常用存储器(SRAM、DRAM、PSRAM)简单介绍

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存储器一般用于暂时存储或者长期存储数据的电子、磁、激光、化学等产品的统称。计算机中一般包含 ROM、RAM、硬盘、光盘以及附带驱动器等。

一、常用的存储器简单分类

1、数据易失性存储器,如DRAM(Dynamic RAM,动态RAM)、SRAM(Static RAM,静态RAM)。这类存储器读写速度较快,但是掉电后数据会丢失。在SoC设计中通常被用作数据缓存、程序缓存;

2、数据非易失性存储器,如NAND/NOR flash。这类存储器读写速度比较慢,但是在掉电后数据不会丢失。因此,在SoC设计中可用作大数据的存储或者程序的存储;

3、新出现的存储器PSRAM(pseudo SRAM),称之为伪静态随机存取器。它具有SRAM的接口协议:给出地址、读写指令,就可以实现数据的存取;相比DRAM的实现,它不需要复杂的memory controller来控制内存单元去定期刷新数据,但是它的内核架构却是DRAM架构;传统的SRAM是由6个晶体管构成一个存储cell,而psram则是由1个晶体管+一个电容构成一个存储cell,因此psram可以实现较大的存储容量;

基于上述分析,新出现的存储器psram相比传统存储器具有如下优点:

1. 更大的带宽:串行psram通过八路串行接口对外互联,最高在200MHz Double-Data-Rate速率下,可实现超3Gbps的带宽传输;

2. 更高的容量:目前可实现存储容量有:32M、64M、256M,这比市面上其他串行接口随机存储器的容量要大很多;

3. 更低的成本:串行psram采用DRAM架构,可以有效压缩芯片体积,故串行psram生产成本接近DRAM成本;

4. 更小的尺寸:串行psram的低引脚数封装与传统的RAM存储相比,具有尺寸更小、成本更低等优势;

5. 更广的应用:psram采用的是自行刷新(Self-Refresh),不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据;而DRAM每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失,因此psram相比传统RAM会有更广的应用;

PSRAM作为常用的一种外设存储设备,所具有的优点使其广泛被应用。

二、SRAM与DRAM的区别

SRAM(静态RAM),静态随机存取存储器,不需要刷新。速度快,面积大。

DRAM(动态RAM),动态随机存取存储器,需要实时刷新来保持数据。价格便宜,一般用于大容量产品。

存储器 半导体 RAM

2.1 工作原理

SRAM的存储单元是交叉耦合的两个反相器(T1-T3和T2-T4),靠双稳态实现数据锁存,不需要刷新。

DRAM的存储单元是一个晶体管+一个电容,数据以电平为载体保存在电容上。因为电容会漏电,因而需要实时刷新。

2.2 面积

存储1bit数据,SRAM要6个晶体管,DRAM只要1个晶体管+1个电容。同容量,SRAM需要更多的晶体管,SRAM面积是DRAM的4~5倍,发热量也非常大。难以做成大容量的主存储器。

2.3 价格

芯片面积决定芯片价格,同容量的SRAM价格更贵。

2.4 行列地址复用

实际存储芯片内部是一个二维矩阵,按照行地址和列地址来定位访问的存储单元。

对于容量小的SRAM,地址位宽不大,行地址、列地址同时输入

对于容量大的DRAM,地址位宽也大,芯片引脚数不够,需要行地址、列地址依次输入

2.5 应用场景

SRAM一般用于片内,作为CPU、GPU的Cache,容量也只有几十K至几十M。

DRAM一般用于片外,作为系统的Memory。

SRAM的速度比DRAM快。Cache追求的是速度所以选择SRAM,而内存则追求容量所以选择能够在相同空间中存放更多内容并且造价相对低廉的DRAM。

2.6 总结

SRAM优点是速度快,缺点是难以做大容量存储器。

DRAM的优点是可以作大容量存储器,缺点是没有SRAM速度快,且需要不断地刷新电路来保存数据,否则内部的数据将会消失。因此功耗比SRAM大。

三、SDRAM和DDR LPDDR

3.1 SDRAM

SDRAM,同步DRAM,内核都是1T+1C的存储单元。因为其同步接口的特点,方便数据读取,广泛应用于内存场景。真正的(异步)DRAM已经不多见了。

通常DRAM是异步接口,可以随时响应控制输入的变化。而SDRAM是同步接口,与系统总线时钟严格同步,其本质目的是为了提高读写速度。

SDRAM是多bank结构,而DRAM是不分bank的,这是两者结构上最大的不同点。

分bank的好处:SDRAM内部分成两个以上的bank,选中的bank在进行读写时,没有被选中的bank便可以预充电,做必要的准备工作。当下一个时钟周期选中它时,就无需等待而即可直接读取,大大提高了存储器的访问速度。

3.2 DDR系列

DDR/DDR2/DDR3其全称应该是 DDR/DDR2/DDR3 SDRAM,说明它们都是在SDRAM下面的分类,2/3代表了第几代,一般是频率提升、数据吞吐率提升的版本。应用于电脑内存条等场景。

DDR的常见分类:

存储器 半导体 RAM

DDR2/DDR3接口示意图 :

存储器 半导体 RAM

3.3 LPDDR系列

LPDDR/LPDDR2/LPDDR3其全称应该是 LPDDR/DDR2/DDR3 SDRAM,它们也是SDRAM下面的分类,LP代表了Low Power,关注低功耗场景,一般应用于移动设备,如手机、Pad等场景。这种设备上往往空间受限,因而接口pin脚数量有限,接口也比DDR有所简化。

LPDDR2接口示意图:

存储器 半导体 RAM

 

四、PSRAM 和 SPI/QPI/OPI PSRAM

(1)PSRAM,伪SRAM,其实也是DRAM的一种,只不过接口上伪装成了SRAM的样子:给出地址、读、写命令,就可以实现存取,不需要SDRAM那样复杂的控制器和刷新机制,不需要地址拆分成行列地址。

常见于 2G基带数据缓存,一般以SiP的形式封装在片内(不同于SDRAM是独立在PCB上的)。如今由于物联网的兴起,PSRAM的小型化、低功耗优势得以体现,因而分化出SPI/QPI/OPI(单线/四线/八线串行接口) PSRAM。

(2)SPI PSRAM:8-pin SOP封装,最高速率可以达到104MHz, 具有片选CS、CLK、SI、SO 4个信号脚。

(3)QPI PSRAM:8-pin SOP封装,最高速率104MHz, 有额外的3个双向数据管脚,由此带宽峰值可以达到416Mbps。

(4)OPI PSRAM:24 脚封装,有8个串行数据线,最高时钟频率达到133MHz,最高带宽可以达到133x8 x2=2.128Gbps。这里x2是因为它可以实现DDR,以提高数据带宽。

PSRAM接口示意图:

存储器 半导体 RAM

五、RLDRAM

RLDRAM,低延迟DRAM。是一种改进的DRAM,专门改善了延迟,提高了数据带宽。也有类似SRAM的接口,地址无需拆分为行地址和列地址,提高了访问速度。

常见于 网络应用,如交换机等,能更好地满足数据速率的要求。

RLDRAM接口示意图:

存储器 半导体 RAM

 

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