基礎——ROM, RAM, FLASH, SSD, DDR3/4, eMMC, UFS, SD卡, TF卡,相互關係

1. 關係

ROM, RAM, FLASH閃存, SSD, DDR3/4, eMMC, UFS, SD卡, TF卡, 這幾個名詞在手機和電腦等數碼產品的參數中經常出現,單獨看還明白是什麼,放在一塊,他們的主要用途和區別有時候會比較混亂,但知道他們都是存儲器,放東西的,存儲空間和體積有大有小、速度有快有慢、工藝有難又易,自然價格有高有低, 性價比最高的使用場合也很不同。

就從內存的概念開始,從功能上分,內存有三種:RAM、ROM和CACHE。

RAM,全稱叫Random Access Memory,意思是隨機存取存儲器,也就是運行內存,儲存的是軟件運行時和運行之後的相關數據,RAM越大,手機運行就越快,但是其作爲隨機存取內存,所以在關機之後RAM存的數據不會保存。在電腦中,主要是內存條,也被稱爲主存,關機斷電丟數據。

ROM,全稱是Read Only Memory,叫做只讀內存,也就是存儲內存。電腦的BIOS就是固化在主板的BIOS ROM芯片裏面的,電腦硬盤的也是ROM,放系統、用戶文件等。現在在講手機的存儲容量時基本上就是指的rom容量,一部分是系統佔用的,另一部分是用戶可自由支配的存儲空間,能存放手機軟件、用戶文件(照片、視頻等)。
  
  CACHE,是高速緩存,是速度特別快的RAM,一般是靜態RAM(主內存是動態RAM),比動態RAM速度快得多,是用來彌補主內存速度不夠快而設定的。、


2.1 RAM的分類

2.1.1 DRAM

DRAM(Dynamic Random Access Memory,動態隨機存儲器)是最爲常見的系統內存。我們使用的電腦和手機的運行內存都是DRAM。DRAM使用電容存儲,DRAM 只能將數據保持很短的時間。爲了保持數據,所以必須隔一段時間刷新(refresh)一次,如果存儲單元沒有被刷新,存儲的信息就會丟失。數據的存儲,請參考數據存儲模型。我們知道,電容中的電荷很容易變化,所以隨着時間推移,電容中的電荷數會增加或減少,爲了確保數據不會丟失,DRAM每隔一段時間會給電容刷新(充電或放電)。動態:定時刷新數據。

SDRAM:(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態隨機存取存儲器),爲DRAM的一種,同步是指Memory工作需要同步時鐘,內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘爲基準;動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失;隨機是指數據不是線性依次存儲,而是由指定地址進行數據讀寫。

(1)DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM):爲雙信道同步動態隨機存取內存,是新一代的SDRAM技術。DDR內存芯片的數據預取寬度(Prefetch)爲2 bit(SDRAM的兩倍)。

(2)DDR2 SDRAM(Double Data Rate Two SDRAM):爲雙信道兩次同步動態隨機存取內存。DDR2內存Prefetch又再度提升至4 bit(DDR的兩倍)

(3)DDR3 SDRAM(Double Data Rate Three SDRAM):爲雙信道三次同步動態隨機存取內存。DDR3內存Prefetch提升至8 bit,即每次會存取8 bits爲一組的數據。運算頻率介於 800MHz -1600MHz之間。

2.1.2 SRAM

SRAM(Static Random Access Memory,靜態隨機存儲器),它是一種具有靜止存取功能的內存,其內部機構比DRAM複雜,可以做到不刷新電路即能保存它內部存儲的數據。靜態:不需要刷新。

對比DRAM的優缺點:

  • 優點:速度快,不必配合內存刷新電路,可提高整體的工作效率。
  • 缺點:集成度低,功耗較大,相同的容量體積較大,而且價格較高,少量用於關鍵性系統以提高效率。

2.2 ROM的分類

ROM(只讀存儲器)按其內容寫入方式,一般分爲3種:固定內容ROM;可一次編程PROM;可擦除ROM,又分爲EPROM(紫外線擦除電寫入)和EEPROM(電擦除電寫入)等類型。

2.2.1 固定內容ROM

是採用掩模工藝製作的,其內容在出廠時已按要求固定,用戶無法修改。由於固定ROM所存信息不能修改,斷電後信息不消失,所以常用來存儲固定的程序和數據。如在計算機中,用來存放監控、管理等專用程序。

2.2.2 PROM(Programmable ROM)

是可一次編程ROM。這種存儲器在出廠時未存入數據信息。單元可視爲全“0”或全“1”,用戶可按設計要求將所需存入的數碼“一次性地寫入”,一旦寫入後就不能再改變了。PROM在每一個存儲單元中都接有快速熔斷絲,在用戶寫入數據前,各存儲單元相當於存入“1”。寫入數據時,將應該存“0”的單元,通以足夠大的電流脈衝將熔絲燒斷即可。

2.2.3 EPROM(ErasablePro-grammable Read-only Memory)

爲了克服PROM只能寫入一次的缺點,出現了可多次擦除和編程的存儲器。EPROM是可擦除可編程的ROM,電寫入紫外線擦除的存儲器

EPROM內容的改寫不像RAM那麼容易,在使用過程中,EPROM的內容是不能擦除重寫的,所以仍屬於只讀存儲器。要想改寫EPROM中的內容,必須將芯片從電路板上拔下,將存儲器上面的一塊石英玻璃窗口對準紫外燈光照射數分鐘,使存儲的數據消失。擦除時間大約爲10min~30min,視型號不同而異。爲便於擦除操作,在器件外殼上裝有透明的石英蓋板,便於紫外線通過。在寫好數據以後應使用不透明的紙將石英蓋板遮蔽,以防止數據丟失。數據的寫入可用軟件編程,生成電脈衝來實現。

2.2.4 E2PROM(Electrically Erasable Programmable Read-only Memory)

是一種電寫入電擦除的只讀存儲器,擦除時不需要紫外線,只要用加入10ms、20V左右的電脈衝即可完成擦除操作。擦除操作實際上是對E2PROM進行寫“1”操作,全部存儲單元均寫爲“1”狀態,編程時只要對相關部分寫爲“0”即可。

2.2.5 Flash Memory快閃存儲器(閃存

一般講Flash也是一種ROM,是EEPROM的變種,是新一代的EEPROM,它具有EEPROM擦除的快速性,結構又有所簡化,進一步提高了集成度和可靠性,從而降低了成本。目前除了各種快閃存儲器的產品面世外,快閃存儲器還向其他應用領域拓展,例如已經應用於計算機上的可移動磁盤,以代替軟磁盤。

Flash又分NAND Flash和NOR Flash,NOR型存儲內容以編碼爲主,其功能多與運算相關;NAND型主要功能是存儲資料,如數碼相機中所用的記憶卡。

(1)Nor Flash:主要用來執行片上程序

  優點:具有很好的讀寫性能和隨機訪問性能,因此它先得到廣泛的應用;

  缺點:單片容量較小且寫入速度較慢,決定了其應用範圍較窄。

(2)NAND Flash:主要用在大容量存儲場合

  優點:優秀的讀寫性能、較大的存儲容量和性價比,因此在大容量存儲領域得到了廣泛的應用;

  缺點:不具備隨機訪問性能。

SSD(Solid State Drives)是固態硬盤,是由閃存作爲存儲介質的硬盤方案。現在大部分的SSD都是用來存儲不易丟失的資料,所以SSD存儲單元會選擇NAND Flash芯片。SSD裏面會用到很多閃存的,要根據SSD的容量來定,比如一塊64G的固盤,可以選擇16 張 4G的flash,也可以選擇4張16G的flash,具體怎麼選擇要看線路設計及成本考量。嵌入式產品中包括數碼相機,移動設備的內存卡、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等也是用的NAND Flash芯片。

                                                                                                   一塊SSD固態硬盤 

一個SSD,爲了達到高並行高性能的要求,有多個NADN Flash 芯片,這樣就可以在每個芯片上進行相互獨立的讀寫操作,以並行性來提高硬盤吞吐量,還可以增加冗餘備份。

2.3 幾種“內存卡”

SD卡:Secure Digital Memory Card/SD card

是一種基於半導體快閃存儲器的新一代高速存儲設備。SD存儲卡的技術是從MMC卡( MultiMedia Card格式上發展而來,在兼容SD存儲卡基礎上發展了SDIO( SD Input/ Output)卡,此兼容性包括機械,電子,電力,信號和軟件,通常將SD、SDIO卡俗稱SD存儲卡。採用的也是NAND Flash芯片作爲存儲核心。用在數碼產品存儲照片、音樂、視頻等等。

TF卡:Trans-flash Card

原本這種記憶卡稱爲T-Flash,及後改稱爲Trans Flash;而重新命名爲Micro SD的原因是因爲被SD協會 (SDA) 採立,Micro SD卡是其最新的名字。採用的也是NAND Flash芯片作爲存儲核心。以前手機擴展內存用的那種黑黑的小內存卡。

MMC卡:MultiMediaCard

                 

即多媒體卡,也是一種非易失性存儲器件,體積小巧,容量大,耗電量低,傳輸速度快。MMC共有7個pin,分爲兩種模式,分別爲MMC模式和SPI模式。MMC卡時鐘頻率是20MHz,比SD卡少兩個PIN,只有一位數據帶寬,所以最大傳輸速率爲2.5MHz。MMC也是一種接口協定(一種卡式),能符合這接口的內存器都可稱作mmc儲存體(mmc卡)。同爲閃存卡。

eMMC:不是卡,而是芯片

手機等小型化產品爲了節省空間和功耗,ROM一般採用eMMCUFS,他們也是採用NADN Flash 芯片,與其他功能封裝在一起形成的,但遠遠沒有SSD那麼土豪,有那麼多個,eMMC 和 UFS一般只有一片或很少Flash,小巧使其面向的是移動端 。

後面重點介紹eMMC。

2.4 總結

在應用中,常規上ROM是用來存儲固化程序的,RAM是用來存放數據的。由於FLASH ROM比普通的ROM讀寫速度快,擦寫方便,一般用來存儲用戶程序和需要永久保存的數據。譬如說,電子溫度計,它的MCU是一款單片機(51/Stm32/ARM等),寫好編譯過的單片機程序就燒寫到ROM裏(但不同MCU程序執行的地方不一樣)。電子溫度計在工作過程中,外部溫度會影響傳感器的輸出電壓和電流,經過AD轉換後,單片機根據程序處理爲溫度值,模擬或者數字的電壓和電流都是整個過程產生的中間量(程序運行數據),用完就沒用了,因此這些值跑在RAM裏邊。然而計算完的溫度,是要保存起來的,除非我們自己把它刪掉,單片機會定時或者在停電的瞬間將電度數存入到FLASH。簡單說就是:程序在ROM裏,執行過程產生的數據在RAM裏,結果放在Flash裏。但很多產品Flash指的就是ROM,或者ROM就是某種Flash。

RAM和ROM是兩個大概念,看手機參數時碰到這兩個參數,只能看到內存大小,並不能看出具體是什麼類型以及到底使用的什麼存儲技術。在硬件稱呼上,手機的ROM類型之前多用的eMMC,現在主要是UFS,仍習慣直接叫ROM、RAM;但放在嵌入產品中,習慣叫Flash。


3. eMMC

eMMC (Embedded Multi Media Card)是MMC協會訂立、主要針對手機或平板電腦等產品的內嵌式存儲器標準規格。由一個嵌入式存儲解決方案組成,帶有MMC(多媒體卡)接口、快閃存儲器設備及主控制器。所有都在一個小型的BGA 封裝。接口速度高達每秒52MBytes,eMMC具有快速、可升級的性能。同時其接口電壓可以是1.8V或者是3.3V。它是在NAND閃存芯片的基礎上,額外集成了主控制器,並將二者“打包”封裝封成一顆BGA芯片,從而減少了對PCB主板的空間佔用,也是移動設備中普及度最高的存儲單元。eMMC的性能會隨着總線接口的升級而提升,而目前最新的標準就是eMMC 5.1。

   優點:

  • 簡化手機存儲器的設計。eMMC目前是當前最紅的移動設備本地存儲解決方案,目的在於簡化手機存儲器的設計,由於NAND Flash芯片的不同廠牌包括三星、KingMax、東芝(Toshiba)或海力士(Hynix)、美光(Micron)等,所以都需要根據每家公司的產品和技術特性來重新設計,而過去並沒有技術能夠通用所有廠牌的NAND Flash芯片。
  • 更新速度快。每次NAND Flash製程技術改朝換代,包括70納米演進至50納米,再演進至40納米或30納米制程技術,手機客戶也都要重新設計,但半導體產品每1年製程技術都會推陳出新,存儲器問題也拖累手機新機種推出的速度,因此像eMMC這種把所有存儲器和管理NAND Flash的控制芯片都包在1顆MCP上的概念,隨着不斷地發展逐漸流行在市場中。
  • 加速產品研發速度。eMMC的設計概念,就是爲了簡化手機內存儲器的使用,將NAND Flash芯片和控制芯片設計成1顆MCP芯片,手機客戶只需要採購eMMC芯片,放進新手機中,不需處理其它繁複的NAND Flash兼容性和管理問題,最大優點是縮短新產品的上市週期和研發成本,加速產品的推陳出新速度。

 

 可以看出eMMC其實是一個有管理員的NAND Flash,主要功能還是存儲。

UFS:Univeral Flash Storage,我們可以將它視爲eMMC的進階版,是由多個閃存芯片、主控、緩存組成的陣列式存儲模塊。UFS彌補了eMMC僅支持半雙工運行(讀寫必須分開執行)的缺陷,可以實現全雙工運行,所以性能得以翻番。

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