aihot  2017-09-13 16:58:47  智能硬件 |   查看评论   

电子装置不可或缺的关键零组件:记忆体 

      所有使用者对「记忆体」这个名词可是一点都不陌生,因为所有的电子产品都必须用到记忆体,且通常用到不只一种记忆体,说它是一种「战略物资」也不为过!不过对于记忆体种类、规格与形式,很多人容易搞混,例如:身为「执行」程序(数据)的DRAM ,以及「储存」程序与数据的Flash ROM 就是一例,这篇专辑将由浅入深为大家介绍各种新型记忆体的结构与运作模式。

 

记忆体的分类

 

      电的记忆体是指电写电读的记忆体,主要分为两大类,如图一所示:

 

      挥发性记忆体(Volatile MemoryVM):电源开启时数据存在,电源关闭则数据立刻流失(数据挥发掉),例如:SRAMDRAMSDRAMDDR-SDRAM等。

 

      非挥发性记忆体(Non-Volatile MemoryNVM):电源开启时数据存在,电源关闭数据仍然可以保留,例如:ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROMFRAMMRAMRRAMPCRAM等。

记忆体的分类 

图一:记忆体的分类。

 

记忆体的单元

 

      记忆体的「单元」(Cell)是指用来存取数据的最小结构,如果含有一个电晶体(Transistor)与一个电容(Capacitor)则称为「1T1C」;如果含有一个电晶体(Transistor)与一个电阻(Resistor)则称为「1T1R」;如果含有一个二极体(Diode)与一个电阻(Resistor)则称为「1D1R」。

 

      记忆体的每个「单元」不一定只能储存1 个位元的数据,由于我们对记忆体容量的要求愈来愈高,每个「单元」能储存的数据愈来愈多,依照每个「单元」能储存的数据位元数又分为:单层单元(Single-Level CellSLC)、多层单元(Multi-Level CellMLC)、三层单元(Triple-Level CellTLC)、四层单元(Quad-Level CellQLC)等。

 

记忆体阶层(Memory hierarchy

 

      要了解电子产品的各种记忆体配置,就必须先介绍「记忆体阶层」(Memory hierarchy)观念。记忆体阶层是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种记忆体妥善分配,才能达到最大的经济效益,使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。

 

      图二为记忆体阶层示意图,由上而下依序为暂存器、快取记忆体、主记忆体、辅助记忆体:

 

      暂存器(Register):在处理器内,用来设定处理器的功能,主要是「暂时储存」设定值的地方。

 

      快取记忆体(Cache memory):在处理器内,执行程序时「暂时储存」程序与数据的地方,通常以SRAM制作。

 

      主记忆体(Main memory):在处理器外,「暂时储存」程序与数据的地方,通常以DRAM制作,目前已经改良成SDRAMDDR

 

      辅助记忆体(Assistant memory):在处理器外,「永久储存」程序与数据的地方,包括:闪存、磁碟机、光碟机、磁带机等。

 

      不同种类的记忆体分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格:

 

      储存容量:辅助记忆体(GB>主记忆体(MB>快取记忆体(KB>暂存器(B)。

 

      工作速度:辅助记忆体(1ms<主记忆体(10ns<快取记忆体(1ns<暂存器(1ns)。

 

      单位价格:辅助记忆体<主记忆体<快取记忆体<暂存器。

 

记忆体的应用

 

      所有的电子产品都必须用到记忆体,而且通常用到不只一种记忆体,由于记忆体的种类繁多,常常让使用者混淆,我们简单说明不同记忆体之间的差异,图三为手机主要芯片的系统方块图(System block diagram),包括:应用处理器(Application processor)、基频处理器(Baseband processor)、运动控制器(Motion Controller)。

 

      应用处理器主要是执行作业系统(Operating SystemOS)与应用程序(Application programApp),暂存器与快取记忆体目前都是内建在处理器内,其中暂存器用来设定处理器的功能,用来设定暂存器数值的程序,也就是用来趋动硬件的软件程序又称为「韧体」(Firmware);快取记忆体是在执行程序时用来「暂时储存」程序与数据的地方,由于在处理器内离运算单元比较近,可以缩短程序与数据来回的时间,加快程序的执行速度因此称为「快取」(Cache)。

 

      由于快取记忆体成本较高因此容量不大,如果执行程序时放不下,则可以退一步放在主记忆体内,可是目前主记忆体所使用的SDRAM DDR,属于挥发性记忆体,电源关闭则数据立刻流失,因此关机后数据必须储存在非挥发性的辅助记忆体内,早期辅助记忆体使用磁碟机、光碟机、磁带机等,由于半导体制程的进步,目前大多使用闪存( Flash ROM),或所谓的固态硬碟(Solid State DiskSSD),固态硬碟其实也是使闪存制作。

 

      由于快取记忆体(SRAM)与主记忆体(SDRAMDDR)是执行程序用来「暂时储存」程序与数据的地方,与处理器内的运算单位直接使用汇流排(Bus)连接,一般都是用「位元」(bit)来计算容量;而辅助记忆体是「永久储存」程序与数据的地方,由于一个位元组(Byte)可以储存一个半型字,因此一般都是用「位元组」(Byte)来计算容量。

 手机主要芯片的系统方块图(System block diagram)

图三:手机主要芯片的系统方块图(System block diagram)。

 

静态随机存取记忆体(SRAMStatic RAM

 

      6 个电晶体(MOS)来储存1 个位元(1bit)的数据,而且使用时「不需要」周期性地补充电源来保持记忆的内容,故称为「静态」(Static)。

 

      SRAM 的构造较复杂(6 个电晶体储存1 个位元的数据),不使用电容所以存取速度较快,但是成本也较高,因此一般都制作成对容量要求较低但是对速度要求较高的记忆体,例如:中央处理器(CPU)内建256KB512KB1MB 的「快取记忆体」(Cache memory),一般都是使用SRAM

 

动态随机存取记忆体(DRAMDynamic RAM

 

      以一个电晶体(MOS)加上一个电容(Capacitor)来储存一个位元(1bit)的数据,而且使用时「需要」周期性地补充电源来保持记忆的内容,故称为「动态」(Dynamic )。

  
 

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