電子設備不可或缺的關鍵零組件：存儲器

所有使用者對「存儲器」這個名詞可是一點都不陌生，因為所有的電子產品都必須用到存儲器，且通常用到不只一種存儲器，說它是一種「戰略物資」也不為過！不過對於存儲器種類、規格與形式，很多人容易搞混，例如：身為「執行」程序（資料）的 DRAM ，以及「儲存」程序與資料的 Flash ROM 就是一例，這篇專輯將由淺入深為大家介紹各種新型存儲器的結構與運作模式。

電的存儲器是指電寫電讀的存儲器，主要分為兩大類，如圖一所示：

揮發性存儲器（Volatile Memory，VM）：電源開啟時資料存在，電源關閉則資料立刻流失（資料揮發掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非揮發性存儲器（Non-Volatile Memory，NVM）：電源開啟時資料存在，電源關閉資料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。

圖一：存儲器的分類。

存儲器的單元

存儲器的「單元」（Cell）是指用來存取資料的最小結構，如果含有一個電晶體（Transistor）與一個電容（Capacitor）則稱為「1T1C」；如果含有一個電晶體（Transistor）與一個電阻（Resistor）則稱為「1T1R」；如果含有一個二極體（Diode）與一個電阻（Resistor）則稱為「1D1R」。

存儲器的每個「單元」不一定只能儲存 1 個位的資料，由於我們對存儲器容量的要求越來越高，每個「單元」能儲存的資料越來越多，依照每個「單元」能儲存的資料位數又分為：單層單元（Single-Level Cell，SLC）、多層單元（Multi-Level Cell，MLC）、三層單元（Triple-Level Cell，TLC）、四層單元（Quad-Level Cell，QLC）等。

要了解電子產品的各種存儲器配置，就必須先介紹「存儲器階層」（Memory hierarchy）觀念。存儲器階層是指如何將儲存容量不同、運算速度不同、單位價格不同的多種存儲器妥善分配，才能達到最大的經濟效益，使產品的運算速度合理、儲存容量合理、產品價格合理。

圖二為存儲器階層示意圖，由上而下依序為暫存器、快取存儲器、主存儲器、輔助存儲器：

暫存器（Register）：在處理器內，用來設定處理器的功能，主要是「暫時儲存」設定值的地方。

快取存儲器（Cache memory）：在處理器內，執行程序時「暫時儲存」程序與資料的地方，通常以 SRAM 製作。

主存儲器（Main memory）：在處理器外，「暫時儲存」程序與資料的地方，通常以 DRAM 製作，目前已經改良成 SDRAM 或 DDR。

輔助存儲器（Assistant memory）：在處理器外，「永久儲存」程序與資料的地方，包括：快閃記憶體、磁碟機、光碟機、磁帶機等。

不同種類的存儲器分別有不同的儲存容量、工作速度、單位價格：

儲存容量：輔助存儲器（GB）> 主存儲器（MB）> 快取存儲器（KB）> 暫存器（B）。

工作速度：輔助存儲器（1ms）< 主存儲器（10ns）< 快取存儲器（1ns）< 暫存器（1ns）。

單位價格：輔助存儲器 < 主存儲器 < 快取存儲器 < 暫存器。

圖二：存儲器階層示意圖。

存儲器的應用

所有的電子產品都必須用到存儲器，而且通常用到不只一種存儲器，由於存儲器的種類繁多，常常讓使用者混淆，我們簡單說明不同存儲器之間的差異，圖三為手機主要晶元的系統方塊圖（System block diagram），包括：應用處理器（Application processor）、基頻處理器（Baseband processor）、運動控制器（Motion Controller）。

應用處理器主要是執行操作系統（Operating System，OS）與應用程序（Application program，App），暫存器與快取存儲器目前都是內建在處理器內，其中暫存器用來設定處理器的功能，用來設定暫存器數值的程序，也就是用來趨動硬體的軟體程序又稱為「固件」（Firmware）；快取存儲器是在執行程序時用來「暫時儲存」程序與資料的地方，由於在處理器內離運算單元比較近，可以縮短程序與資料來回的時間，加快程序的執行速度因此稱為「快取」（Cache）。

由於快取存儲器成本較高因此容量不大，如果執行程序時放不下，則可以退一步放在主存儲器內，可是目前主存儲器所使用的 SDRAM 或 DDR，屬於揮發性存儲器，電源關閉則資料立刻流失，因此關機後資料必須儲存在非揮發性的輔助存儲器內，早期輔助存儲器使用磁碟機、光碟機、磁帶機等，由於半導體製程的進步，目前大多使用快閃記憶體（Flash ROM），或所謂的固態硬碟（Solid State Disk，SSD），固態硬碟其實也是使快閃記憶體製作。

由於快取存儲器（SRAM）與主存儲器（SDRAM、DDR）是執行程序用來「暫時儲存」程序與資料的地方，與處理器內的運算單位直接使用匯流排（Bus）連接，一般都是用「位」（bit）來計算容量；而輔助存儲器是「永久儲存」程序與資料的地方，由於一個位組（Byte）可以儲存一個半型字，因此一般都是用「位組」（Byte）來計算容量。

圖三：手機主要晶元的系統方塊圖（System block diagram）。

靜態隨機存取存儲器（SRAM：Static RAM）

以 6 個電晶體（MOS）來儲存 1 個位（1bit）的資料，而且使用時「不需要」周期性地補充電源來保持記憶的內容，故稱為「靜態」（Static）。

SRAM 的構造較複雜（6 個電晶體儲存 1 個位的資料），不使用電容所以存取速度較快，但是成本也較高，因此一般都製作成對容量要求較低但是對速度要求較高的存儲器，例如：中央處理器（CPU）內建 256KB、512KB、1MB 的「快取存儲器」（Cache memory），一般都是使用 SRAM。

動態隨機存取存儲器（DRAM：Dynamic RAM）

以一個電晶體（MOS）加上一個電容（Capacitor）來儲存一個位（1bit）的資料，而且使用時「需要」周期性地補充電源來保持記憶的內容，故稱為「動態」（Dynamic）。

DRAM 構造較簡單（一個電晶體加上一個電容），由於電容充電放電需要較長的時間造成存取速度較慢，但是成本也較低，因此一般製作成對容量要求較高但是對速度要求較低的存儲器，例如：個人電腦主機板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是屬於一種 DRAM。由於處理器的速度越來越快，傳統 DRAM 的速度已經無法滿足要求，因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等兩種型式來使用。

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