半导体存储器用来存储大量的二值数据，它是计算机等大型数字系统中不可缺少的组成部分。按照集成度划分，半导体存储器属于大规模集成电路。

目前半导体存储器可以分为两大类：

• 只读存储器（ROM，Read Only Memory）：正常工作时ROM只能读出数据，ROM中数据可以长期保存
• 随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）：正常工作时RAM中既可以读出数据也可以写入数据，断电后RAM中数据会全部丢失，具有易失性

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一、概述

在理解buffer之前，首先要明确存储器的概念。

半导体存储器用来存储大量的二值数据，它是计算机等大型数字系统中不可缺少的组成部分。按照集成度划分，半导体存储器属于大规模集成电路。目前半导体存储器可以分为两大类：

• 只读存储器（ROM，Read Only Memory）：正常工作时ROM只能读出数据，ROM中数据可以长期保存
• 随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）：正常工作时RAM中既可以读出数据也可以写入数据，断电后RAM中数据会全部丢失，具有易失性

 RAM一般用在需要频繁读写数据的场合，例如计算机系统中的数据缓存。ROM则常用于存放系统程序、数据表、字符代码等不易变化的数据。

二、RAM

RAM即随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）。RAM中的随机指的是存储器的内容可以按照任何顺序存取，而不用管前一次存取的是哪一个位置。与ROM的最大区别就是数据易失性，一旦失去电源供电，RAM中所存储的数据会立即丢失。RAM最大的优点是可以随时快速地从其中任一指定地址读出或写入数据。

RAM又可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。

（1）SRAM

SRAM（Static Random Access Memory），静态RAM。SRAM中的存储单元相当于一个锁存器，有0和1两个稳态。

SRAM具有更多的晶体管，速度更快，但是容量较小。在此基础上还发展出了一些其他的SRAM：

1. SSRAM：同步SRAM（Synchronous SRAM），更适合高速存取。SSRAM与SRAM最主要的差别是SSRAM的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成，也就是具有明显的时钟脉冲输入端。
2. BRAM：随机RAM（Block Random Access Memory）。

1. 同步SRAM

随着各种数据密集型应用（例如互联网中的交换机、路由器、服务器，以及通信领域的无线基站和测试设备等）对速度要求的不断提高，RAM 和其他大规模及超大规模集成电路（例如Intel的奔腾处理器）一样，近些年也得到快速发展。同步SRAM（Synchronous SRAM，SSRAM）是在 SRAM的基础上发展起来的一种更适合高速存取的RAM。

同步 SRAM 与 SRAM 最主要的差别是：

同步 SRAM的读写操作是在时钟脉冲节拍控制下完成的。因此，同步 SRAM 最明显的标志是有时钟脉冲输入端。同步SRAM在结构上最大的不同是在电路内部增加了包括地址、数据、读写控制等各种输人信号的寄存器。

所以，其他SRAM 有时候也被称为异步SRAM（Asynchronous SRAM，ASRAM)。

同步SRAM 具有的另一个特点是丛发（Burst，也称为突发）的读写操作模式。在该工作模式下，只要外部给定读写存储单元的首地址，在时钟脉冲作用下，由内部地址计数器提供首地址后的一组连续地址，就可以连续读写接下来的若干个地址单元，而不再需要外部输入地址。同步SRAM 的这种Burst模式，在连续读或写多个字时，可以减少外部地址总线的占用时间，提高读写效率。根据内部地址计数器的位数不同，Burst读写的字数可以是2、4、8个字不等。

2. DDR SRAM

高速、高密度、低功耗早已经成为 RAM 发展的永恒主题。在同步 SRAM 之后，各大RAM 厂商
又先后开发出：

• 双倍数据传输率（Double Data Rate，DDR）SRAM
• 四倍数据传输率（Quad Data Rate，QDR) SRAM

上述同步 SRAM 只在时钟的上升沿传输数据，并且共用读写数据总线，读和写只能分时进行。这种同步 SRAM 也称为单倍数据传输率（Single Data Rate，SDR）同步 SRAM。

DDR 同步SRAM 是在同步 SRAM 基础上经过改进，在每个时钟周期的上升沿和下降沿各传输一次数据，这样数据传输效率就提高了一倍，但是读写仍不能同时进行。

QDR 同步SRAM 进一步改进了结构，为读和写操作分别提供独立的接口，不但在每个时钟周期的上升沿和下降沿共传输两次数据，而且每次读写能够同时进行，避免了数据总线的争抢，使数据传输效率比同步 SRAM 提高了两倍。

（2）DRAM

DRAM（Dynamic Random Access Memory），动态RAM。由于在DRAM电路中漏电流的存在，电容器上存储的数据（即电荷）不能长久保存，因此必须定期给电容补充电荷，以避免存储的数据丢失，这种操作称为DRAM的刷新（Refresh）或者再生。

与SRAM的发展类似，DRAM也有同步DRAM（Synchronous DRAM，SDRAM）、DDR同步DRAM和QDR 同步DRAM，而且同样具有Burst的特性。由于DRAM的存储单元结构简单，其集成度远高于SRAM，所以在同等容量情况下，DRAM会更加廉价。

目前，改进型DDR Ⅱ（二代）和DDR Ⅲ（三代）同步DRAM已成为个人电脑的主流内存。

1. DDR DRAM

我们经常提到的DDR其实就是DDR DRAM（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）双倍速率同步动态随机存储器，也就是双倍速率同步DRAM。DDR SDRAM 在系统时钟的上升沿和下降沿都可以进行数据传输，所以其数据传输速度为系统时钟频率的两倍，由于速度增加，其传输性能优于传统的SDRAM。

与SDRAM相比，DDR运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行，又保持与CPU完全同步。DDR使用了DLL（Delay Locked Loop，延时锁定回路提供一个数据滤波信号）技术，当数据有效时，存储控制器可使用这个数据滤波信号来精确定位数据，每16次输出一次，并重新同步来自不同存储器模块的数据。

从外形体积上DDR与SDRAM相比差别并不大，他们具有同样的尺寸和同样的针脚距离。但DDR为184针脚，比SDRAM多出了16个针脚，主要包含了新的控制、时钟、电源和接地等信号。DDR内存采用的是支持2.5V电压的SSTL2标准，而不是SDRAM使用的3.3V电压的LVTTL标准。由于DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系，因此对于内存厂商而言，只需对制造普通SDRAM的设备稍加改进，即可实现DDR内存的生产，可有效的降低成本。

（3）SRAM和DRAM对比

SRAM基本结构图：

DRAM基本结构图：

从结构上看，与SRAM 相比，DRAM只有一个电容一个晶体管，刷新需要时间，速度慢，容量较大。

从DRAM和SRAM的最小存储单元bit结构可以看出其物理区别：

1. DRAM bit由一个晶体管和一个电容组成，bit信息保存在电容里
2. SRAM bit由多个（典型6个）晶体管组成，bit信息保存在晶体管里，故SRAM每bit要比DRAM成本高很多

所以在价格上，DRAM更便宜，SRAM更贵，所以SRAM更适合小块数据的存储，DRAM更加适合大数据存储。

关于刷新：

• DRAM bit信息随着电容发生漏电而消失，所以一般需要64ms充电一次，这是DRAM名字的由来。读DRAM的过程会导致电容漏电，每次读需要充电一次（需要刷新）
• SRAM则不需要充电（不需要刷新）

另外，与SRAM相比，DRAM的读命令需要消耗更多的时间，这是由于DDR的数据组织结构、高容量、高时钟频率的需求，以及及时充电的要求。DDR的一次读写操作需要十几个甚至几十个时钟周期。不过DDR提供了burst，连续多个数据可以只通过一次命令完成，平均下来，一个WORD的数据大概需要大于1个时钟周期的时间。

相比于DDR，SRAM的访问就简单多了，通常SRAM只需要一个时钟周期来完成随机地址的读写操作。

总结：

• DRAM：只有一个电容一个晶体管，bit信息保存在电容里，需要刷新，速度慢，容量大，更便宜；DDR的读写消耗的平均时钟周期数要更多（1~n，视DDR controllerDE 设计和burst命令等因素决定）
• SRAM：由多个（典型6个）晶体管组成，bit信息保存在晶体管里，不需要刷新，速度快，容量小，更贵；SRAM读写平均消耗的时钟周期一般为1。

需要特别指出的是，DRAM的频率与SRAM频率一般是不同的，所以，从访问周期数并不能得出DRAM速度快还是SRAM快。

三、ROM

ROM即只读存储器（ROM，Read Only Memory）。ROM常用于存放系统的运行程序或固定不变的数据。此外，由于 ROM 是一种组合逻辑电路，因此可以用它来实现各种组合逻辑函数，特别是多输入、多输出的逻辑函数。在设计实现时，只需要列出真值表，将逻辑函数的输入作为地址，输出作为存储内容，将内容按照地址写入ROM即可。

根据是否允许用户对ROM写入数据，又可将ROM分为：

• 固定ROM（或称为掩模ROM）
• 可编程ROM（PROM，Programmable Read Only Memory）

（1）可编程ROM

 可编程ROM（PROM）又可以进一步划分为：

• 一次可编程ROM（PROM）
• 光擦除可编程ROM（EPROM，Erasable Programmable Read Only Memory） 
• 电擦除可编程ROM（E²PROM，Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）
• 快闪存储器（Flash Memory）

1. 一次可编程ROM（PROM）

一次可编程存储器 PROM 的存储阵列由带金属熔丝的二极管构成。在出厂时，PROM 存储内容全为1（或者全为0），用户可以根据要写入的数据，利用编程软件生成编程数据（也称为熔丝图），再通过通用或专用的编程器，根据熔丝图将某些单元的熔丝烧断，来改写存储的内容。由于熔丝烧断后不能恢复，因此 PROM 只能改写一次，即只有一次可编程。

2. 光擦除可编程ROM（EPROM）

光擦除可编程存储器（EPROM）的存储阵列由SIMOS管构成，其数据写入需要通用或专用的编程器。EPROM 芯片的封装外壳装有透明的石英盖板，用紫外线或者x射线照射15到20分钟便可擦除其全部内容。擦除后可重新写入数据。

如今大多数 PROM 实际上是不装透明石英盖板的EPROM，因而无法擦除，只能写入一次，也称为OTP（One Time Programmable）EPROM。

3. 电擦除可编程ROM（E²PROM）&快闪存储器（Flash Memory）

电擦除可编程存储器（E²PROM）和快闪存储器阵列分别由 Flotox MOS 管和快闪叠栅 MOS 管构成。E²PROM既具有 ROM 的非易失性，又具有写入功能。改写的过程就是电擦除过程（在线擦除，即不需要将芯片从电路系统中取出，可重复擦写1 万次以上），改写以字为单位进行。

目前，大多数 E²PROM 芯片内部都备有升压电路。因此，只需提供单电源供电，便可进行读、擦除、写操作，这为数字系统的设计和在线调试提供了极大方便。与 EPROM 相比，E²PROM 的存储单元电路复杂，所以集成度低。

快闪存储器的擦除和写入是分开进行的，通过在快闪叠栅 MOS 管的源极加正电压完成擦除操作，而在 MOS 管的栅极加高的正电压完成写入操作。因此在写入前，首先要进行擦除。由于快闪存储器的存储单元结构简单（只需要一个快闪叠栅 MOS 管），所以集成度较 E²PROM 高。

（2）ROM性能对比

总结来说，可编程 ROM 的发展实际上已经改变了 ROM 最初只读存储器的含义，而是既有读功能，又有写功能。特别是快内存储器具有的大容量、可读写、非易失性特点，使之广泛应用于各种数码产品中。

几种ROM的性能对比：

	快闪存储器	PROM	EPROM	E²PROM
非易失性	√	√	√	√
高密度	√	√	√	×
单管存储单元	√	√	√	×
系统可写	√	×	×	√

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