Linux驅動開發之 三 (那些必須要了解的硬件知識 之 存儲器篇)

Linux驅動開發之 三 (那些必須要了解的硬件知識 之 存儲器篇)

本文重點學習存儲器相關的基本知識，網絡上對RAM，ROM，FLASH等有非常詳細的介紹，老謝將這些知識點摘抄整理並加以注釋如下。這個整理的過程也是加深記憶的過程。

1.什麼是內存

在計算機的組成結構中，有一個很重要的部分，就是存儲器。存儲器是用來存儲程序和數據的部件，對於計算機來說，有了存儲器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲器的種類很多，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內存儲器（簡稱內存），輔助存儲器又稱外存儲器（簡稱外存）。外存通常是磁性介質或光盤，像硬盤，軟盤，磁帶，CD等，能長期保存信息，並且不依賴於電來保存信息，但是由機械部件帶動，速度與CPU相比就顯得慢的多。內存指的就是主板上的存儲部件，是CPU直接與之溝通，並用其存儲數據的部件，存放當前正在使用的（即執行中）的數據和程序，它的物理實質就是一組或多組具備數據輸入輸出和數據存儲功能的集成電路，內存只用於暫時存放程序和數據，一旦關閉電源或發生斷電，其中的程序和數據就會丟失。

2.內存工作原理

內存是用來存放當前正在使用的（即執行中）的數據和程序，我們平常所提到的計算機的內存指的是動態內存（即DRAM），動態內存中所謂的’動態’，指的是當我們將數據寫入DRAM後，經過一段時間，數據會丟失，因此需要一個額外設電路進行內存刷新操作。

具體的工作過程是這樣的：

一個DRAM的存儲單元存儲的是0還是1取決於電容是否有電荷，有電荷代表1，無電荷代表0。但時間一長，代表1的電容會放電，代表0的電容會吸收電荷，這就是數據丟失的原因；刷新操作定期對電容進行檢查，若電量大於滿電量的1／2，則認為其代表1，並把電容充滿電；若電量小於1／2，則認為其代表0，並把電容放電，藉此來保持數據的連續性。

從一有計算機開始，就有內存。內存發展到今天也經歷了很多次的技術改進，從最早的DRAM一直到FPMDRAM、EDODRAM、SDRAM等，內存的速度一直在提高且容量也在不斷的增加。

3.繼續對RAM展開討論

RAM是Random Access Memory的縮寫。又稱為隨機存取存儲器；存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內容，故主要用於存儲短時間使用的程序。RAM分為兩大類：

靜態RAM（Static RAM/SRAM），SRAM速度非常快，是目前讀寫最快的存儲設備了，但是它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級緩沖，二級緩沖。

另一種稱為動態RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM保留數據的時間很短，速度也比SRAM慢，不過它還是比任何的ROM都要快，但從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很多，計算機內存就是DRAM的。

DRAM分為很多種，常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，介紹其中的一種DDR RAM。

DDR RAM（Date-Rate RAM）也稱作DDR SDRAM，這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在於它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內存，而且它有著成本優勢，事實上擊敗了Intel的另外一種內存標准－Rambus DRAM。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來提高帶寬，這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

4.ROM簡介

ROM是Read Only Memory的縮寫，是一種半導體內存，其特性是一旦儲存資料就無法再將之改變或刪除。通常用在不需經常變更資料的電子或電腦系統中，資料並且不會因為電源關閉而消失。只能讀出事先所存數據的固態半導體存儲器。ROM所存數據，一般是裝入整機前事先寫好的，整機工作過程中只能讀出，而不像隨機存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數據穩定 ，斷電後所存數據也不會改變；其結構較簡單，讀出較方便，因而常用於存儲各種固定程序和數據。除少數品種的只讀存儲器（如字符發生器）可以通用之外，不同用戶所需只讀存儲器的內容不同。

為便於使 用和大批量生產，進一步發展了可編程只讀存儲器（PROM）、可擦可編程序只讀存儲器（EPROM）和電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）。EPROM需用紫外光長時間照射才能擦除，使用很不方便。20世紀 80 年代制出的 EEPROM ，克服了EPROM的不足，但集成度不高 ，價格較貴。於是又開發出一種新型的存儲單元結構同 EPROM 相似的快閃存儲器 。其集成度高、功耗低 、體積小 ，又能在線快速擦除 ，因而獲得飛速發展。

簡單地說，在計算機中，RAM 、ROM都是數據存儲器。RAM是隨機存取存儲器，它的特點是易揮發性，即掉電失憶。ROM通常指固化存儲器(一次寫入，反復讀取)，它的特點與RAM 相反。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。

ROM在系統停止供電的時候仍然可以保持數據，而RAM通常都是在掉電之後就丟失數據，典型的RAM就是計算機的內存。

5.Flash的出現

FLASH存儲器又稱閃存，它結合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程（EEPROM）的性能，還不會斷電丟失數據同時可以快速讀取數據（NVRAM的優勢），U盤和MP3裡用的就是這種存儲器。在過去的20年裡，嵌入式系統一直使用ROM（EPROM）作為它們的存儲設備，然而近年來Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系統中的地位，用作存儲Bootloader以及操作系統或者程序代碼或者直接當硬盤使用。目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。

NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH裡面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節約了成本。

NAND Flash沒有采取內存的隨機讀取技術，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節，采用這種技術的Flash比較廉價。用戶不能直接運行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運行啟動代碼。

一般小容量的用NOR Flash，因為其讀取速度快，多用來存儲操作系統等重要息，而大容量的用NAND FLASH，最常見的NAND FLASH應用是嵌入式系統采用的DOC（Disk On Chip）和我們通常用的’閃盤’，可以在線擦除。目前市面上的FLASH 主要來自Intel，AMD，Fujitsu和Toshiba，而生產NAND Flash的主要廠家有Samsung和Toshiba。

6.Q&A

問題1：什麼是DRAM、SRAM、SDRAM？ 答：

DRAM——–動態隨即存取器，需要不斷的刷新，才能保存數據，而且是行列地址復用的，許多都有頁模式

SRAM——–靜態的隨機存儲器，加電情況下，不需要刷新，數據不會丟失，而且一般不是行列地址復用的

SDRAM——-同步的DRAM，即數據的讀寫需要時鐘來同步

問題2：為什麼DRAM要刷新，SRAM則不需要？ 答：

這是由RAM的設計類型決定的，DRAM用了一個T和一個RC電路，導致電容會漏電和緩慢放電，所以需要經常刷新來保存數據

問題3：為什麼使用DRAM比較多、而使用SRAM卻很少？答：

1）因為制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多，正因為如此，才使其發展受到了限制。因此目前SRAM基本上只用於CPU內部的一級緩存以及內置的二級緩存。僅有少量的網絡服務器以及路由器上能夠使用SRAM。

2）存儲單元結構不同導致了容量的不同：一個DRAM存儲單元大約需要一個晶體管和一個電容（不包括行讀出放大器等），而一個SRAM存儲單元大約需要六個晶體管。DRAM和SDRAM由於實現工藝問題，容量較SRAM大，但是讀寫速度不如SRAM。

問題4：用得最多的DRAM有什麼特點呢？它的工藝是什麼情況？（通常所說的內存就是DRAM） 答：

1）DRAM需要進行周期性的刷新操作，我們不應將SRAM與只讀存儲器（ROM）和Flash Memory相混淆，因為SRAM是一種易失性存儲器，它只有在電源保持連續供應的情況下才能夠保持數據。“隨機訪問”是指存儲器的內容可以以任何順序訪問，而不管前一次訪問的是哪一個位置。

2）DRAM和SDRAM由於實現工藝問題，容量較SRAM大。但是讀寫速度不如SRAM，但是現在，SDRAM的速度也已經很快了，時鐘好像已經有150兆的了。那麼就是讀寫周期小於10ns了。

3）SDRAM雖然工作頻率高，但是實際吞吐率要打折扣。以PC133為例，它的時鐘周期是7.5ns，當CAS latency=2 時，它需要12個周期完成8個突發讀操作，10個周期完成8個突發寫操作。不過，如果以交替方式訪問Bank，SDRAM可以在每個周期完成一個讀寫操作（當然除去刷新操作）。

4）其實現在的主流高速存儲器是SSRAM（同步SRAM）和SDRAM（同步DRAM）。目前可以方便買到的SSRAM最大容量是8Mb/片，最大工作速度是166MHz；可以方便買到的SDRAM最大容量是128Mb/片，最大工作速度是133MHz。

問題5：用得比較少但速度很快，通常用於服務器cache的SRAM有什麼特點呢？答：

1）SRAM是靜態的，DRAM或SDRAM是動態的，靜態的是用的雙穩態觸發器來保存信息，而動態的是用電子，要不時的刷新來保持。SRAM是Static Random Access Memory的縮寫，中文含義為靜態隨機訪問存儲器，它是一種類型的半導體存儲器。“靜態”是指只要不掉電，存儲在SRAM中的數據就不會丟失。

2）SRAM其實是一種非常重要的存儲器，它的用途廣泛。SRAM的速度非常快，在快速讀取和刷新時能夠保持數據完整性。SRAM內部采用的是雙穩態電路的形式來存儲數據。所以SRAM的電路結構非常復雜。

3）從晶體管的類型分，SRAM可以分為雙極性與CMOS兩種。從功能上分，SRAM可以分為異步SRAM和同步SRAM（SSRAM）。異步SRAM的訪問獨立於時鐘，數據輸入和輸出都由地址的變化控制。同步SRAM的所有訪問都在時鐘的上升/下降沿啟動。地址、數據輸入和其它控制信號均於時鐘信號相關。

最後要說明的一點：

SRAM不應該與SDRAM相混淆，SDRAM代表的是同步DRAM（Synchronous DRAM），這與SRAM是完全不同的。SRAM也不應該與PSRAM相混淆，PSRAM是一種偽裝成SRAM的DRAM。

7.NOR vs NAND Flash

關於Nor和Nand的介紹和區別，在網絡上有很多，如果不是經常用的話，還真的無法說出個所以然來。老謝在這裡貼出來，目的是經常能看看。NOR和NAND是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel於1988年首先開發出NOR flash技術，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發表了NAND flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，並且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之後，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。

許多業內人士也搞不清楚NAND閃存技術相對於NOR技術的優越之處，因為大多數情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。

一、存儲區別比較

NOR的特點是芯片內執行(XIP, execute In Place)，這樣應用程序可以接在flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。

NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，並且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在於Flash的管理和需要特殊的系統接口。

二、性能比較

Flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何Flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以大多數情況下，在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。

由於擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執行相同的操作最多只需要4ms。

執行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統計表明，對於給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時更多的擦除操作必須在基於NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。

NOR的讀速度比NAND稍快一些。

NAND的寫入速度比NOR快很多。

NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

三、接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。

NAND讀和寫操作采用512字節的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基於NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

四、容量和成本

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由於生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價格。

NOR Flash占據了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND Flash只是用在8～128MB的產品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中，NAND適合於數據存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

五、可靠性和耐用性

采用Flahs介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對於需要擴展MTBF的系統來說，Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

六、壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

七、位交換問題

所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發生的次數要比NOR多)，一個比特位會發生反轉或被報告反轉了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。

當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見於NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對於用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。　　

八、壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發現成品率太低，代價太高，根本不劃算。

NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊，並將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。 易於使用可以非常直接地使用基於NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，並可以在上面直接運行代碼。

由於需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

在使用NAND器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

九.軟件支持

當討論軟件支持的時候，應該區別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用於磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅動程序，也就是內存技術驅動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用於NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅動，該驅動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

驅動還用於對DiskOnChip產品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗。

itxiebo

20160502