由浅入深介绍各种新型存储器

所有使用者对"存储器"这个名词可是一点都不陌生，因为所有的电子产品都必须用到存储器，且通常用到不只一种存储器，说它是一种"战略物资"也不为过！不过对于存储器种类、规格与形式，很多人容易搞混，例如：身为"执行"程序（资料）的 DRAM ，以及"储存"程序与资料的 Flash ROM 就是一例，这篇专辑将由浅入深为大家介绍各种新型存储器的结构与运作模式。

存储器的分类

电的存储器是指电写电读的存储器，主要分为两大类，如图一所示：

挥发性存储器（Volatile Memory，VM）：电源开启时资料存在，电源关闭则资料立刻流失（资料挥发掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非挥发性存储器（Non-Volatile Memory，NVM）：电源开启时资料存在，电源关闭资料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。▲ 图一：存储器的分类。

存储器的单元

存储器的"单元"（Cell）是指用来存取资料的最小结构，如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电容（Capacitor）则称为"1T1C"；如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电阻（Resistor）则称为"1T1R"；如果含有一个二极体（Diode）与一个电阻（Resistor）则称为"1D1R"。

存储器的每个"单元"不一定只能储存 1 个位的资料，由于我们对存储器容量的要求越来越高，每个"单元"能储存的资料越来越多，依照每个"单元"能储存的资料位数又分为：单层单元（Single-Level Cell，SLC）、多层单元（Multi-Level Cell，MLC）、三层单元（Triple-Level Cell，TLC）、四层单元（Quad-Level Cell，QLC）等。

存储器阶层（Memory hierarchy）

要了解电子产品的各种存储器配置，就必须先介绍"存储器阶层"（Memory hierarchy）观念。存储器阶层是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种存储器妥善分配，才能达到最大的经济效益，使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。

图二为存储器阶层示意图，由上而下依序为暂存器、快取存储器、主存储器、辅助存储器：

暂存器（Register）：在处理器内，用来设定处理器的功能，主要是"暂时储存"设定值的地方。

快取存储器（Cache memory）：在处理器内，执行程序时"暂时储存"程序与资料的地方，通常以 SRAM 制作。

主存储器（Main memory）：在处理器外，"暂时储存"程序与资料的地方，通常以 DRAM 制作，目前已经改良成 SDRAM 或 DDR。

辅助存储器（Assistant memory）：在处理器外，"永久储存"程序与资料的地方，包括：快闪存储器、磁盘机、光盘机、磁带机等。

不同种类的存储器分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格：

储存容量：辅助存储器（GB）> 主存储器（MB）> 快取存储器（KB）> 暂存器（B）。

工作速度：辅助存储器（1ms）< 主存储器（10ns）< 快取存储器（1ns）< 暂存器（1ns）。

单位价格：辅助存储器 < 主存储器 < 快取存储器 < 暂存器。

▲ 图二：存储器阶层示意图。

存储器的应用

所有的电子产品都必须用到存储器，而且通常用到不只一种存储器，由于存储器的种类繁多，常常让使用者混淆，我们简单说明不同存储器之间的差异，图三为手机主要芯片的系统方块图（System block diagram），包括：应用处理器（Application processor）、基带处理器（Baseband processor）、运动控制器（Motion Controller）。

应用处理器主要是执行操作系统（Operating System，OS）与应用程序（Application program，App），暂存器与快取存储器目前都是内建在处理器内，其中暂存器用来设定处理器的功能，用来设定暂存器数值的程序，也就是用来趋动硬件的软件程序又称为"固件"（Firmware）；快取存储器是在执行程序时用来"暂时储存"程序与资料的地方，由于在处理器内离运算单元比较近，可以缩短程序与资料来回的时间，加快程序的执行速度因此称为"快取"（Cache）。

由于快取存储器成本较高因此容量不大，如果执行程序时放不下，则可以退一步放在主存储器内，可是目前主存储器所使用的 SDRAM 或 DDR，属于挥发性存储器，电源关闭则资料立刻流失，因此关机后资料必须储存在非挥发性的辅助存储器内，早期辅助存储器使用磁盘机、光盘机、磁带机等，由于半导体制程的进步，目前大多使用快闪存储器（Flash ROM），或所谓的固态硬盘（Solid State Disk，SSD），固态硬盘其实也是使快闪存储器制作。

由于快取存储器（SRAM）与主存储器（SDRAM、DDR）是执行程序用来"暂时储存"程序与