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SSD HDD RAM ROM NAND NOR Flash 等存储介质概念整理

寄存器
寄存器是中央处理器内的组成部份。它跟CPU有关。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件,它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中,包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中,包含的寄存器有累加器(ACC)。

存储器
存储器范围最大,它几乎涵盖了所有关于存储的范畴。你所说的寄存器,内存,都是存储器里面的一种。凡是有存储能力的硬件,都可以称之为存储器,这是自然,硬盘更加明显了,它被归入外存储器行列。

内存
内存既专业名上的内存储器,它不是个什么神秘的东西,它也只是存储器中的沧海一粟,它包涵的范围也很大,一般分为只读存储器和随即存储器,以及最强悍的高速缓冲存储器(CACHE),只读存储器应用广泛,它通常是一块在硬件上集成的可读芯片,作用是识别与控制硬件,它的特点是只可读取,不能写入。随机存储器的特点是可读可写,断电后一切数据都消失,我们所说的内存条就是指它了。

CACHE
CACHE是在CPU中速度非常块,而容量却很小的一种存储器,它是计算机存储器中最强悍的存储器。由于技术限制,容量很难提升,一般都不过兆。

ROM、RAM的区别:

ROM(只读存储器或者固化存储器)
RAM(随机存取存储器)

ROM和RAM指的都是半导体存储器,ROM是Read Only Memory的缩写,RAM是Random Access Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据,典型的RAM就是计算机的内存。

RAM有两大类,一种称为静态RAM(Static RAM/SRAM),当数据被存入其中后不会消失。SRAM速度非常快,是目前读写最快的存储设备了。当这个SRAM 单元被赋予0 或者1 的状态之后,它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。但是存储1bit 的信息需要4-6 只晶体管。因此它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一级缓冲,二级缓冲。另一种称为动态RAM(Dynamic RAM/DRAM),DRAM 必须在一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据。DRAM 只要1 只晶体管就可以实现。DRAM保留数据的时间很短,速度也比SRAM慢,不过它还是比任何的ROM都要快,但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很 多,计算机内存就是DRAM的。

DRAM分为很多种,常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等,这里介绍其中的一种DDR RAM。DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作DDR SDRAM,这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的,不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用 得最多的内存,而且它有着成本优势,事实上击败了Intel的另外一种内存标准-Rambus DRAM。在很多高端的显卡上,也配备了高速DDR RAM来提高带宽,这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

ROM也有很多种,PROM是可编程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可编程ROM)两者区别是,PROM是一次性的,也就是软件灌入后,就无法修 改了,这种是早期的产品,现在已经不可能使用了,而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序,是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦出,价格很高,写入时间很长,写入很慢。

最初,把只能读的存储器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉电后数据不会丢失。由于不能改写,因而使用起来很不方便。随着技术的进步,在ROM中使用一些新技术,就可以使它具有可以编程的功能。比较早的是熔丝型的可编程ROM,由于是通过熔断熔丝来编程的,所以这类ROM编程后,就不能再写了,是一次性的(OTP)。后来又出现了EPROM,是通过紫外线来擦除的,并且通过高压来编程,这类ROM上面一般有一个透明的石英玻璃窗,看上去挺漂亮的,它就是用来给紫外线照射的。后来又出现了EEPROM,不用紫外线照射就可以擦除,因而可以直接在电路中编程。另外还有FLASH ROM,又可分为NOR FLASH和NAND FLASH。FLASH ROM一般有一个特点,就是写数据时,可以将1改为0,而不能将0改为1,因而写数据前需要擦除,擦除时将所有数据置1。
之所以依然叫做ROM,归纳一下,大概有几个原因:

①不能像RAM那样快速的写;
②可能需要特殊的擦写电压;
③可能需要特殊的擦写时序;
④可能需要在写之前进行擦除操作;
⑤擦写次数有限,不像RAM那样可以随意写而不损坏;
⑥掉电后数据不会丢失;
⑦有些可写的存储器只能写一次(OTP)。

举个例子,手机软件一般放在EEPROM中,我们打电话,有些最后拨打的号码,暂时是存在SRAM中的,不是马上写入通过记录(通话记录保存在EEPROM中),因为当时有很重要工作(通话)要做,如果写入,漫长的等待是让用户忍无可忍的。

FLASH存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦出可编程(EEPROM)的性能,还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据 (NVRAM的优势),U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里,嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备,然而近年来 Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位,用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。

目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样,用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码,这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一快的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价。用户 不能直接运行NAND Flash上的代码,因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外,还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

一般小容量的用NOR Flash,因为其读取速度快,多用来存储操作系统等重要信息,而大容量的用NAND FLASH,最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(Disk On Chip)和我们通常用的“闪盘”,可以在线擦除。目前市面上的FLASH 主要来自Intel,AMD,Fujitsu和Toshiba,而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

NOR Flash 和 NAND Flash 比较

NOR Flash 生产厂商有 Intel和ST, Nand Flash厂商有Hynix,micon,Samsung,Toshiba 和Fujitsu等。

2006年NAND 将占据59%的闪存市场份额,NOR的市场份额将下降到41%。而到2009 年时,NAND 的市场份额将上升到65%,NOR的市场份额将进一步下滑到35%。

Nand主要应用:Compacflash,Secure Digi-tal,Smartmedia,SD,MMC,Xd,PC Card,USB Sticks等。

NOR的传输效率很高,在小容量时具有很高的成本效益,更加安全,不容易出现数据故障,因此,主要应用以代码存储为主,多与运算相关。

目前,NAND 闪存主要用在数码相机闪存卡和 MP3 播放机中,这两个市场的增长非常迅速。而 NOR 芯片主要用在手机和机顶盒中,这两个市场的增长速度相对较慢。

性能比较

Flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND 器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64~128KB 的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了 NOR 和 NADN 之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

接口差别

NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。
NAND 读和写操作采用 512 字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于 NAND 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

容量和成本

NAND flash 的单元尺寸几乎是 NOR 器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。

NOR flash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND 在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC 存储卡市场上所占份额最大。

可靠性和耐用性

采用flahs 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash 是非常合适的存储方案。
可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

寿命(耐用性)

在NAND 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

位交换

所有flash 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。

当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用 NAND 存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。

NAND 器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方
法不能进行这项处理,将导致高故障率。

易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。

由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND 器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

软件支持

当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用 NOR 器件时所需要的 MTD 要相对少一些,许多厂商都提供用于 NOR 器件的更高级软件,这其中包括 M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

ROM和硬盘的区别(电脑硬盘不是ROM,BIOS存在ROM当中):

只读内存(Read-Only Memory)就是ROM,它是一块单独的内部存储器,和随机内存RAM(即平时说的内存)相似,但是只能读取,用来存储和保存永久数据的。ROM数据不能随意更新,但是在任何时候都可以读取。即使是断电,ROM也能够保留数据。

往ROM中注入数据需要另外的编译器,PC上面是没有这个功能的。一般在ROM出厂前注入信息,没有特殊情况一般不会更改内容,也就是说通常是一辈子都是同样的内容。

在PC中容易误解的一点就是经常有人把ROM和HardDisk(硬盘)搞混淆,HardDisk是属于外部存储器,而ROM是内部存储器。样貌也有很大差别,硬盘是一个立方体状的东西,而ROM更像一个扁平固定长条状的东西。硬盘可以轻易地改写内容,但是ROM不可以。而且硬盘的容量比ROM大得多。

在PC中ROM内的内容有BIOS程序和机器码和出厂信息之类的东西。

而计算机的外部存储器中采用了类似磁带的装置的东东就叫磁盘。软盘、硬盘、U盘等都是磁盘的一种。

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