不同类别存储器基本原理

来源：宇芯有限公司 日期：2020-06-18 10:57:24

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存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。存储器可分为主存储器(简称主存或内存)和辅助存储器(简称辅存或外存)两大类。和CPU直接交换信息的是主存。主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息，统称访问存储器。计算机的存储器可分成内存储器和外存储器。内存储器在程序执行期间被计算机频繁地使用，并且在一个指令周期期间是可直接访问的。外存储器要求计算机从一个外贮藏装置例如磁带或磁盘中读取信息。

存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器分SRAM和DRAM；非易失性存储器以Nor-flash和Nand-flash为典型代表。

DRAM

DRAM cell结构由1个MOS和1个电容组成，由电容是否带电荷来区分0和1。不过，由于电容漏电流的原因，DRAM无法长时间保存数据，需要“动态”刷新（刷新周期在亚ms级别）。
 

 

 

SRAM

SRAM cell有多种不同结构，下图为6个MOS组成的SRAM cell。M1/M2、M3/M4分别为2个反相器，在供电情形下可以锁住0/1信息，不需动态刷新。
 

 

 

Flash

不管是Nor-flash还是Nand Flash，单位cell的结构都类似如下，为双gate的MOS结构。中间一层floating gate无漏电存在，可以保存住电荷而实现非易失。
 

 

 
Floating gate上电荷转移需要外加电压实现。在Control gate和沟道之间施加的反向电压可以去除电荷，也即擦除erase操作。在Control gate和沟道或source 之间施加正向电压可以将电荷转移到floating gate上。
 

 

 

NOR FLASH的结构和特性

通过NOR FLASH的结构原理图，可见每个Bit Line下的基本存储单元是并联的，当某个Word Line被选中后，就可以实现对该Word的读取，也就是可以实现位读取（即Random Access），且具有较高的读取速率。
 

 

 
 

 

 
（1）基本存储单元的并联结构决定了金属导线占用很大的面积，因此NOR　FLASH的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于code-storage，不适用于data-storage。
（2）基本存储单元的并联结构决定了NOR FLASH具有存储单元可独立寻址且读取效率高的特性，因此适用于code-storage，且程序可以直接在NOR 中运行（即具有RAM的特性）。
（3）NOR FLASH写入采用了热电子注入方式，效率较低，因此NOR写入速率较低，不适用于频繁擦除/写入场合。

NAND FLASH的结构和特性

通过NAND FLASH的结构原理图，可见每个Bit Line下的基本存储单元是串联的，NAND读取数据的单位是Page，当需要读取某个Page时，FLASH 控制器就不在这个Page的Word Line施加电压，而对其他所有Page的Word Line施加电压（电压值不能改变Floating Gate中电荷数量），让这些Page的所有基本存储单元的D和S导通，而我们要读取的Page的基本存储单元的D和S的导通/关断状态则取决于Floating Gate是否有电荷，有电荷时，Bit Line读出‘0’，无电荷Bit Line读出‘1’，实现了Page数据的读出，可见NAND无法实现位读取（即Random Access），程序代码也就无法在NAND上运行。
 

 

 
 

 

 
基本存储单元的串联结构减少了金属导线占用的面积，Die的利用率很高，因此NAND FLASH存储密度高，单bit成本低。适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于data-storage。

不同类别存储器在PC系统中的位置

 

 

从单bit成本来看：NAND<NOR<DRAM<SRAM
 

从读取速度来看：NAND<NOR<DRAM<SRAM

关键词：SRAM   

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