RAM、DRAM、SD卡

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. ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的区别
. 内存工作原理
. DRAM基本结构与原理
. SD卡基本结构与原理

1. ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的区别

0x1: ROM

ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM是Read Only Memory的缩写，ROM也有很多种

. PROM是可编程的ROM: PROM是一次性的，也就是软件灌入后，就无法修改了，这种是早期的产品，现在已经不可能使用了
. EPROM(可擦除可编程ROM): EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序，是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子檫除，价格很高，写入时间很长，写入较慢

0x2: RAM

RAM是Random Access Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。RAM有两大类

. 一种称为静态RAM(Static RAM/SRAM): SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲
. 另一种称为动态RAM(Dynamic RAM/DRAM)，DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的

0x3: DRAM

DRAM分为很多种，常见的主要有

. FPRAM/FastPage
. EDORAM
. SDRAM
. DDR RAM: DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势，事实上击败了Intel的另外一种内存标准-Rambus DRAM。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力
. RDRAM
. SGRAM
. WRAM等

0x4: SRAM

常用于CPU 1、2级缓存

0x5: FLASH

FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势)，U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统(例如单片机存储bootloader程序代码)一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码、或者直接当硬盘使用(U盘)
目前Flash主要有两种

. NOR Flash: NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本
. NADN Flash: NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码 

一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(Disk On Chip)和我们通常用的"闪盘"，可以在线擦除。目前市面上的FLASH 主要来自Intel，AMD，Fujitsu和Toshiba，而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba

Relevant Link:

http://www.21ic.com/jichuzhishi/mcu/memory/2014-04-23/322864.html

2. 内存工作原理

内存是用来存放当前正在使用的(即执行中)的数据和程序，我们平常所提到的计算机的内存指的是动态内存(即DRAM)，动态内存中所谓的"动态"，指的是当我们将数据写入DRAM后，经过一段时间，数据会丢失，因此需要一个额外设电路进行内存刷新操作，具体的工作过程是这样的

. 一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0
. 但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因
. 刷新操作定期对电容进行检查
    ) 若电量大于满电量的1/，则认为其代表1，并把电容充满电
    ) 若电量小于1/，则认为其代表0，并把电容放电
. 藉此来保持数据的连续性

0x1: 内存寻址

首先，内存从CPU获得查找某个数据的指令，然后再找出存取资料的位置时(这个动作称为"寻址")，它先定出横坐标(也就是"内存条列地址")，再定出纵坐标(也就是"内存条行地址")，这就好像在地图上画个十字标记一样，非常准确地定出这个地方
对于电脑系统而言，找出这个地方时还必须确定是否位置正确，因此电脑还必须判读该地址的信号，横坐标有横坐标的信号(也就是RAS信号，Row Address Strobe)，纵坐标有纵坐标的信号(也就是CAS信号，Column Address Strobe)，最后再进行读或写的动作

0x2: 内存传输

为了储存资料，或者是从内存内部读取资料，CPU都会为这些读取或写入的资料编上地址(十字寻址方式)，之后，CPU会通过地址总线(Address Bus)将地址送到内存，然后数据总线(Data Bus)就会把对应的正确数据送往微处理器，传回去给CPU使用

0x3: 存取时间

存取时间，指的是CPU读或写内存内资料的过程时间，也称为总线循环(bus cycle)。以读取为例，从CPU发出指令给内存时，便会要求内存取用特定地址的特定资料，内存响应CPU后便会将CPU所需要的资料送给CPU，一直到CPU收到数据为止，便成为一个读取的流程
因此，这整个过程简单地说便是CPU给出读取指令，内存回复指令，并丢出资料给CPU的过程。我们常说的6ns(纳秒)就是指上述的过程所花费的时间，而ns便是计算运算过程的时间单位。我们平时习惯用存取时间的倒数来表示速度，比如6ns的内存实际频率为1 / 6ns = 166MHz(如果是DDR就标DDR333，DDR2就标DDR2 667)
Relevant Link:

http://wenku.baidu.com/link?url=zemB5_DVmXNKc-pmWe6hqftseYng09vnxiZfIz-Q7PRS4updYhZdajB5zHdjj_44YRNxlNVs2p2JyCPnt4zFapVA1bx0dgIPxnGMeeBICFW

3. DRAM基本结构与原理

DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存储器，也就是我们常说的计算机内存，在现代计算机系统和SOC系统中有很重要的作用

0x1: 组成部件

. PCB板 
内存条的PCB板多数都是绿色的。如今的电路板设计都很精密，所以都采用了多层设计，例如4层或6层等，所以PCB板实际上是分层的，其内部也有金属的布线。理论上6层PCB板比4层PCB板的电气性能要好，性能也较稳定，所以名牌内存多采用6层PCB板制造。因为PCB板制造严密，所以从肉眼上较难分辩PCB板是4层或6层，只能借助一些印在PCB板上的符号或标识来断定

. 金手指 
黄色的接触点是内存与主板内存槽接触的部分，数据就是靠它们来传输的，通常称为金手指。金手指是铜质导线，使用时间长就可能有氧化的现象，会影响内存的正常工作，易发生无法开机的故障，所以可以隔一年左右时间用橡皮擦清理一下金手指上的氧化物

. 内存芯片 
内存的芯片就是内存的灵魂所在，内存的性能、速度、容量都是由内存芯片组成的

. 内存颗粒空位
. 电容 
PCB板上必不可少的电子元件就是电容和电阻了，这是为了提高电气性能的需要。电容采用贴片式电容，因为内存条的体积较小，不可能使用直立式电容，但这种贴片式电容性能一点不差，它为提高内存条的稳定性起了很大作用

. 电阻 
电阻也是采用贴片式设计，一般好的内存条电阻的分布规划也很整齐合理

. 内存固定卡缺口
内存插到主板上后，主板上的内存插槽会有两个夹子牢固的扣住内存，这个缺口便是用于固定内存用的

. 内存脚缺口 
内存的脚上的缺口一是用来防止内存插反的(只有一侧有)，二是用来区分不同的内存，以前的SDRAM内存条是有两个缺口的，而DDR则只有一个缺口，不能混插

. SPD 
SPD是一个八脚的小芯片，它实际上是一个EEPROM可擦写存贮器，他的容量有256字节，可以写入一点信息，这信息中就可以包括内存的标准工作状态、速度、响应时间等，以协调计算机系统更好的工作。从PC100时代开始，PC100规准中就规定符合PC100标准的内存条必须安装SPD，而且主板也可以从SPD中读取到内存的信息，并按SPD的规定来使内存获得最佳的工作环境

0x2: 基本电路结构

图中的基本结构单元是1T1C(1 Transistor - 1 Capacitor)。其工作的大致原理是: 当Word Line选通时，晶体管导通，从而可以从Bit Line上读取存储在电容器上的位信息
此外由DRAM基本电路结构图，我们可以知道DRAM的信息是存储在在电容当中，而电容中的电荷会因为漏电流存在原因而逐渐漏掉，因此需要不断refresh(刷新)，这也是DRAM称为动态的原因。例如，90nm工艺下，DRAM的cell单元的电容量是30pf，它的漏电流是1fA，漏光的时间是随着温度的变化而变化的。现在的DRAM的刷新时间一般是32ms或者64ms

0x2: 堆电容(Stacked Capacitor)与沟电容(Trench Capacitor)

我们从更底层来了解DRAM存储电容，关于存储电容在现代业界也没有统一，仍然存在两大阵营，分别是堆电容(Stacked Capacitor)与沟电容(Trench Capacitor)，像三星这样的大公司使用是前者。因为这两种电容在任何DRAM中都是存在的而且是需要考虑到的

沟电容(Trench Capacitor)

堆电容(Stacked Capacitor)

trench电容是存在于深入到硅下面的，而stacked电容是存在于不同的多晶硅层中间。这两种电容分别有自己的优缺点

. trench电容是深入到硅下面的，相当于从二维到三维的拓展，可以保证在相同的电荷容量下，面积小，成本低，由于其表面平坦更易制造，使它更易集成到逻辑优化工艺技术里。由于深入到硅下面的，在上层的逻辑电路结构形成之前就存在，与上层电路无关，有利于电路优化
. stacked电容，由于是存在不同的多晶硅层之间的，因此bitline与多晶硅之间也会存在电容，且这种电容属于stacked 电容

0x3: 感应放大器

stacked 电容，如下图所示

由于每个Bitline上连着很多并联的Bitline Capacitor，因此存储电容大小远比Bitline 电容小，大约只有1/10。所以当transistor选同时，存储在存储电容上的电荷传输到Bitline时，Bitline上的电压变化很小，需要使用"差分比较放大器"

1. Open Bitline与Folded Bitline

差分比较放大器需要使用一对Bitline来感知DRAM中的信息，而且要保证用来做对比的两个Bitline在电压与电容值上是相互匹配的，所以他们的走线长度与连接的cell数（也就是并联的Bitline 电容数）必须非常接近。有两种常用的选择方法

. Open bitlines: 差分比较器的两个输入是来自两个不同的array
. Folded bitlines: 差分比较器的两个输入是来自两个相同的array 

Open Bitlines结构占用的面积比Folded Bitlines结构小，因为一个array只需要输出一个bitline，而后者需要输出两个bitline到比较器。但是Open Bitlines结构存在缺点

. 需要在DRAM的边界上使用假(dummy)array，为了满足bitlines pairs在长度和电容上都是匹配的要求
. 因为bitlines是来自不同的array，所以其受到噪声影响更大。在现代 DRAM中Open Bitlines结构几乎不用了
//但随着工艺的发展，理论上Open Bitlines的优点更大

2. 差分感应放大器

. 将bitline上的微小电压变化放大，并转化成数字信号
. 将被读的bit位所在的那一行基本单元cell的值重新存入cell(刷新)，因为在transistor打开时，存储在存储电容中的电荷将于bitline共享了(内存cell行bit信息读取的物理本质是并联分流)，存储在存储电容中的电荷变少了，因此需要将值再次存入cell(无论该bit是否被读，只要是同一行的都需要进行该步操作)
. 临时存储器的作用，临时存储bitline上的值 

Relevant Link:

http://blog.sina.com.cn/s/blog_70aaaf790101pakp.html
http://www.360doc.com/content/14/0902/09/19184777_406435453.shtml

4. SD卡基本结构与原理

SD存储卡(Secure Digital Memory Card)是特别为符合新出现的音频和视频消费电子设备的安全性、容量、性能和环境等要求而设计的一种存储卡。SD存储卡包含符合SDMI标准安全性的版权保护机制，速度更快而且存储容量更大。SD存储卡的安全系统使用双方认证和"新的密码算法"技术，防止卡的内容被非法使用。它还提供了一种无安全性的访问方法访问用户自己的内容。SD存储卡的物理外形、引脚分配和数据传输协议都向前兼容多媒体卡(MultiMediaCard)，但也增加了一些内容  
SD存储卡的通信基于一个高级的9引脚接口(时钟、命令、4条数据线和3条电源线)，可以在最高25MHz频率和低电压范围内工作。通信协议也是本规范的一部分。SD存储卡的主机接口也支持常规的多媒体卡操作。也就是说向前兼容多媒体卡。实际上，SD存储卡和多媒体卡的主要区别在初始化过程  
SD存储卡规范共有几个文档，其文档结构图如图所示

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. SD存储卡音频规范: 这个规范以及其他规范介绍了某些应用(这里是音频应用)的规范以及实现要求  
. SD存储卡文件系统规范: 介绍了保存在SD存储卡中的数据的文件格式结构规范(包括有保护和无保护方面)
. SD存储卡安全规范: 介绍了版权保护机制以及支持的应用专用命令
. SD存储卡物理层规范(本规范): 介绍了SD存储卡使用的物理接口和命令协议。目的是定义SD存储卡的环境和操作

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