【storage】

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文章目錄

1、RAM and ROM
2、DRAM and SRAM
2、Flash Memory（閃存）
4、DDR and SPI NOR Flash
5、eMMC
6、SPI NOR vs SPI NAND vs eMMC vs SD
附錄——prototype and demo board
附錄——U盤、SD卡、TF卡、SSD
參考

1、RAM and ROM

RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器） 和 ROM（Read-Only Memory，只讀存儲器） 是計算機存儲系統中的兩種重要存儲器

區別

1. 數據可讀寫性

RAM：是一種可讀可寫的存儲器，用戶可以隨時對它進行數據的寫入和讀取操作。就像一個可以隨時存放和取出物品的開放式儲物柜，你可以根據需要把不同的東西放進去，也能隨時拿出來。例如，在運行一個文檔編輯軟件時，你輸入的文字內容會被臨時存儲在 RAM 中，你可以隨時對文檔進行修改（寫入操作），也可以隨時查看文檔內容（讀取操作）。
ROM：在正常工作狀態下，只能進行數據的讀取操作，而不能隨意寫入數據。它更像是一個只供查閱的檔案柜，里面的資料是固定的，不能隨意更改。不過，某些特殊類型的 ROM（如 EPROM、EEPROM 等）可以通過特定的方式（如紫外線照射、電信號等）進行數據的擦除和重新寫入，但操作相對復雜，不像 RAM 那樣可以隨時自由讀寫。

2. 數據存儲的持久性

RAM：具有易失性，即當計算機斷電后，RAM 中存儲的數據會立即丟失。這是因為 RAM 依靠電容存儲電荷來表示數據，斷電后電容放電，數據也就隨之消失。例如，你正在編輯一個文檔，突然停電了，如果沒有及時保存，再次開機后文檔編輯軟件中未保存的內容就會丟失，因為這些內容當時是存儲在 RAM 中的。
ROM：具有非易失性，數據一旦寫入 ROM，即使計算機斷電，數據也不會丟失。它就像一本印在紙上的書，只要書不被損壞，上面的內容就會一直存在。例如，計算機的 BIOS（基本輸入輸出系統）程序就存儲在 ROM 中，每次開機時，計算機都會從 ROM 中讀取 BIOS 程序來初始化硬件設備，無論計算機是否斷電，BIOS 程序都始終存在于 ROM 中。

3. 存儲速度

RAM：讀寫速度非常快，能夠滿足計算機在運行程序時對數據的快速訪問需求。它是計算機中與 CPU 直接進行數據交換的存儲器，CPU 可以直接從 RAM 中讀取指令和數據，也可以將處理結果寫入 RAM。例如，在運行大型游戲時，游戲中的場景、角色動作等數據需要頻繁地從 RAM 中讀取和寫入，以保證游戲的流暢運行。
ROM：讀取速度相對較慢，雖然也能滿足計算機啟動時對 BIOS 程序等少量數據的讀取需求，但與 RAM 相比，其速度差距較大。因為 ROM 的結構和制造工藝與 RAM 不同，它更注重數據的穩定性和持久性，而不是讀寫速度。

4. 用途

RAM：主要用于臨時存儲計算機正在運行的程序和數據，是計算機進行多任務處理和高效運行的關鍵部件。它的容量大小直接影響計算機的運行速度和多任務處理能力。例如，一臺 RAM 容量較大的計算機可以同時運行多個大型軟件，而不會出現明顯的卡頓現象。
ROM：主要用于存儲計算機的基本輸入輸出系統（BIOS）、固件程序等重要且相對固定的數據。這些數據是計算機啟動和正常運行的基礎，不需要頻繁修改。例如，BIOS 程序包含了計算機硬件的初始化信息、自檢程序等，計算機在開機時會首先從 ROM 中讀取 BIOS 程序，對硬件設備進行初始化和自檢，確保計算機能夠正常啟動。

5. 成本

RAM：由于需要具備高速讀寫的能力，其制造工藝相對復雜，成本較高。一般來說，相同容量的 RAM 比 ROM 的價格要貴。
ROM：制造工藝相對簡單，成本較低。它主要用于存儲固定數據，對讀寫速度的要求不高，因此可以采用較為經濟的制造方式。

聯系

1. 共同構成計算機存儲系統

RAM 和 ROM 都是計算機存儲系統的重要組成部分，它們相互配合，共同為計算機的正常運行提供支持。ROM 存儲了計算機啟動和基本運行所需的關鍵程序和數據，而 RAM 則為計算機在運行過程中的數據處理和程序執行提供了快速、臨時的存儲空間。

2. 數據交互

在某些情況下，ROM 中的數據可能會被復制到 RAM 中進行處理。例如，計算機啟動時，BIOS 程序會從 ROM 中讀取到 RAM 中，然后 CPU 從 RAM 中執行 BIOS 程序，完成硬件的初始化和自檢。這樣做的目的是利用 RAM 的高速讀寫能力，提高程序的執行效率。

3. 技術發展相互影響

隨著計算機技術的不斷發展，RAM 和 ROM 的技術也在不斷進步。例如，為了提高計算機的性能，RAM 的容量不斷增大，讀寫速度不斷提高；而 ROM 也在不斷改進，出現了可擦除可編程的 ROM（EPROM、EEPROM）和閃存（Flash Memory）等新型 ROM，它們既具有 ROM 的非易失性，又在一定程度上具備了 RAM 的可讀寫性，為計算機系統的發展提供了更多的選擇。

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來自：RAM和ROM的區別（轉）

2、DRAM and SRAM

SRAM（Static Random-Access Memory）和 DRAM（Dynamic Random-Access Memory）

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（1）區別

存儲原理與結構

SRAM：基于雙穩態觸發器存儲數據，每個存儲單元通常由4-6個晶體管組成，無需刷新電路即可保持數據。
DRAM：依賴電容存儲電荷，每個存儲單元僅需1個晶體管和1個電容，但電容會漏電，需定期刷新以維持數據。

性能與速度

SRAM：讀寫速度極快（納秒級延遲），適合高速緩存（如CPU緩存）。
DRAM：速度較慢（需刷新操作），但通過技術升級（如DDR系列）顯著提升性能，仍低于SRAM。

功耗與集成度

SRAM：功耗較高（晶體管持續導通），集成度低（相同面積下容量小）。
DRAM：功耗較低（刷新功耗為主），集成度高（單位面積存儲容量大）。

成本與容量

SRAM：制造成本高，容量有限，通常用于小規模高速存儲。
DRAM：成本低，容量大，適合大規模主存應用。

易失性

兩者均為易失性存儲器，斷電后數據丟失。

（2）聯系

同屬RAM（隨機存取存儲器）

均為易失性存儲，斷電后數據無法保留。

互補應用場景

SRAM：用于CPU緩存（L1/L2/L3）、嵌入式系統等對速度敏感的場景。
DRAM：用于計算機主存、GPU顯存等需要大容量存儲的場景。

技術演進

兩者均隨技術發展不斷升級，如 SRAM 從異步到同步（SSRAM），DRAM 從SDRAM 到 DDR 系列。

系統協同

在計算機存儲層次中，SRAM（高速緩存）與DRAM（主存）共同構成多級存儲體系，平衡速度與容量需求。

2、Flash Memory（閃存）

Flash 閃存技術的起源可追溯至1967年，貝爾實驗室的江大原（Dawon Kahng）和施敏博士（Simon Sze）發明了浮柵MOSFET，為閃存、EEPROM 和 EPROM 奠定了基礎。此后，Flash技術經歷了多個重要發展階段：

初期探索（1967-1980年）：

1970年，英特爾工程師 Dov Frohman 發明了 EPROM，通過紫外線光照射擦除數據。
1979年，Eli Harari發明了 EEPROM，并提出了用浮柵技術取代磁盤的愿景。

概念提出與商用化起步（1980-2000年）：

1984年，東芝的舛岡富士雄博士提出閃存概念，并于1987年發明 NAND 閃存。
1988年，英特爾推出首款商用 NOR Flash 芯片，SanDisk（當時為Sundisk）成立并推出首款商用閃存芯片。
1991年，SanDisk推出首款基于閃存的 20MB ATA SSD。
1994年，SanDisk推出首款用于 SSD 應用的 Compact Flash 卡，標志著閃存進入消費市場。

高速發展期（2000-2020年）：

2004年，NAND 閃存成本首次低于 DRAM，推動其在計算領域的廣泛應用。
2006年，閃存市場收入突破 200 億美元。
2012年，三星推出第一代 3D NAND 閃存，開啟3D存儲時代。
2015年，長江存儲的前身武漢新芯與Spansion合作開發 NAND 閃存。
2020年，長江存儲發布全球首款128層 QLC 3D NAND 存儲芯片，3D NAND 技術普及至100多層。

關鍵創新與市場擴展（2020年至今）：

2021年，英特爾和美光分別推出高性能的 Optane 和 3D XPoint 產品。
2022年，長江存儲發布新型 3D NAND 閃存結構 Xtacking，推動技術創新。
2023年，SK海力士發布321層 4D NAND Flash閃存樣品。
2024年，三星宣布第9代 V-NAND 1Tb TLC 產品量產，堆疊層數達到290層。

4、DDR and SPI NOR Flash

嚴格的說 DDR 應該叫 DDR SDRAM，人們習慣稱為 DDR，其中，SDRAM 是 Synchronous Dynamic Random Access Memory 的縮寫，即同步動態隨機存取存儲器。而DDR SDRAM是 Double Data Rate SDRAM的縮寫，是雙倍速率同步動態隨機存儲器的意思。

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SPI NOR Flash

Serial Peripheral Interface，串行外設接口

NOR Flash的每個記憶單元互相獨立，都有一段直連到地，組成一個類似 NOR閘（或稱“或非門”）的電路。對于 NOR Flash，只要 word line 0 到 word line 5 中任何一個為高電平（高點平為邏輯1），對應輸出的 bit line 就是低電平，這種邏輯對應 NOR（Not OR），所以這種flash被叫做 NOR Flash。

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DDR（雙倍數據速率同步動態隨機存儲器）和 SPI NOR Flash（串行外設接口NOR閃存）在存儲技術領域各有特點，二者的聯系與區別主要體現在以下方面：

（1）聯系

同屬存儲技術范疇：DDR 和 SPI NOR Flash都是電子系統中用于數據存儲的組件，只是存儲類型、特性和應用場景有所不同，但都在數據存儲和處理中發揮著重要作用。

（2）區別

存儲類型

DDR：屬于易失性存儲器，斷電后數據會丟失。它是一種動態隨機存取存儲器（DRAM），通過電容存儲電荷來保存數據，需要定期刷新以維持數據。
SPI NOR Flash：屬于非易失性存儲器，斷電后數據依然能夠保留。它采用 NOR 型閃存結構，具有可編程可擦除的特性。

數據訪問方式

DDR：以隨機訪問的方式讀寫數據，支持字節級的讀寫操作，能快速訪問任意地址的數據，讀寫速度相對較快，適合需要頻繁讀寫數據的場景。
SPI NOR Flash：支持隨機訪問，可直接執行代碼（XIP，Execute In Place），應用程序不必把代碼讀到系統RAM中，而是可以直接在Flash閃存內運行，讀取速度較快，但寫入和擦除速度相對較慢。

接口類型

DDR：通常采用并行接口，數據總線寬度較大，如常見的64位、128位等，能夠同時傳輸多個數據位，以滿足高速數據傳輸的需求。
SPI NOR Flash：采用串行外設接口（SPI），通過四根信號線（時鐘線SCK、主機輸出從機輸入線MOSI、主機輸入從機輸出線MISO、片選線CS）與主機進行通信，接口簡單，引腳數量少。

容量和成本

DDR：容量一般較大，常見的有GB級別，能滿足系統對大容量內存的需求，但成本相對較高，尤其是在高容量、高性能的情況下。
SPI NOR Flash：容量相對較小，通常在MB級別到GB級別之間，成本較低，適合對存儲容量要求不高但需要非易失性存儲的場景。

應用場景

DDR：主要用于計算機的主內存，為CPU提供高速的數據緩存和運行空間，確保系統能夠快速響應和運行各種應用程序。
SPI NOR Flash：常用于嵌入式系統中，存儲系統的引導代碼（Bootloader）、固件、配置參數等關鍵數據，也可用于存儲一些需要長期保存且讀取頻繁的小容量數據。

5、eMMC

eMMC 的英文全稱為 Embedded Multi Media Card（嵌入式多媒體卡）。它是由 MMC 協會訂立的一種內嵌式存儲器標準規格，主要針對手機、平板電腦等產品設計，將存儲芯片、控制器和接口集成于一體，形成緊湊高效的存儲系統。

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eMMC（嵌入式多媒體卡）作為移動設備的主流存儲方案，其性能表現受接口標準、硬件設計和使用場景的制約。

一、核心性能參數

接口標準與帶寬

eMMC采用并行接口，最高支持8位數據總線，理論帶寬上限受限于總線寬度和時鐘頻率。
主流eMMC 5.1標準下，最大傳輸速率為400MB/s，實際測試中連續讀寫速度多在100-300MB/s區間波動，隨機讀寫性能更弱。
相比UFS 3.1的2.9GB/s帶寬和全雙工通信，eMMC在數據吞吐量上存在顯著差距。

延遲與響應速度

半雙工通信模式導致eMMC無法同時讀寫，在高負載場景下（如多任務并行、4K視頻錄制）延遲明顯。
隨機讀寫IOPS（每秒輸入輸出操作次數）通常低于100，而UFS可突破10萬IOPS，直接影響應用啟動速度和系統流暢度。

功耗與能效

1.8V/3.3V雙電壓供電設計，功耗低于傳統硬盤但高于UFS。
深度睡眠模式下功耗可降至微瓦級，適合對續航敏感的入門設備，但在高負載場景下能效比仍落后于UFS。

二、技術瓶頸與局限性

物理架構限制

并行接口易受信號干擾，高頻傳輸時穩定性下降，需通過復雜的PCB布線優化補償。
封裝尺寸固定，難以進一步縮小以適應超薄設備需求。

性能擴展性差

接口標準升級緩慢，eMMC 5.1后無重大突破，而UFS已迭代至4.0版本，帶寬翻倍。
硬件設計固化，無法通過軟件優化彌補物理層缺陷。

使用壽命與可靠性

采用TLC/QLC閃存顆粒的eMMC，寫入壽命通常為500-1000次P/E循環，低于UFS的MLC/SLC方案。
缺乏高級糾錯算法（如LDPC），在復雜環境下數據錯誤率更高。

三、典型應用場景與適配性

中低端移動設備

百元機、功能機、兒童手表等對成本敏感的產品，eMMC可提供“夠用”的存儲性能。
典型案例：Redmi數字系列、諾基亞功能機。

嵌入式與工控領域

車載導航、智能家居、醫療設備等對穩定性要求高但對帶寬需求低的場景。
優勢：兼容性強、開發成本低、生命周期長。

性能敏感場景的局限性

高端手機、平板電腦、游戲主機等需高速讀寫和低延遲的設備，eMMC無法滿足需求。
典型問題：應用啟動卡頓、4K視頻錄制掉幀、多任務切換延遲。

四、與競品對比結論

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五、總結與建議

eMMC 的價值：作為低成本存儲方案，其穩定性在入門級市場仍具競爭力，適合對性能要求不高的場景。
未來趨勢：隨著 UFS 價格下探和 eMMC 技術停滯，中端設備將加速向 UFS 遷移，eMMC 或逐步退居超低端市場。
選購建議：若預算有限且對性能無苛求（如僅用于通話、基礎社交），可選 eMMC設備；若追求流暢體驗（如游戲、多任務），建議優先選擇 UFS 存儲方案。

6、SPI NOR vs SPI NAND vs eMMC vs SD

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SPI NOR、SPI NAND、eMMC 和 SD 卡是常見的嵌入式存儲技術

區別

（1）接口

SPI NOR：使用 SPI（串行外圍接口）作為通信接口，這是一種基于串行通信的簡單、低功耗接口協議。
SPI NAND：同樣使用 SPI 接口，通過少數引腳實現數據傳輸，通常只有 6 到 8 個引腳，適合空間受限的應用。
eMMC：使用 MMC（多媒體卡）接口標準，該標準支持并行和串行通信，通常有 8 個數據線，加上命令和時鐘線。
SD 卡：有三種主流接口類型，即 SDSC（標準 SD）、SDHC（SD 高容量）、SDXC（SD 擴展容量），速度從 12.5MB/s 到 624MB/s 不等。SD NAND 可使用 SD 卡接口，且支持 SPI 模式和 SD 模式。

（2）性能

SPI NOR：具有較快的訪問速度和較低的延遲，支持全雙工、單工以及半雙工傳輸方式，讀寫速度快、可靠性高。
SPI NAND：訪問速度相對較慢，具有較高的延遲，讀寫速度通常在 20MB/s 到 40MB/s 之間。
eMMC：性能較高，支持高速數據傳輸，并采用了流水線式的數據傳輸方式，讀取速度高達 400MB/s（HS400 模式），寫入速度也較高，支持多種優化算法和寫入加速技術，I/O 操作支持并行 I/O 操作，提升數據傳輸效率。
SD 卡：速度因類型而異，從 12.5MB/s 到 624MB/s 不等。SD NAND 在 SD 模式下的讀寫速度通常在 50MB/s 到 100MB/s 之間，性能優于 SPI 模式。

（3）容量

SPI NOR：提供較低的存儲容量，通常在幾 KB 到幾百兆字節（MB）之間。
SPI NAND：通常提供從幾百 MB 到幾 GB 的存儲容量。
eMMC：提供中等容量的存儲，一般從幾 GB 到幾百 GB，有多種容量選擇。
SD 卡：存儲容量方面的靈活性較高，可以根據 SD 卡的版本和規格提供不同的存儲容量，從幾百 MB 到數十 TB 不等。SD NAND 的容量覆蓋范圍比 SPI NAND 更廣，從幾 GB 到幾十 GB 不等。

（4）成本

SPI NOR：制造成本較低，適用于對成本敏感的應用。
SPI NAND：通常是三者中成本最低的，由于存儲密度較大且制造成本相對較低，適用于對成本要求很高的應用，但可能在速度和壽命上有一些妥協。
eMMC：由于其高集成度和大容量，制造和集成 eMMC 的成本相對較高，適合需要高性能和大容量的應用。
SD 卡：相對較為便宜，并且兼容性更好。

（5）應用場景

SPI NOR：適用于嵌入式系統、實時系統、傳感器數據存儲等，常用于存儲 Bootloader、操作系統內核等程序。
SPI NAND：適用于空間受限和成本敏感的應用，如工業控制、物聯網設備、嵌入式系統和單片機存儲擴展等。
eMMC：常見于移動設備，如智能手機、平板電腦等，也適用于對存儲容量要求較高的嵌入式系統。
SD 卡：主要用于消費類電子設備，例如數碼相機、智能手機和平板電腦等，也適用于需要高性能和大容量存儲的應用，如消費電子設備、便攜式媒體播放器等。

聯系

存儲介質基礎：它們都是基于閃存技術的存儲設備，用于存儲數據。
嵌入式應用：在嵌入式系統中都有廣泛的應用，為設備提供數據存儲功能。
可配合使用：在一些復雜的嵌入式系統中，可能會根據不同的需求和場景，將它們配合使用。例如在一些需要快速啟動和運行速度較快的系統中，可以使用 SPI NOR 來存儲 Bootloader 和操作系統內核等程序，而在一些需要大容量存儲和高可靠性的系統中，可以使用 SPI NAND 或 eMMC 來存儲大量的用戶數據和應用軟件。