光的照射擦除原先的程序，進行編程，是一種通用的存儲器。

后來又出現了EEPROM，不用紫外線照射就可以擦除，因而可以直接在電路中編程。EEPROM是通過電子擦除，價格很高，寫入時間很長，寫入很慢。

其實從性質上看，它們的功能已經與ROM的名稱（只讀）有些出入，但之所以它們依然叫ROM，大概有幾個原因:

（1）不能像RAM那樣快速的寫；

（2）可能需要特殊的擦寫電壓；

（3）可能需要特殊的擦寫時序；

（4）可能需要在寫之前進行擦除操作；

（5）擦寫次數有限,不像RAM那樣可以隨意寫而不損壞；

（6）掉電后數據不會丟失；

（7）有些可寫的存儲器只能寫一次(OTP)。

接下來我們展開討論下EPROM和EEPROM。

關于EPROM

可抹除可編程只讀存儲（Erasable Programmable Read Only Memory）可利用高電壓將資料編程寫入，抹除時將線路曝光于紫外線下，則資料可被清空，并且可重復使用。通常在封裝外殼上會預留一個石英透明窗以方便曝光。

EPROM的優點

（1）EPROM是一種經濟高效的解決方案，尤其是對于多個重新編程的情況。

（2）EPROM更易于測試和調試操作。

（3）即使沒有電源，EPROM也可以存儲數據。

EPROM的缺點

（1）EPROM比EEPROM具有更高的靜態功耗。

（2）與EEPROM相比，EPROM擦除操作要困難得多，時間更長。

（3）EPROM無法逐字節擦除數據。

（4）在某些情況下，EPROM可能比PROM昂貴。

關于EEPROM

電子式可抹除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，或寫作E2PROM）的運作原理類似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場來完成，因此不需要透明窗?？煞譃樾蛄惺胶筒⑿惺?。

與FLASH的區分在于，擦寫時FLASH需要一片一片擦寫，而EEPROM則可以按“位”擦寫。

單獨的EEPROM組件，其通信口通常可分為串行（serial）與并行（parallel）兩類。除電源線外，串行通信口只使用1~4只接線來傳遞信號，所需接腳較并行式少，通常用來存儲資料。運行用的程序則通常放在并行式的 EEPROM 中，以利訪問。

EEPROM多字節讀寫操作時序

讀取EEPROM數據很簡單，EEPROM根據我們所送的時序，直接就把數據送出來了，但是寫入EEPROM數據卻沒有這么簡單了。給EEPROM發送數據后，先保存在了EEPROM的緩存，EEPROM必須要把緩存中的數據搬移到“非易失”的區域，才能達到數據掉電不丟失的效果。

在往非易失區域寫的過程，EEPROM是不會再響應我們的訪問的，不僅接收不到我們的數據，而且我們使用IIC標準的尋址模式去尋址，EEPROM都不會應答，就如同這個總線上沒有這個器件一樣。數據寫入非易失區域完畢后，EEPROM再次恢復正常，可以正常讀寫數據了。

EEPROM的主要制造商

ON Semiconductor、美信、NXP、華邦電子等

EPROM與EEPROM的比較

（1）紫外線可以擦除EPROM，而電信號可以擦除EEPROM。

（2）EPROM和EEPROM均用于與外部編程相關的硬件或操作系統的下層。

（3）EPROM晶體管的功耗約為12.5，而EEPROM晶體管的功耗為5伏。

（4）EPROM使用電子注入編程技術進行編程，而EEPROM使用隧道效應技術進行編程。

（5）EPROM擦除操作可能需要15到20分鐘，而EEPROM擦除操作僅需5毫秒，這比EPROM快得多。

（6）應該從計算機電路或主板上取下EPROM，以進行擦除和重新編程，在不取下的情況下，可以在計算機電路和主板內擦除EEPROM。

EPROM與EEPROM的工作原理

PROM是可編程器件,主流產品是采用雙層柵(二層poly)結構。主要結構如圖所示：

浮柵中沒有電子注入時，在控制柵加電壓時，浮柵中的電子跑到上層,下層出現空穴。由于感應,便會吸引電子,并開啟溝道。如果浮柵中有電子的注入時，即加大的管子的閾值電壓。溝道處于關閉狀態。這樣就達成了開關功能。

這是EPROM的寫入過程，在漏極加高壓，電子從源極流向漏極。溝道充分開啟。在高壓的作用下,電子的拉力加強,能量使電子的溫度極度上升，變為熱電子(hot electron)。這種電子幾乎不受原子的振動作用引起的散射，在受控制柵的施加的高壓時，熱電子使能躍過SiO2的勢壘,注入到浮柵中。

在沒有別的外力的情況下，電子會很好的保持著。在需要消去電子時，利用紫外線進行照射,給電子足夠的能量,逃逸出浮柵。

EEPROM的寫入過程，是利用了隧道效應，即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。根據隧道效應，包圍浮柵的SiO2，必須極薄以降低勢壘。

源漏極接地,處于導通狀態。在控制柵上施加高于閾值電壓的高壓，以減少電場作用，吸引電子穿越。

要達到消去電子的要求,EEPROM也是通過隧道效應達成的。如上圖所示,在漏極加高壓,控制柵為0V,翻轉拉力方向,將電子從浮柵中拉出。這個動作,如果控制不好,會出現過消去的結果。

ROM與RAM的不同使用范圍

RAM ，易揮發性隨機存取存儲器，高速存取，讀寫時間相等，且與地址無關，如計算機內存等。

ROM ，只讀存儲器。斷電后信息不丟失，如計算機啟動用的BIOS芯片。存取速度很低，（較RAM而言）且不能改寫。由于不能改寫信息，不能升級，現已很少使用。

ROM現階段已經很少有獨立的芯片了，最早還應用于漢字字庫、游戲卡等，如今基本上都是以嵌入在芯片里的IP形式出現了。

EPROM、EEPROM、Flash ROM(NOR Flash 和 NAND Flash)，性能同ROM，但可改寫。一般讀出比寫入快，寫入需要比讀出更高的電壓（讀5V寫12V）。而Flash可以在相同電壓下讀寫，且容量大、成本低，如今在U盤、MP3中使用廣泛。

在計算機系統里，RAM一般用作內存，ROM用來存放一些硬件的驅動程序，也就是固件。