存储器
存储器（Memory）是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。有了存储器计算机就具有记忆功能。
RAM
随机存取存储器（RAM, Random Access Memory） 是计算机系统中一种重要的内存类型，主要用于临时存储数据和程序。
RAM 的基本概念
- 易失性存储：RAM 是一种易失性内存，意味着当电源关闭时，存储的数据会丢失。
- 快速访问：RAM 允许 CPU 随机访问任何存储位置，读取和写入速度较快，是系统运行时的重要数据存储区域。
SRAM
SRAM(Static Random-Access Memory)，静态随机存取存储器。是RAM的一种，SRAM只要通电，存储的数据就会保持不变，因此被称为“静态”
主要特点
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数据保持：
SRAM只要通电，存储的数据就会保持不变，因此被称为“静态”。相比之下，动态随机存取存储器（DRAM）需要定期刷新，以维持数据。 -
存储结构：
SRAM的基本单元是由多个晶体管（通常是4到6个）构成的触发器（如D触发器），这使得它在读写速度上较快。 -
速度：
SRAM的访问速度较快，通常比DRAM快得多，适合用于高速缓存（Cache memory）。 -
容量与成本：
SRAM的存储密度较低，通常容量比DRAM小，因此成本较高。它更适合用于需要快速读取和写入的应用场景。
应用
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高速缓存：
计算机的CPU内部通常使用SRAM作为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），以提高数据访问速度。 -
寄存器：
在处理器中，寄存器也是使用SRAM构建的，用于临时存储数据和指令。 -
网络设备：
一些网络设备（如路由器和交换机）中也使用SRAM来存储转发表和其他临时数据。
这是一个静态随机存取存储器(SRAM)单元的电路图。它具有以下特点:
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由一对交叉连接的反相器(Q1-Q4)构成一个双稳态锁存器或触发器电路,可以存储1比特的数据。
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有两个访问晶体管(Q2、Q3),用于通过位线(BL、BLB)读取和写入存储的数据。
这种 SRAM 单元设计可以实现快速的易失性数据存储,只要保持通电,存储的数据就不会丢失,无需像动态 RAM (DRAM) 那样定期刷新。SRAM 单元广泛应用于处理器的缓存存储器以及其他需要低延迟访问的高速逻辑电路中。
DRAM
动态随机存取存储器（DRAM） 是一种用于计算机和其他设备的数据存储内存。
DRAM 的特点
- 易失性存储器：DRAM 在断电后会丢失存储的数据。
- 动态性：由于电容器存储的电荷会随时间泄漏，DRAM 需要定期刷新以保持数据的完整性。
- 密度：相较于其他类型的内存（如静态随机存取存储器 SRAM），DRAM 通常提供更高的存储密度。
- 速度：速度比 SRAM 慢，但比传统存储解决方案（如硬盘）快。
应用领域
- 主内存：主要用于计算机和服务器的主内存。
- 图形内存：通常用于显卡（如 GDDR，这是一种针对图形优化的 DRAM 变体）。
- 移动设备：常见于智能手机和平板电脑（如 LPDDR，优化为低功耗）。
DRAM 的变种
- 同步动态随机存取存储器（SDRAM）：与系统总线同步，以提高性能。
- 双倍数据速率（DDR）：在时钟信号的上升和下降沿同时传输数据，实际上将数据传输速率翻倍。
- 包括 DDR、DDR2、DDR3、DDR4 和 DDR5 等不同世代，每一代在速度和效率上都有所提升。
优点
- 性价比高：每比特的成本低于 SRAM，适合大容量内存的需求。
- 可扩展性：可以轻松扩展以满足现代应用对内存日益增长的需求。
缺点
- 功耗：由于需要持续刷新，功耗较高。
- 延迟：相较于 SRAM，延迟较高，这可能会影响某些应用的性能。
DRAM 的工作原理
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存储单元：
- DRAM 的每个存储单元由一个电容器和一个晶体管组成。
- 电容器的电荷状态表示存储的数据：有电荷（充电）表示 1，无电荷（放电）表示 0。
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动态特性：
- 由于电容器的电荷会随时间自然泄漏，存储的 1 会逐渐变为 0，因此 DRAM 被称为“动态”内存。
- 为了保持数据的有效性，DRAM 需要定期执行刷新操作。
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刷新操作：
- 在刷新过程中，系统会检查每个存储单元的电荷状态。
- 如果电容器的电量超过其满电量的一半（> 1/2），则判断为 1，并将其充满电。
- 如果电量低于一半（< 1/2），则判断为 0，并将其电容放电。
- 这个过程确保了数据的准确性和完整性，减少了数据丢失的风险。
这个电路图表示了 DRAM 存储单元的基本结构和工作原理:
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电压源 (V)：提供给 DRAM 存储单元充放电所需的电压。
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开关 (Q)：用于控制 DRAM 单元的充电和放电过程。
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电容器 (Cs)：DRAM 存储单元的核心部件,通过电容器的充放电状态来表示存储的数据。
- 有电荷代表逻辑 "1"
- 无电荷代表逻辑 "0"
DRAM 之所以称为"动态"存储器,是因为存储在电容器中的电荷会随时间自然泄漏,需要定期刷新来保持数据的完整性。开关 (Q) 就是用来控制这个刷新过程的。
这种基于电容器存储数据的结构是DRAM的核心特点,使其能够实现高密度、低成本的存储,但同时也带来了需要定期刷新的动态特性。
ROM
只读存储器 (Read-Only Memory) 是一种非易失性存储器，意味着即使在断电的情况下，存储在其中的数据也不会丢失。
特点
- 非易失性：数据在没有电源时依然保留。
- 只读：通常情况下，数据在制造时写入，用户不能随意修改（虽然有些类型的ROM可以进行有限的写入），(随着技术的迭代，现在的ROM也可以写，不仅仅是读)。
- 速度较快：访问速度通常比传统的硬盘驱动器快。
类型
- MASKROM (可编程只读存储器)：用户可以编程一次，之后数据无法更改。
- EPROM (可擦除可编程只读存储器)：可以通过紫外线擦除并重新编程。
- EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)：可以通过电信号擦除并重新编程，通常用于存储较少量的数据。
用途
- 固件存储：通常用于存储设备的固件，例如计算机的BIOS或嵌入式系统的操作程序。
- 启动过程：计算机在启动时会读取ROM中的指令来初始化硬件和加载操作系统。
优点
- 数据安全性：由于数据不易被修改，ROM是存储关键系统信息的理想选择。
- 低功耗：在不需要频繁写入的情况下，ROM的功耗相对较低。
缺点
- 不灵活：与可变存储器（如RAM）相比，ROM不适合频繁更改的数据存储。
- 写入速度慢：如果需要重新编程，过程可能较慢，特别是在EPROM和PROM中。
MASK ROM
- 特点：数据在出厂时通过特殊工艺固化，生产后不可修改。
- 用途：适合大批量生产且数据不需更改的场合，成本相对较低。
PROM（可编程只读存储器）
- 特点：用户可以编程一次，之后数据不可更改。
- 用途：适合需要一次性写入的应用。
EPROM（可擦除可编程只读存储器）
- 特点：可以通过紫外线擦除并重新编程，具有可重复使用的特性。
- 用途：曾用于开发和测试，但因需要专用设备而逐渐被淘汰。
EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）
- 特点：可以通过电信号擦除和重新编程，支持按字节修改。
- 用途：广泛用于存储配置数据和小型程序，是现代ROM芯片的主流。
Flash（闪存）
- 特点：一种改进的EEPROM，支持更大容量的存储，擦除时通常以块为单位。
- 用途：广泛用于USB闪存驱动器、固态硬盘（SSD）和其他移动设备。
Flash
Flash存储器是一种广泛使用的非易失性存储技术，具有快速读写速度和高密度存储能力。
1. 定义
Flash存储器是一种可以电可擦除并可编程的存储器，数据在断电后仍然保存。它通常用于各种电子设备，如手机、相机、USB闪存驱动器和固态硬盘（SSD）。
2. 工作原理
Flash存储器由大量存储单元组成，每个单元可以存储一定数量的比特。其基本原理如下：
- 存储单元：Flash使用浮栅晶体管来存储电荷，电荷的存在或缺失表示二进制的“1”或“0”。
- 块擦除：Flash存储器通常以块为单位进行擦除，而不是按字节，这使得写入和擦除的速度较快。
3. 类型
Flash存储器主要分为两种类型：
3.1 NAND Flash
- 特点：存储单元以串联方式排列，适合大容量存储，读写速度快。
- 用途：广泛用于SSD、USB闪存驱动器和SD卡。
3.2 NOR Flash
- 特点：存储单元以并联方式排列，能够随机访问每个存储单元，读速度快，但写入速度较慢，容量通常较小。
- 用途：用于存储代码和固件，常见于嵌入式系统和某些移动设备。
4. 优势
- 高速度：相比传统的磁盘存储，Flash的读写速度更快。
- 耐用性：没有机械部件，抗震动能力强。
- 低功耗：在待机状态下消耗的电力较少，适合移动设备。
- 小型化：体积小、重量轻，便于集成到各种设备中。
5. 缺点
- 写入次数限制：每个存储单元的擦写次数有限，通常在几千到几万次之间。
- 成本：虽然价格逐渐下降，但大容量的Flash存储器仍然比HDD贵。
- 数据保持时间：长时间不供电可能导致数据逐渐丢失，尤其是在高温环境下。
6. 应用
Flash存储器的应用非常广泛，包括：
- 移动设备（智能手机、平板电脑）
- 存储卡（SD卡、microSD卡）
- 固态硬盘（SSD）
- USB闪存驱动器
- 嵌入式系统（如物联网设备）
