23. 常用存储器介绍¶
23.1. 存储器种类¶
存储器是计算机结构的重要组成部分。存储器是用来存储程序代码和数据的部件，有了存储器计算机才具有记忆功能。 基本的存储器种类见图 基本存储器种类。
存储器按其存储介质特性主要分为“易失性存储器”和“非易失性存储器”两大类。其中的“易失/非易失”是指存储器断电后， 它存储的数据内容是否会丢失的特性。由于一般易失性存储器存取速度快，而非易失性存储器可长期保存数据， 它们都在计算机中占据着重要角色。在计算机中易失性存储器最典型的代表是内存，非易失性存储器的代表则是硬盘。
23.2. RAM存储器¶
RAM是“Random Access Memory”的缩写，被译为随机存储器。所谓“随机存取”，指的是当存储器中的消息被读取或写入时， 所需要的时间与这段信息所在的位置无关。这个词的由来是因为早期计算机曾使用磁鼓作为存储器，磁鼓是顺序读写设备， 而RAM可随读取其内部任意地址的数据，时间都是相同的，因此得名。实际上现在RAM已经专门用于指代作为计算机内存的易失性半导体存储器。
根据RAM的存储机制，又分为动态随机存储器DRAM(Dynamic RAM)以及静态随机存储器SRAM(Static RAM)两种。
23.2.1. DRAM¶
动态随机存储器DRAM的存储单元以电容的电荷来表示数据，有电荷代表1，无电荷代表0，见图 DRAM存储单元。 但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，因此它需要定期刷新操作，这就是“动态(Dynamic)”一词所形容的特性。 刷新操作会对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保证数据的正确性。
23.2.1.1. SDRAM¶
根据DRAM的通讯方式，又分为同步和异步两种，这两种方式根据通讯时是否需要使用时钟信号来区分。 图 同步通讯时序图 是一种利用时钟进行同步的通讯时序，它在时钟的上升沿表示有效数据。
由于使用时钟同步的通讯速度更快，所以同步DRAM使用更为广泛，这种DRAM被称为SDRAM(Synchronous DRAM)。
23.2.1.2. DDR SDRAM¶
为了进一步提高SDRAM的通讯速度，人们设计了DDR SDRAM存储器(Double Data Rate SDRAM)。它的存储特性与SDRAM没有区别， 但SDRAM只在上升沿表示有效数据，在1个时钟周期内，只能表示1个有数据；而DDRSDRAM在时钟的上升沿及下降沿各表示一个数据， 也就是说在1个时钟周期内可以表示2位数据，在时钟频率同样的情况下，提高了一倍的速度。至于DDRII和DDRIII， 它们的通讯方式并没有区别，主要是通讯同步时钟的频率提高了。
当前个人计算机常用的内存条是DDRIII SDRAM存储器，在一个内存条上包含多个DDRIII SDRAM芯片。
23.2.2. SRAM¶
静态随机存储器SRAM的存储单元以锁存器来存储数据，见图 SRAM存储单元。 这种电路结构不需要定时刷新充电，就能保持状态(当然，如果断电了，数据还是会丢失的)，所以这种存储器被称为“静态(Static)”RAM。
同样地，SRAM根据其通讯方式也分为同步(SSRAM)和异步SRAM，相对来说，异步SDRAM用得比较多。
23.2.3. DRAM与SRAM的应用场合¶
对比DRAM与SRAM的结构，可知DRAM的结构简单得多，所以生产相同容量的存储器，DRAM的成本要更低，且集成度更高。 而DRAM中的电容结构则决定了它的存取速度不如SRAM，特性对比见表 DRAM与SRAM对比。
所以在实际应用场合中，SRAM一般只用于CPU内部的高速缓存(Cache)，而外部扩展的内存一般使用DRAM。 在STM32系统的控制器中，只有STM32F429型号或更高级的芯片才支持扩展SDRAM，其它型号如STM32F1、STM32F2及STM32F407等型号只能扩展SRAM。
23.3. 非易失性存储器¶
非易失性存储器种类非常多，半导体类的有ROM和FLASH，而其它的则包括光盘、软盘及机械硬盘。
23.3.1. ROM存储器¶
ROM是“Read Only Memory”的缩写，意为只能读的存储器。由于技术的发展，后来设计出了可以方便写入数据的ROM， 而这个“Read Only Memory”的名称被沿用下来了，现在一般用于指代非易失性半导体存储器， 包括后面介绍的FLASH存储器，有些人也把它归到ROM类里边。
23.3.1.1. MASK ROM¶
MASK(掩膜) ROM就是正宗的“Read Only Memory”，存储在它内部的数据是在出厂时使用特殊工艺固化的，生产后就不可修改， 其主要优势是大批量生产时成本低。当前在生产量大，数据不需要修改的场合，还有应用。
23.3.1.2. OTPROM¶
OTPROM(One Time Programable ROM)是一次可编程存储器。这种存储器出厂时内部并没有资料， 用户可以使用专用的编程器将自己的资料写入，但只能写入一次，被写入过后，它的内容也不可再修改。 在NXP公司生产的控制器芯片中常使用OTPROM来存储密钥；STM32F407系列的芯片内部也包含有一部分的OTPROM空间。
23.3.1.3. EPROM¶
EPROM(Erasable Programmable ROM)是可重复擦写的存储器， 它解决了PROM芯片只能写入一次的问题。这种存储器使用紫外线照射芯片内部擦除数据， 擦除和写入都要专用的设备。现在这种存储器基本淘汰，被EEPROM取代。
23.3.1.4. EEPROM¶
EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是电可擦除存储器。 EEPROM可以重复擦写，它的擦除和写入都是直接使用电路控制， 不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据，无需整个芯片擦除。现在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。
23.3.2. FLASH存储器¶
FLASH存储器又称为闪存，它也是可重复擦写的储器，部分书籍会把FLASH存储器称为FLASH ROM，但它的容量一般比EEPROM大得多， 且在擦除时，一般以多个字节为单位。如有的FLASH存储器以4096个字节为扇区，最小的擦除单位为一个扇区。根据存储单元电路的不同， FLASH存储器又分为NOR FLASH和NAND FLASH，见表 NOR_FLASH与NAND_FLASH特性对比。
NOR与NAND的共性是在数据写入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇区/块”为单位的。 而NOR与NAND特性的差别，主要是由于其内部“地址/数据线”是否分开导致的。
由于NOR的地址线和数据线分开，它可以按“字节”读写数据，符合CPU的指令译码执行要求，所以假如NOR上存储了代码指令， CPU给NOR一个地址，NOR就能向CPU返回一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。
而由于NAND的数据和地址线共用，只能按“块”来读写数据，假如NAND上存储了代码指令，CPU给NAND地址后， 它无法直接返回该地址的数据，所以不符合指令译码要求。 表 NOR_FLASH与NAND_FLASH特性对比 中的最后一项“是否支持XIP”描述的就是这种立即执行的特性(eXecute In Place)。
若代码存储在NAND上，可以把它先加载到RAM存储器上，再由CPU执行。所以在功能上可以认为NOR是一种断电后数据不丢失的RAM， 但它的擦除单位与RAM有区别，且读写速度比RAM要慢得多。
另外，FLASH的擦除次数都是有限的(现在普遍是10万次左右)，当它的使用接近寿命的时候，可能会出现写操作失败。 由于NAND通常是整块擦写，块内有一位失效整个块就会失效，这被称为坏块，而且由于擦写过程复杂，从整体来说NOR块块更少， 寿命更长。由于可能存在坏块，所以FLASH存储器需要“探测/错误更正(EDC/ECC)”算法来确保数据的正确性。
由于两种FLASH存储器特性的差异，NOR FLASH一般应用在代码存储的场合，如嵌入式控制器内部的程序存储空间。 而NAND FLASH一般应用在大数据量存储的场合，包括SD卡、U盘以及固态硬盘等，都是NAND FLASH类型的。
在本教程中会对如何使用RAM、EEPROM、FLASH存储器进行实例讲解。