软考知识点（更新）计算机组成存储器分类

存储器分类

存储器分为易失性存储器和非易失性存储器

  • 易失性存储器：断电就失忆，数据瞬间清零，典型的代表是RAM（随机存取存储器），比如DRAM和SRAM。
  • 非易失性存储器：断电也能硬扛，数据稳稳当当留着，比如Flash（闪存）和EEPROM。

易失性存储器–DRAM、SRAM区别

非易失性存储器

NOR Flash

  • NOR Flash 最大的特点是支持 XIP (Execute In Place)，可以直接在 Flash 上执行代码，而不需要将代码复制到 RAM 中。
  • 原理： NOR Flash 的存储单元以并行方式连接，每个存储单元都可以独立访问。
  • 特点
    • XIP (Execute In Place): 允许CPU直接在Flash上执行代码，无需先将代码复制到RAM中，节省了RAM空间和启动时间。
    • 读取速度快: 适合频繁读取的场景。
    • 擦写速度慢: 不适合频繁擦写的场景。
    • 按字节或字读取: 可以随机访问任意地址的数据。
    • 容量相对较小: 相对于NAND Flash，NOR Flash的容量通常较小。

NAND Flash

  • NAND Flash 最大的特点是容量大、成本低，适合存储大量数据。
  • **原理：**NAND Flash 的存储单元以串行方式连接，需要按块进行读写。
  • 特点：
    • 容量大：适合存储大量数据。
    • 成本低：相对于 NOR Flash，NAND Flash 的成本更低。
    • 擦写速度慢：不适合频繁擦写的场景。
    • 读取速度相对较慢：相对于 NOR Flash，NAND Flash 的读取速度较慢。
    • 按块 (Block) 擦除，按页 (Page) 读写：不能随机访问任意地址的数据。
    • 需要进行坏块管理：NAND Flash 存在坏块，需要在软件层面进行管理。
    • 不支持 XIP：不能直接在 Flash 上执行代码，需要先将代码复制到 RAM 中。

NOR Flash 和NAND Flash 怎么选？

  • 在选择NOR Flash和NAND Flash时，需要考虑以下因素：
    • 存储容量: 如果需要存储大量数据，选择NAND Flash。
    • 代码执行: 如果需要直接在Flash上执行代码，选择NOR Flash。
    • 读写速度: 如果需要频繁读取数据，选择NOR Flash；如果需要频繁擦写数据，需要谨慎选择，因为Flash的擦写次数有限制。
    • 成本: NAND Flash的成本比NOR Flash低。
    • 系统复杂性: NAND Flash需要进行坏块管理，系统复杂性较高。

EEPROM

  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 以其灵活的字节/页擦写能力而闻名，在嵌入式系统中常用于存储配置数据、校准参数等少量但需要频繁更新的数据。
  • **原理：**EEPROM 的存储单元使用浮栅晶体管，可以通过电信号擦除和写入数据。
  • 特点
    • 按字节/页擦写：可以单独擦除和写入 EEPROM 中的任意字节或页，非常灵活。
    • 容量相对较小：相对于 Flash，EEPROM 的容量通常较小。
    • 擦写速度慢：擦写操作需要较长时间。
    • 寿命有限：EEPROM 的擦写次数有限制。
    • 非易失性：断电后数据不会丢失。
    • 接口简单：通常使用 I2C 或 SPI 接口。

**MRAM **

  • MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)是一种新兴的非易失性存储器，它结合了SRAM的速度和Flash的非易失性，具有高速度、低功耗、高寿命等优点，被认为是下一代存储器的重要发展方向。
  • **原理：**MRAM 使用磁性材料来存储数据，通过改变磁性材料的磁化方向来表示 0 和 1。
  • 特点
    • 速度快：接近 SRAM 的速度。
    • 非易失性：断电后数据不会丢失。
    • 功耗低：比 SRAM 功耗低。
    • 寿命长：擦写次数几乎没有限制。
    • 抗辐射能力强：适用于恶劣环境。
    • 成本较高：目前 MRAM 的成本还比较高。
    • 容量相对较小：与 NAND Flash 相比，MRAM 的容量还比较小。

存储器选型：量身定制的解决方案

  • 选型原则：没有最好的，只有最合适的。 没有一种存储器是万能的，选型的关键在于找到与项目需求最匹配的方案。
  • 需要综合考虑以下几个关键因素：
    • 容量 (Capacity)：需要存储多少数据？
    • 速度 (Speed)：对读写速度要求有多高？
    • 易失性 (Volatility)：断电后是否需要保存数据？
    • 擦写次数 (Endurance)：需要擦写多少次数据？
    • 功耗 (Power Consumption)：对功耗要求有多高？
    • 成本 (Cost)：预算是多少？
    • 接口 (Interface)：单片机支持哪些接口？
    • 可靠性 (Reliability)：对数据安全要求有多高？
    • 工作温度 (Operating Temperature)：应用环境的温度范围？

选型流程：从需求出发，逐步缩小范围

  • 确定是否需要非易失性存储
    • 如果断电后数据需要保存，则选择 NAND Flash、NOR Flash、EEPROM、MRAM。
    • 如果断电后数据可以丢失，则选择 SRAM 或 DRAM。
  • 为了更直观了解，可以看下面这张图：
  • 额外的建议
    • 参考 datasheet：在最终选型之前，务必仔细阅读所选存储器的 datasheet，了解其详细参数和性能指标。
    • 评估软件开销：NAND Flash 需要复杂的 1FTL（Flash Translation Layer）来管理坏块，会占用额外的代码空间和资源。
    • 考虑供应链：确保所选的存储器有稳定的供货渠道。
    • 考虑兼容性和生态：比如 NAND Flash 和 NOR Flash 会涉及到不同的文件系统，需要考虑到单片机对其支持程度。

Footnotes

  1. FTL是指Flash Translation Layer（闪存转换层）。在该原文语境中，NAND Flash需要复杂的FTL来管理坏块，说明FTL是NAND Flash存储技术中用于处理坏块等问题的关键机制。 具体含义上，FTL是NAND Flash设备固件的核心组成部分，主要功能是实现逻辑地址与物理地址的映射转换，管理坏块、磨损均衡、垃圾回收等操作，以隐藏NAND Flash的硬件特性，提升SSD等存储设备的性能和可靠性。例如，它能将主机的逻辑块地址转换为闪存的物理块地址，处理数据写入时的“先擦后写”、垃圾回收、数据保存错误等问题，避免因闪存读写限制导致的数据干扰和存储效率低下。 延伸来看，FTL的实现方式可分为Host-Based和Device-Based两种。前者需厂商与用户深度合作，多用于企业级产品；后者在设备端通过控制器和RAM资源实现，更常见于消费级SSD。其算法优劣直接影响SSD的性能、可靠性和耐用性，是闪存类存储设备正常运作的关键技术。 ↩

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