计算机组成原理(13) 第二章 - DRAM SRAM SDRAM ROM
在计算机和电子设备中，存储器是核心组件之一，而 DRAM、SRAM 和 SDRAM 是三类常见的随机存取存储器（RAM） 技术。
1. DRAM芯片
DRAM 的 “动态” 指其数据需要周期性刷新才能保持。它的存储单元由1 个晶体管和 1 个电容组成，通过电容中存储的电荷数量表示二进制信息（电荷存在为 “1”，电荷流失为 “0”）。由于电容存在漏电现象，电荷会逐渐流失，因此需要每隔几毫秒（通常 64ms 以内）进行一次刷新操作，将数据重新写入电容。
核心特点
- 结构简单：单个存储单元仅需 1 个晶体管和 1 个电容，集成度高（相同芯片面积下存储容量远大于 SRAM）。
- 成本低：单位存储容量的制造成本远低于 SRAM，适合大规模存储。
- 速度较慢：由于存在刷新操作和电容充放电延迟，访问速度比 SRAM 慢（通常数十纳秒）。
- 功耗较高：刷新操作会消耗额外能量，且工作时的功耗高于静态存储，但低于早期的 DRAM 类型。
应用场景
2.SRAM
RAM 的 “静态” 指其数据无需周期性刷新即可保持。它的基本存储单元由6 个晶体管（MOSFET） 组成一个双稳态触发器电路，通过两个交叉耦合的反相器形成稳定的高低电平状态，分别代表二进制的 “1” 和 “0”。只要持续供电，存储的数据就会一直保持。
- 计算机的内存（主存），如 DDR4、DDR5 内存模块，用于临时存储运行中的程序和数据。
- 智能手机、平板电脑等移动设备的内存，以及游戏主机、服务器的主存储。
核心特点
速度快：访问延迟极低（通常在纳秒级），是目前速度最快的 RAM 类型之一，适合高速缓存（Cache）等场景。 结构复杂：每个存储单元需要 6 个晶体管，集成度低（相同芯片面积下存储容量小）。
应用场景
- 计算机 CPU 的一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、三级缓存（L3），直接与 CPU 核心连接，用于临时存储高频访问的数据和指令。
- 高性能微处理器、数字信号处理器（DSP）等对速度要求极高的芯片内部存储。
- 功耗较高：即使在空闲状态下也需要持续供电维持数据，静态功耗较大。
- 无需刷新：省去了刷新电路，简化了控制逻辑，但增加了硬件成本。
3. SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存取存储器）
SDRAM 是 DRAM 的一种改进型，其核心存储单元仍基于电容和晶体管（与 DRAM 相同），但引入了同步时钟机制。它的操作（如地址输入、数据读写）与外部时钟信号同步，通过时钟边沿控制数据传输的时序，提高了数据传输效率。
核心特点
- 同步工作：与 CPU 或北桥芯片的系统时钟同步，避免了异步 DRAM 中的时序混乱问题，数据传输速率更高。
- 突发传输：支持突发读写模式，一旦确定起始地址，可连续传输多个数据块（如 4、8、16 个数据），减少了地址线反复切换的开销。
- 演进性强：从早期的 SDRAM（如 PC100、PC133）发展出 DDR SDRAM（双倍数据率同步 DRAM）、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5 等系列，性能不断提升。
应用场景
- 现代计算机的主内存：目前主流的 DDR4、DDR5 内存均属于 SDRAM 的演进版本，是 PC、服务器、工作站的核心存储组件。
- 消费电子设备：如智能电视、游戏主机（如 PS5、Xbox Series X 采用 DDR5 内存）等需要高带宽内存的设备。
4. 三者对比总结
| 特性 | SRAM | DRAM（异步） | SDRAM（含 DDR 系列） |
|---|---|---|---|
| 存储单元结构 | 6 个晶体管 | 1 个晶体管 + 1 个电容 | 1 个晶体管 + 1 个电容 |
| 集成度 | 低（容量小） | 高（容量大） | 高（容量大） |
| 访问速度 | 最快（ns 级，<10ns） | 较慢（数十 ns） | 较快（同步优化，数 ns 到数十 ns） |
| 是否需要刷新 | 无需刷新 | 需要刷新 | 需要刷新 |
| 功耗 | 静态功耗高 | 刷新功耗高 | 同步优化后功耗降低 |
| 成本 | 高（单位容量） | 低 | 中低（随技术演进优化） |
| 典型应用 | CPU 缓存 | 早期计算机内存 | 现代计算机主内存 |
5. ROM 芯片
ROM（Read-Only Memory，只读存储器）是计算机和电子设备中一类非易失性存储器，其特点是数据一旦写入，在断电后仍能长期保存，且正常工作时通常只能读取数据而不能（或不易）修改。ROM 在系统启动、固件存储等场景中发挥着关键作用。
一、ROM 的核心特性
- 非易失性：断电后数据不会丢失，这是与 RAM（随机存取存储器）最核心的区别。
- 只读性：设计初衷是 “只能读取”，但现代 ROM 衍生出多种可改写类型（需特定条件）。
- 稳定性高：结构简单，抗干扰能力强，适合存储长期不变的关键数据。
- 访问速度：通常慢于 SRAM，但快于硬盘、闪存等外部存储设备。
二、ROM 的主要类型
随着技术发展，ROM 衍生出多种类型，核心差异在于数据写入方式和可改写性：
1. 掩膜 ROM（Mask ROM，MROM）
- 原理：数据由芯片制造商在生产过程中通过光刻 “掩膜” 工艺写入，一旦生产完成，数据永久固定，无法修改。
- 特点：制造成本低（适合大规模量产），但灵活性极差，修改数据需重新制作掩膜。
- 应用：早期游戏机卡带、批量生产的嵌入式设备固件（如遥控器、小家电）。
2. 可编程 ROM（Programmable ROM，PROM）
- 原理：出厂时芯片为空白，用户可通过专用编程器写入一次数据（“编程”），但写入后无法修改（熔丝或反熔丝结构，写入时不可逆熔断）。
- 特点：支持用户自定义数据，但 “一次性可编程”，适合小批量定制场景。
- 应用：早期工业控制设备、特定专用集成电路（ASIC）的配置存储。
3. 可擦除可编程 ROM（Erasable Programmable ROM，EPROM）
- 原理：采用浮栅晶体管结构，数据可通过紫外线（UV）照射芯片顶部的石英窗口擦除，之后可重新编程写入。
- 特点：可多次擦写（通常数百次），但擦除操作耗时（需数分钟）且需拆卸芯片暴露在紫外线下，操作不便。
- 应用：20 世纪 80-90 年代的微控制器固件、早期计算机 BIOS 芯片。
4. 电可擦除可编程 ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）
- 原理：同样基于浮栅晶体管，但擦除和编程可通过电信号完成（无需紫外线），且支持按字节或区块擦写。
- 特点：擦写方便（无需拆卸芯片）、可重复擦写（数万至百万次），但擦写速度较慢，容量通常较小。
- 应用：主板 BIOS（后期）、存储卡（如早期 CF 卡）、嵌入式系统的配置参数存储（如设备序列号、校准数据）。
5. 闪存（Flash Memory）
- 原理：属于 EEPROM 的演进版本，采用区块擦写方式（一次擦除多个字节），平衡了容量、速度和成本。
- 特点：容量大（从 MB 到 TB 级）、擦写速度快于传统 EEPROM、可多次擦写（十万至百万次），是目前应用最广泛的非易失性存储器。
- 分类：
- NOR 闪存：支持随机访问，读取速度快，适合存储程序代码（如手机基带程序）。
- NAND 闪存：密度更高、成本更低，连续读写速度快，适合存储大量数据（如 U 盘、固态硬盘 SSD、存储卡）。
- 应用：固态硬盘（SSD）、U 盘、手机存储（eMMC/UFS）、智能手表等消费电子设备。
