不同類別儲存器基本原理

儲存器是用來儲存程式和各種資料資訊的記憶部件。儲存器可分為主儲存器(簡稱主存或記憶體)和輔助儲存器(簡稱輔存或外存)兩大類。和CPU直接交換資訊的是主存。主存的工作方式是按儲存單元的地址存放或讀取各類資訊，統稱訪問儲存器。計算機的儲存器可分成記憶體儲器和外儲存器。記憶體儲器在程式執行期間被計算機頻繁地使用，並且在一個指令週期期間是可直接訪問的。外儲存器要求計算機從一個外貯藏裝置例如磁帶或磁碟中讀取資訊。

儲存器分為易失性儲存器和非易失性儲存器。易失性儲存器分SRAM和DRAM；非易失性儲存器以Nor-flash和Nand-flash為典型代表。

DRAM

DRAM cell結構由1個MOS和1個電容組成，由電容是否帶電荷來區分0和1。不過，由於電容漏電流的原因，DRAM無法長時間儲存資料，需要“動態”重新整理（重新整理週期在亞ms級別）。
 

 

SRAM cell有多種不同結構，下圖為6個MOS組成的SRAM cell。M1/M2、M3/M4分別為2個反相器，在供電情形下可以鎖住0/1資訊，不需動態重新整理。
 

 

Flash

不管是Nor-flash還是 ，單位cell的結構都類似如下，為雙gate的MOS結構。中間一層floating gate無漏電存在，可以儲存住電荷而實現非易失。
 

 
Floating gate上電荷轉移需要外加電壓實現。在Control gate和溝道之間施加的反向電壓可以去除電荷，也即擦除erase操作。在Control gate和溝道或source 之間施加正向電壓可以將電荷轉移到floating gate上。
 

 

NOR FLASH的結構和特性

透過NOR FLASH的結構原理圖，可見每個Bit Line下的基本儲存單元是並聯的，當某個Word Line被選中後，就可以實現對該Word的讀取，也就是可以實現位讀取（即Random Access），且具有較高的讀取速率。
 

 
 

 
（1）基本儲存單元的並聯結構決定了金屬導線佔用很大的面積，因此NOR　FLASH的儲存密度較低，無法適用於需要大容量儲存的應用場合，即適用於code-storage，不適用於data-storage。
（2）基本儲存單元的並聯結構決定了NOR FLASH具有儲存單元可獨立定址且讀取效率高的特性，因此適用於code-storage，且程式可以直接在NOR 中執行（即具有RAM的特性）。
（3）NOR FLASH寫入採用了熱電子注入方式，效率較低，因此NOR寫入速率較低，不適用於頻繁擦除/寫入場合。

NAND FLASH的結構和特性

透過NAND FLASH的結構原理圖，可見每個Bit Line下的基本儲存單元是串聯的，NAND讀取資料的單位是Page，當需要讀取某個Page時，FLASH 控制器就不在這個Page的Word Line施加電壓，而對其他所有Page的Word Line施加電壓（電壓值不能改變Floating Gate中電荷數量），讓這些Page的所有基本儲存單元的D和S導通，而我們要讀取的Page的基本儲存單元的D和S的導通/關斷狀態則取決於Floating Gate是否有電荷，有電荷時，Bit Line讀出‘0’，無電荷Bit Line讀出‘1’，實現了Page資料的讀出，可見NAND無法實現位讀取（即Random Access），程式程式碼也就無法在NAND上執行。
 

 
 

 
基本儲存單元的串聯結構減少了金屬導線佔用的面積，Die的利用率很高，因此NAND FLASH儲存密度高，單bit成本低。適用於需要大容量儲存的應用場合，即適用於data-storage。

不同類別儲存器在PC系統中的位置