计组 | 半导体存储体系

存储器是计算机的一个组成部件。它的进化反应了平衡的思想。

有一个很直觉的问题是：为什么不直接采用一样的材料进行存储器的设计呢？毕竟，分出 Cache、内存、外存这些，好复杂！为什么不能简单点？

因为存储器需要达到平衡，没有一个在各个方面都非常能打的存储器。总的来说，在存储器方面有 3 个评判标准：

在市场经济中，价格是最终的判则，否则没人购买商品。因此，在价格的限制下，如果存储器的速度很快，容量就不会做的特别大。反之亦然。

在计算机的不同存储层次中，确实对不同层次的存储器有不同的要求。比如说，需要一些存储器像仓库一样，存储大容量的数据。也需要一些存储器需要像信使一样，快速地把数据传递给 CPU。

总而言之，我们的目标就是：让不同能力、各有优缺点的存储器结合在一起，使他们在价格、速度、容量上都发挥出最好的效果。

从快速到慢速，从靠近 CPU 到远离 CPU，有这样一些存储器：

这里主要讨论半导体存储器，可以大概分为两类：随机存储器(RAM) 和只读存储器(ROM)。还有一类是磁存储器，不太讨论。

RAM

RAM 的特性是掉电就会删除，分成 SRAM 和 DRAM，其中的 S 和 D 分别表示 Static 和 Dynamic.

静态的随机存储器，好处是访问速度快，而且只要通电就可以保持内容不丢失（不用刷新，见 DRAM）。一次性接收行列地址。不足是集成度比较低，而且耗电量高（因为在任一时刻总有晶体管导通）。

动态的存储器，好处是和前者对立的。集成度高。但不足是访问速度慢，需要分别提供行列地址（不过这也意味着它的地址总线数量比 SRAM 少）。以及需要定期刷新才能保持单元中的值。

在此基础上，发展出了 SDRAM，这里的 S 表示 Synchronous，同步的意思。同步，也就是各种对它的操作都要和时钟同步。

这里可以深入一个刷新的时间问题。到底什么时候刷新比较好呢？可以连续地（集中式）刷新所有行（刷新是按行来的，一次就可以刷新一行），也可以读取一行刷新一行（分散式），当然最后普遍采用的方法是异步式的。所谓异步式，就是根据刷新周期 / 行数，看一个周期需要刷新多少次，然后让刷新均匀地分布在整个周期中。

举的一个例子是政府部门和办事群众的例子。集中式的方法像每周五下午不对外办公，集体开会；后者像办事一小时，开会一小时（哪来那么多会开呢，效率浪费）；最后的方法类似于以办事为重点，没事再开会。

如果 CPU 可以在指令译码阶段刷新，效率就更高了。

在 SDRAM 的基础上，发展出了 DDR，Double Date Rate，在时钟的上升沿和下降沿分别进行一次存取操作，所以是 2 倍速。

ROM 的意思是 Read Only Memory，不过现在也不一定是只读的了。

一开始确实是只读存储器。最早期的 ROM 需要客户把想要写入的内容发送给厂家，厂家把写好的器件交付后，就不能再更改其中的值了。

这样很不方便：

因此，后续出现了 PROM，P 是 Programmable 的意思。厂家发送一个空白芯片，由客户写入内容。不过，写入之后，还是无法再次改写了。

为了解决这个问题，出现了 EPROM，E 是 Erasable 的意思，特指用紫外线可擦除的 ROM。需要把器件拆下来，放到紫外线灯下照射十几分钟，然后再次写入。

虽然可以擦写了，但仍然不方便，因此后来出现了电可擦除的 PROM，EEPROM 或者 $E^{2}PROM$，EE 表示 Electrically Erasable，电可擦除。

电可擦除的好处是，不需要把器件拆下来，在机器上提供电信号就可以擦写了。

后来，人们又研究出来了更快速的 EEPROM。为了强调它速度快，所以叫 Flash。分成 NOR 型和 NAND 型。