FPGA中ROM与RAM相关知识汇总

一、基本概念

最熟悉的两个词语应该是RAM与ROM，RAM（Random Access Memory）的全名为随机存取记忆体，它相当于PC机上的移动存储，用来存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写，RAM通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质，它的一切都是最好的，唯一缺点断电一切东西都没有了。

一般情况下，现在移动设备也多了，我们叫它内存，更通常的叫运行内存。还有一个熟悉的词DDR2或DDR3，后面还会学习到的。

RAM 有两大类，一种称为静态RAM（Static RAM/SRAM），SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。

另一种称为动态RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM是通过在电容器中积累电荷来保存数据的存储元件，电容器中充电状态是1，放电状态是0，由于电容器中的电荷在一点时间后会衰减，所以DRAM需要定期重新写入数据的Refrash操作，DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快。

但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。DRAM分为很多种，根据访问方式和规格的不同，分为不同的种类常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等。

DDR RAM（Double-Date-Rate RAM）也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。

最早的为 FP DRAM，也称作快页内存，不过限于其定时刷新的工作原理，所以导致这种内存的数据存取速度并不快。但是这种内存却意外地成为了内存发展承上启下的关键因素。因为之后的内存规范，与FP DRAM在工作原理上可谓是非常相似。

随后EDO RAM出现在众人面前，这种内存也属于72Pin SIMM内存的范畴，不过由于有着更大的容量和更先进的寻址方式，所以在486时代非常盛行。这种内存与FP DRAM原理大致相同，但是由于这种内存简化了数据访问的流程，所以在存取速度上要比传统的DRAM要快上不少。

速度虽然缓慢，看到了RAM的重要性，出现了SDRAM。而第一代SDRAM被称为SDR SDRAM（Single Data Rate SDRAM）。64bit的带宽与当时处理器的总线宽度保持一致，这就表示一条SDRAM就能够让电脑正常运行，这样大大地降低了内存的购买成本。

由于内存的传输信号与处理器外频同步，所以在传输速度上，DIMM标准SDRAM要大幅领先于SIMM内存。SDRAM出世之时恰逢Intel和AMD的主频大战，无论是主频、倍频和外频都在不断进行变化。倍频和主频的提升对于内存来说并不是问题，真正的问题在于处理器外频的提高需要SDRAM工作在更高的频率上。

所以SDRAM的频率也经过了数次升级。从最早的PC66到PC133，从SDRAM频率的变化就能看出处理器外频的升级。而在超频市场中，为了能够让处理器外频达到更高的水平，市面上还出现了PC150、PC166等规格，可以说SDRAM在频率上更加灵活，性能也能够满足平台的需求。

DDR SDRAM英文名称为Dual Date Rate SDRAM，从字面意思上也能知道，这种内存比第一代的SDR SDRAM多出一倍的传输速率。其秘密就在于DDR SDRAM在数据传输中同时使用了信号的上升沿和下降沿，这样在相同的时钟下，DDR SDRAM的传输速率得到了成倍的提高。

ROM（Read Only Memory）的全名为唯读记忆体，它相当于PC机上的硬盘，用来存储和保存数据。ROM数据不能随意更新，但是在任何时候都可以读取。即使是断电，ROM也能够保留数据。但是资料一但写入后只能用特殊方法或根本无法更改，但这么久了ROM已经有了很大的发展，不再是最初的摸样了。

rom最初不能编程，出厂什么内容就永远什么内容，不灵活。后来出现了prom，可以自己写入一次，要是写错了，只能换一片，自认倒霉。人类文明不断进步，终于出现了可多次擦除写入的EPROM，每次擦除要把芯片拿到紫外线上照一下，想一下你往单片机上下了一个程序之后发现有个地方需要加一句话，为此你要把单片机放紫外灯下照半小时，然后才能再下一次，这么折腾一天也改不了几次。

历史的车轮不断前进，伟大的EEPROM出现了，拯救了一大批程序员，终于可以随意的修改rom中的内容了，这一段话就说出了ROM的发展历程。

狭义的EEPROM：这种rom的特点是可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写入0或者1。这是最传统的一种EEPROM，掉电后数据不丢失，可以保存100年，可以擦写100w次。具有较高的可靠性，但是电路复杂/成本也高。

它的改写是由高电压或者由控制端的逻辑电平来完成的。因此目前的EEPROM都是几十千字节到几百千字节的，绝少有超过512K的。我们也就发现了EEPROM的确可以实现随意读写，EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。

可介绍的这两种都不存在大容量并且也十分昂贵，那我们平时见到的几十G的存储设备是什么？flash就应运而生了。flash属于广义的EEPROM，因为它也是电擦除的rom。但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的EEPROM，我们都叫它flash。flash做的改进就是擦除时不再以字节为单位，而是以块为单位，一次简化了电路，数据密度更高，降低了成本。上M的rom一般都是flash。

ROM的应用

对数指数、三角函数等常规计算通过写出真值表，将自变量以地址码的形式输至ROM，用ROM表来实现。还有码制转换，例如二进制码转格雷码。脉冲序列发生器，伪彩色处理电路，也就是将一幅黑白图像变成彩色图像显示，将灰度图像对应到red ， green ， blue三个通道上，最后将三个通道的颜色值合成为需要显示的RGB颜色值即可。具体可参考 https://blog.csdn.net/huixingshao/article/details/42706699 。

接下来说一下flash的分类，flash分为nor flash和nand flash。nor flash数据线和地址线分开，可以实现ram一样的随机寻址功能，可以读取任何一个字节。但是擦除仍要按块来擦。nand flash同样是按块擦除，但是数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址。

读取只能按页来读取。NOR Flash的读取，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码。NAND Flash没有采取内存RAM的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。

用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。nandflash引脚上复用，因此读取速度比nor flash慢一点，但是擦除和写入速度比nor flash快很多。

nand flash内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，成本也低。因此大容量的flash都是nand型的。小容量的2～12M的flash多是nor型的。nor flash可以进行字节寻址，所以程序可以在nor flash中运行。嵌入式系统多用一个小容量的nor flash存储引导代码，用一个大容量的nand flash存放文件系统和内核。

编辑：jq