RAM、ROM存储基础

在嵌入式系统和单片机开发中，存储器是至关重要的组成部分。常见的存储器类型包括RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、FLASH和EEPROM（可电擦除可编程的只读存储器）。

一、RAM(随机存取存储器)

什么是RAM？

RAM（Random Access Memory）是一种易失性存储器，意味着断电后数据会丢失。

在单片机中，RAM主要用于存储临时变量、存储动态分配的数据。

1.1 关键参数与指标

• 容量：在PC中RAM就是16G、8G的那种DDR内存条，通过PCIe实现通信；不过在单片机中大一点的RAM空间也才512KBM，小的话更是可怜；

• 速度：较快，访问速度通常与CPU的主频同步，一般在几十MHz到几百MHz之间；此外由于RAM直接由CPU访问，读写速度远高于外部存储器（Flash、EEPROM）；

二、ROM(只读存储器)

什么是ROM？

ROM（Read-Only Memory）是一种非易失性存储器，意味着断电后数据不会丢失。

在单片机中，ROM通常用于存储固件和启动代码、存储常量数据。

ROM有多种类型，且每种只读存储器都有各自的特性和适用范围。从其制造工艺和功能上分，ROM有五种类型，即掩膜编程的只读存储器MROM（Mask-programmedROM）、可编程的只读存储器PROM（Programmable ROM）、可擦除可编程的只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM）、可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM）和快擦除读写存储器（Flash Memory）

2.1 关键参数与指标

• 容量：在PC中ROM不知道在哪，一般就是存BIOS之类的，通常在16MB左右；

• 速度：类型太多，一般也在几十MHz到几百MHz之间；

三、FLASH（闪存）

首先毫无疑问的是Flash属于ROM的一种；Flash存储器是一种非易失性存储器，结合了RAM和ROM的优点。它允许快速读写数据，并且断电后数据不会丢失。

在单片机中，Flash存储器主要用于：存储程序代码、存储配置数据和用户数据、固件。

3.1 关键参数与指标

• 容量：通常以KB或MB为单位，表示Flash可以存储的数据量。
• 耐久性：表示Flash可以承受的编程/擦除次数，通常在10万次以上。(频繁写入、擦除可能导致寿命缩短)
• 访问速度：以MHz为单位，表示Flash的读写速度。

3.2 NAND Flash技术

NAND Flash是一种非易失性存储器，广泛应用于嵌入式系统、消费电子、数据中心和存储设备中。与NOR Flash相比，NAND Flash具有更高的存储密度和更低的成本，但其读写特性有所不同。

NAND Flash 的特点：

• 高存储密度：单位面积内可以存储更多数据。
• 块擦除操作：数据以块（Block）为单位进行擦除，而不是以字节或字为单位。
• 顺序访问：适合大容量数据的连续读写，但不支持随机访问。

页（Page）和块（Block）
页（Page）：NAND Flash的最小读写单位，通常为4KB、8KB 或 16KB。
块（Block）：NAND Flash的最小擦除单位，通常由多个页组成（如 64 页或 128 页）。

通过时序图配置Flash芯片，即可驱动Flash完成初始化、擦写等动作。

3.3 NOR Flash技术

NOR Flash 的特点：

• 随机访问：支持以字节或字为单位直接访问数据，适合代码执行。
• 高可靠性：数据存储稳定，适合存储关键代码和配置数据。
• 较慢的写入和擦除速度：与NAND Flash相比，NOR Flash的写入和擦除速度较慢。

3.4 NAND Flash与NOR Flash特性对比

3.5 Flash常见问题

坏块（Bad Block） NAND Flash在生产和使用过程中可能会产生坏块。坏块是无法正常读写或擦除的存储块。解决方法：

• 使用坏块管理（Bad Block Management, BBM）机制。（比较复杂，需要单独再理解下）
• 在文件系统中标记坏块并避免使用。

写放大（Write Amplification） 由于NAND Flash的擦除操作以块为单位，而写入操作以页为单位，可能导致写放大现象。写放大会降低存储器的寿命和性能。解决方法：

• 使用磨损均衡（Wear Leveling）算法。
• 优化文件系统和存储管理策略。

数据保持（Data Retention） NAND Flash 中的数据可能会随着时间的推移而丢失，尤其是在高温环境下。解决方法：

• 定期刷新数据。
• 使用纠错码（ECC）检测和纠正数据错误。

四、EEPROM（电可擦可编程只读存储器）

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是一种可以通过电信号擦除和编程的非易失性存储器。它的特点是：

• 非易失性：断电后数据不会丢失。
• 电可擦写：可以通过电信号擦除和重新编程。
• 字节级擦写：可以按字节擦写，而不需要像Flash那样按块擦除。

当然EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）也是一种非易失性存储器，但是EPROM需要紫外线擦除，随着技术的发展，EEPROM和Flash逐渐取代了EPROM。

4.1 关键参数与指标

• 容量：EEPROM的容量通常较小，范围从几字节到几百KB
• 耐久性：EEPROM的擦写次数通常为10万次到100万次，具体取决于存储单元的类型。
• 访问速度：读取速度，通常在几十ns到几百ns之间；写入速度，较慢，通常在几ms到几十ms之间。

4.2 EEPROM与NOR Flash特性对比