嵌入式开发人员必知,深入解析SRAM、SDRAM等存储技术-58码农网

嵌入式开发人员了解SRAM、SDRAM等存储技术非常重要，因为这些技术是嵌入式系统设计中不可或缺的组成部分。以下是嵌入式开发人员需要了解的几种存储技术：
1. "SRAM（静态随机存取存储器）"： - "特点"：SRAM不需要刷新，因此读写速度快，功耗低，但成本较高，存储容量较小。 - "应用"：通常用于缓存、寄存器文件、FIFO缓冲区等，因为它的高速特性可以提高系统的性能。
2. "SDRAM（同步动态随机存取存储器）"： - "特点"：SDRAM与CPU同步工作，读写速度较快，但需要刷新电路，功耗相对较高。 - "应用"：常用于个人电脑的主板内存，因为它可以提供较大的存储容量和较高的性能。
3. "DDR SDRAM（双倍数据速率同步动态随机存取存储器）"： - "特点"：DDR SDRAM在时钟周期的上升沿和下降沿各传输一次数据，因此数据传输速率是SDRAM的两倍。 - "应用"：广泛应用于个人电脑和服务器的主板内存。
4. "DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM"： - "特点"：这些是DDR SDRAM的后续版本，具有更高的数据传输速率和更低的功耗。 - "应用"：与DDR SDRAM类似，用于个人电脑和服务器的主板内存。
5

相关内容：

现在嵌入式处理器中的RAM内存类型主要为SRAM与SDRAM，微型处理器如Cortex-M内核系列MCU的RAM基本上是内置的，以SRAM为主，容量大小基本上为几K至几百K级别；而基于Cortex-A内核系列处理器，应用RAM需要外置，基本上采用SDRAM类型外部存储器，容量基本上达到几百M级别；而对于处理能力更强的电脑CPU，其内存以SRAM加SDRAM结合的方式，SRAM作为cache缓存（是CPU与SDRAM的中继），而SDRAM作为外部大容量的内存（如通用的DDR内存条）。

现代RAM存储技术是在半导体技术发明，特别是晶体管与MOS管发明下的产物，而在半导体技术发明前，信息的存储技术经历过多个发展阶段，早期媒介记录（如纸张）、穿孔卡片、电子管技术、磁技术、半导体技术等，见下表：

一、早期媒介记录

人类在通过媒介记录信息前，都是通过大脑记录信息，然后通过回忆来还原所需要的信息（人脑就是内存和硬盘），但是人脑容易遗忘，于是原始社会人类便开始了对信息存储的探索和使用，比如下面就是早期常用的记录方式：

1、结绳记事的方法。

2、雕刻的方法，将信息记录在石头、龟甲等坚硬的物体表面保存信息。例如：万年前的史前洞穴壁画，公元前1300年前商朝的甲骨文，及春秋战国时期的竹简等。

3、古代帛书，西汉初期（公元前202年）造纸术的发明及东汉（105年）蔡伦对造纸术的改进，使得信息记录、传播和传承有了革命性的进步，这也极大促进了人类文明和文化传播。

公元四世纪，造纸术传到了高丽（今朝鲜）；

公元610年，造纸术传到日本；

公元10世纪，造纸技术传到了阿拉伯地区，如现在叙利亚的大马士革、埃及的开罗和摩洛哥；

欧洲人是通过阿拉伯人了解造纸技术的：

公元1150年，阿拉伯人将造纸术传到了西班牙；

公元1276年，意大利也有了造纸技术；

公元1348年，法国巴黎也建立了造纸厂；

公元14世纪，德国通过法国得到了造纸技术；

公元15世纪，英国因为与欧洲大陆有一海之隔，晚些才有造纸厂；

公元1573年，瑞典建立了最早的造纸厂；

公元1635年，丹麦也开始造纸；

公元1690年，挪威建立奥斯陆造纸厂；

到了17世纪欧洲各主要国家都有了自己的造纸业。

公元1690年，美国在独立之前，才在费城附近建立了第一家造纸厂。

二、穿孔卡片

纸的发明使得历史信息能够被记录并且被传承，有了纸才有后面的穿孔卡片技术。随着18世纪工业革命的发起，机械化生产开始代替了人类手工操作，穿孔纸片/卡片就是这时候开始出现的，其利用在纸张上打上小孔，来控制“程序化”的织机和其他工业机器。

穿孔纸片的思路来源于织布机的原理，织布机是由两条以上相互垂直的丝线，在织机上按照一定规律相互交织而形成的织物，纵向的纱线叫经纱，横向的纱线叫纬纱。

在织机上，经纱在经轴上逐根排列，根据织物纹样的要求，部分经纱被抬起，另一部分经纱则保持不动形成织口，纬纱从织口中引入，经纱抬起的规律不同以及纱线颜色的排列变化，就会给织物带来不同的纹样。

基于此，穿孔纸带技术首先开始应用于纺织行业，后面逐渐应用于电报及电脑行业，如下所示：

1725年，法国人布乔（Basile Bouchon）发明了穿孔卡，用于控制纺织机绘制图案；

1801年，Joseph Marie Jacquard将这种设计的打孔卡按照一定顺序捆绑，应用于提花织机；

1846年，Alexander Bain发明了传真机和电传电报机，也使用了穿孔纸带来表示指令，纸带上每一行代表一个字符，利用二进制编码：带孔为1，无孔为0，经过光电扫描输入电脑，如下图：

1890年，穿孔卡片由一位毕业于哥伦比亚大学的年轻人赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）广泛应用于人口普查中的数据存储。

在人口普查中的穿孔卡片，一张卡片记录一个居民的信息，包括国籍、人种、性别、生日等；比如在卡片上用了两个孔位，表示男性就在其中一处打孔，表示女性就在另一处打孔，表示12个月就是12个孔位，这就是早期穿孔卡片记录信息的方法，该方法虽然现在看起来很傻，但是这些在当时可以被机器识别的卡片是一个巨大的突破。通过穿孔有无来表示信息，也是现代计算机二进制1、0来表示数据的雏形。

1896 年前，霍尔瑞斯成立制表机公司，专注于穿孔卡片的改进与发展；1911 年，制表机公司与另外 3 家公司合并成立 CTR 公司；1924 年，CTR 更名为国际商业机器公司（International Business Machines Corporation），就是现在大名鼎鼎的 IBM 公司。

IBM公司在1928年发明的12行80列的穿孔卡片，在当时成为信息记录的主流，特别是用于记录程序代码，每张卡片记录一行代码，如下图所示（黑色框表示已打孔）：

上图所示为12*80穿孔卡片，从上往下分别分为第12行，第11行，第10行（或者第0行），第1,2,...,9行；其中红色方框的数字1-80表示80个列号。

这样一张的穿孔卡片可以表示一行代码，每一列表示一个数字或字母，一张卡片可以表示80个数字或字母，规则如下：

举例说明，还是以上图所示取5列说明每一列所代表的字母，如下图所示：

a.红色圈1是第2列，因为第12、11、10行没有打孔，只有第1行打黑色孔，代表数字1；

b.红色圈2是第3列，因为第12、11、10行没有打孔，只有第2行打黑色孔，代表数字2；

b.红色圈3是第7列，因为第11行打孔，第7也打孔，根据编码规则2，表示字母P;

c.红色圈4是第9列，因为第12行打孔，第6也打孔，根据编码规则1，表示字母F;

d.红色圈5是第18列，因为第10行打孔，第3也打孔，根据编码规则3，表示字母T;

再举例一个，如下图所示，第1列至第36列的黑色打孔点，根据如上编码规则，分别表示数字0到9，字母A到Z，共36个数字和字母。

穿孔卡片在当时应用非常广泛，20世纪初的IBM计算机，如IBM701就是使用穿孔卡片来保存程序数据，但那个年代的编程并不是手动在这些卡片上打孔，有个叫键盘打孔器（keypunch）的设备可以专门用来打孔，键盘上输入1, 就在当前列的第1行打一个孔，然后到下一列。负责用键盘打孔器打孔的操作员通常是女性，所以编程整体流程上是：

二、磁存储器

利用穿孔卡形式的机械存储，信息的读取和写入，都依赖于纸带上孔的设计。随着电磁学的发展，从机械自动化逐步发展到电气自动化。存储核心是利用两个状态二进制来表征数据信息。磁性材料，利用磁矩的取向，也可以实现两态，从而替代机械打孔。并且表征每个形态的体积相对于机械孔而言，可以做到更小，从而可以实现更高的存储密度。后续出现的磁带存储技术，一定程度上还保留着打孔卡设计的影子。

磁性材料作为存储介质的存储类型有很多，包含有磁带、磁鼓、磁芯、磁阻、以及后面应用于计算机的磁盘等等。

2.1、磁带存储

1928年，德国德雷斯诺工程师Fritz Pfleumer 发明了“会发声的纸”——录音磁带。其基本工作原理是：将粉碎的磁性颗粒用胶水粘在纸条上，制备成磁带。磁带在移动过程中，随着音频信号强弱，磁带被磁化程度也会发生变化，从而记录声音。利用该纸带可以存储模拟信号，这是利用磁性作为信息存储的最早记录。

1951年，磁带开始广泛用于计算机。

2.2、磁鼓存储器

1932年，IBM公司的奥地利裔工程师Gustav Tauschek发明了磁鼓存储器；它是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的，由于鼓筒旋转速度很高，因此加快了存取速度。直到1953年，磁鼓存储器才开始应用于IBM701计算机，作为内存储器。

2.3、磁芯存储器

1948年，华裔王安发明了磁芯存储器，最初的磁芯存储器只有几百个字节的容量。

1.磁芯存储器的写入原理是：一个铁氧体磁芯中间穿过一根导线，当导线中的电流向下时，根据右手螺旋法则产生了顺时针方向的磁场。反之，电流向上时则会产生逆时针方向的磁场。这里，可以把顺时针的磁场记做0。假如磁芯中已经记录了0，只要反向电流够大，就可以擦除掉这个0重新写入1。

2. 磁芯存储器的读出原理是：假设我们不知道某个磁芯中存储的是什么数据，那就强行向其中写入“0”。如果磁芯中记载的是1，电流会强制写入逆向的磁场，同时激发出一个感应电流。利用一根感应线路，就可以探测到这个感应电流。如果磁芯本来就记载着0，就不会产生电流。要想让磁芯存储数据，需要立刻进行重新写入。

磁芯搭建内存需要将磁性排布成阵列，早期的线选法通常和3度4线法（3D4W）配合，它需要使用四根线路。分别是互相垂直的x、y线（也可以叫行、列），禁止线z线，还有读取线，每颗磁芯都会同时穿过4根导线。读取线呈45°穿过所有磁芯的读取线，这种排列方式是为了尽可能减少干扰。写入数据时，在相应的x和y线上分别加载一半功率脉冲。这样只有在两条线重合点处的磁芯受叠加脉冲影响记录数据。读出时则如上文所述，强行写入数据1，如果读出线产生了感应脉冲，说明这颗磁芯原本记载为0，如果没有感应脉冲，说明原本记载的为1。读取进程结束后，如果原本记载为0时，因为读取时写入了1，需要进行重写进程，强行写回数据0。

下图为由磁芯板组成的磁芯阵列：

在50年代到70年代之间，磁芯存储器基本统治着内存领域。由于磁性存储器的存储速率上限为10MHz，在高存储容量时体积无法做小，且容易干扰，最终为磁性存储器的发展画上句号的是1970年发明的集成电路随机存储器件（SDRAM）。

2.4、硬盘（磁盘）存储器

1956年，IBM完成了世界上的第一款硬盘设计。这款名为IBM350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）的硬盘产品体积十分庞大，总共使用了50张24英寸的碟片，但容量仅为5MB。磁盘两面都可以利用存储，利用率要高于磁鼓。因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。

后面，随着技术的发展，磁盘作为计算机的主要存储介质，容量越来越大，体积反而越来越小。

三、其他类型存储器

为了数据存储，人们费尽了心血，几乎所有能利用的物理现象，电、光、声、磁都被探索过来，除了上面介绍的磁性材料外，还有许多其他的存储介质，如基于电子管的威廉姆斯管，基于水银延迟线的易失性存储器等。

3.1、电子管-威廉姆斯管

1946年，基于威廉姆斯管的内存是由弗雷迪·威廉姆斯（Freddie Williams）与汤姆·基尔伯恩(Tom Kilburn）发明的，它是一种由阴极射线管(CRT)构成的储存装置。工作原理是一股电子射到CRT表面上，它会自动创建一个正电荷，这代表了一个位的数据，因为电荷流失有时限性，因此，数据必须定期刷新。威廉姆斯kilburn管则要求高精度的光束控制技术，这使他们温度敏感和更容易失效。这些设备的存储能力可达1024位，IBM 701计算机就使用过。

电子管由于功耗大，效率低，稳定性差，不易于集成，后续完全被磁芯存储器给替代。

3.2、水银延迟线存储器

它是利用声音在水银介质上传输的时延来储存信息。举例，将一块石头掷入水中，形成波浪，波头经过一段时间才能传播到远方某处，在这一段时间的波浪用于存储信息，水银延迟线的就是利用这个工作原理。

1951年，计算机UNIVAC-1使用的水银延迟线是一根直径10mm、长150cm的管子，内部充满水银，两端各有一个转换器分别进行电-声转换和声-电转换，这样，脉冲信号从管子的一端进入，转换成超声波，960ms后超声波到达管子的另一端，然后再转换成电信号输出。

不过，要实现存储功能，还需要一些额外的电路：经调制的脉冲信号从管子的一端进入，960ms后从管子的另一端输出，由变换器接收后，经检测、放大、整形和再生，重新反馈到发送端。一个延迟线电路称作一个通道（channel），每个通道可存储10个91位的字，UNIVAC系统中共有100个这样的通道，可以存储99Kb的信息。

总之，在半导体技术之前，主存储器（即内存）有磁心存储器、水银延迟线存储器、电子管静电存储器等类型，磁鼓和磁盘用作主要的辅助存储器（即硬盘）。

在半导体技术出现后，主存储器开始采用SRAM/SDRAM（即内存），磁盘/ROM/FLASH开始用作主要的辅助存储器（即硬盘）。

四、半导体存储器

上世纪60年代，随着晶体管与CMOS技术的发明，及集成电路的发展，半导体存储器开始应用发展，除了出现了ROM存储外，RAM内存技术也同时发展，主要分为两个方向：SRAM与SDRAM。它们的区别主要在于存储单元的原理不同，如下图所示：

其中SRAM使用六个晶体管电路和锁存器存储一个bit，如果系统通电，SRAM会保留存储的数据而无需重复充电，但是掉电SRAM则数据丢失，因此是易失性存储器；而SDRAM使用一个晶体管另加一个电容器来存储一个bit，因为电容器不可避免地存在漏电现象，因此SDRAM每个单元必须周期性地进行刷新(预充电)，同样DRAM也是易失性的。

由于以上存储单元结构的不同，它们的主要区别是SRAM访问速度更快，但是成本更高，而SDRAM存储密度更高，并且成本低；因此SRAM一般是小容量，比如几个KB~几个MB之间大小，主要用于CPU的缓存cache或MCU的内部RAM；而SDRAM容量比较大，比如几个MB~几百个MB甚至几个GB大小，主要用于CPU的内存条或ARM等芯片的外置RAM。

4.1、SRAM

SRAM可以随机的读取任意一个地址空间内的数据，因此其采用的地址线与数据线分离的接口方式，比如以IS62WV51216这颗SRAM芯片为例简单介绍其接口与工作时序。

该芯片是一颗16位数据宽度，1MB大小的SRAM，芯片的内部框图图下图所示：

各个相关引脚的功能描述如下表所示：

1、地址线为A0~A18，共19根地址线，因此可以访问的地址大小就是，2^19=524288=512KB,因为其数据总线为16bit，因此每个地址可以输出2个字节数据，所以容量为512KB*2=1MB。

2、数据线为I/O0~I/O15，共16个数据线，通过UB/LB可以选择高/低字节。

3、CS1/CS2为片选信号，低电平有效。

4、OE是输出使能信号（即读信号），低电平有效。

5、WE是写使能信号，也是低电平有效。

读数据时序图（具体可参考IS62WV数据手册）：

写数据时序图：

4.2、DRAM

DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失。而SDRAM是Synchronous DRAM，在DRAM的基础上增加同步时钟，这样CPU可以准确的知道数据的读写时间。

DRAM经过多年的发展，大致经历过几个演进过程，早期使用的普通内存，使用的是FPA DRAM（FAST PAGE MODE DRAM），即快速页面模式随机存取存储器，它是每三个脉冲周期传送一次数据；然后EDO DRAM（ EXTENDED DATA OUT DRAM），即扩展数据输出随机存取存储器，它是每二个脉冲周期传送一次数据，比FPA DRAM数据速率提高了30%；随着SDRAM的出现，它是每一个脉冲周期传送一次数据，又比EDO DRAM提高了50%，后面慢慢出现了DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、DDR4 SDRAM，目前最新的为DDR5 SDRAM。

每一代的SDRAM内存升级，速率都翻倍提升，而工作电压越来越低，同时随着制造工艺的改进，存储容量也不断提升。目前动态存储器主要以SDRAM为主，在嵌入式MCU中，主要是外置SDRAM芯片来扩展内存，因为MCU内部的SRAM通常比较小；而在嵌入式ARM Cortex A系列处理器，其内部通常没有RAM供用户使用的，因此一般使用DDR-DDR3作为外置SDRAM；对于电脑处理器CPU而言，目前主要使用的是DDR4和DDR5。

在2008年前后，随着智能手机的兴起，面向移动电子产品的SDRAM应运而生，如LPDDR，即（Low Power Double Data Rate SDRAM），是DDR SDRAM的一种，又称为 mDDR(Mobile DDR SDRAM),是美国JEDEC固态技术协会（JEDEC Solid State Technology Association）面向低功耗内存而制定的通信标准，以低功耗和小体积著称。

LPDDR应用与手机和平板电脑中，工作电压1.1V，LPDDR5的I/O速率可达到6400MT/s，目前最新的小米11手机等都应用了LPDDR5内存，最高容量可达16GB。

4.2.1、SDRAM芯片

在嵌入式Cortex-M内核开发时，如果需要扩展大容量的内存，可以外挂一片SDRAM，以华邦W9825G6KH为例说明接口与时序。

W9825G6KH是一款16位宽，32MB的SDRAM，速率一般为133MHz、166MHz、200MHz。其内部框图如下：

其每个引脚功能描述如下表所示：

其中：

1、CLK就是SDRAM的同步时钟信号，CLE为时钟信号的使能线；CS为片选信号；

2、SDRAM与SRAM不同，其地址线与数据线共用，如上A0~A15，而地址选通有分为行选通信号RAS，及列选通信号CAS，通过行、列地址来指定读写的位置；

3、地址线A0~A12中，W9825G6KH芯片中行地址使用了A0~A12，共13位；列地址使用了A0~A8共8位；因此可寻址范围为：(2^9)*(2^13)=4194304=4MB；而数据总线宽度为16位，因此每个BANK的大小为4MB*2=8MB；由于该芯片可以通过BS1/BS0来选择4个BANK，每个BANK容量为8MB，因此总容量为8MB*4=32MB。

4、LDQM/UDQM也是其用于选择低/高字节使能信号。

4.2.2、DDR芯片

在嵌入式Cortex-A内核开发时，一般需要外置SDRAM，比如DDRx内存，现在以NT5CC256M16EP为例说明DDR3内存的接口功能。