So wählen Sie die richtigen Speicherchiptypen für Ihr Design aus

Im Folgenden erläutern wir die von Entwicklern verwendeten allgemeinen Parameter:

•  Hardwareschnittstellen bezeichnet die vielen Schnittstellen eines Speicherchips, die einen schnellen Datenzugriff und -abruf ermöglichen, ohne dabei die Speicherkapazitäten zu beeinträchtigen. Ein Speicherchip bildet die Schnittstelle zu Grafikkarten, Festplattenlaufwerken und dem Universal Serial Bus (USB).
•  Die Datenrate gibt an, wie schnell Anweisungen aus dem Programmspeicher abgerufen, in Signale für die CPU umgewandelt und ausgeführt werden.
•  Bandbreite oder Taktrate und Zugriffszeit beziehen sich auf die Datenmenge, die ein Speicherchip innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens verschieben, lesen, speichern oder verarbeiten kann. Sie kann in Bits, Bytes oder Hertz pro Sekunde (b/s, B/s oder Zyklen/s) ausgedrückt werden.
•  Speicherkapazität bezieht sich auf die Kapazität des Datenspeichers.
•  Die Speicherbandbreite ist die Geschwindigkeit, mit der ein Prozessor Daten von einem Halbleitergerät lesen oder darin speichern kann.
• Die Speichertaktung bestimmt die Gesamtbetriebsgeschwindigkeit des Prozessorsystems.
• Die Datenspeicherung gibt an, wie lange die Daten im Chip gespeichert werden können.
• Die Leistungseffizienz eines Chips ist geringer, wenn der Chip durchgehend von einer Energiequelle mit Energie versorgt werden muss.
• Schreiben/neu schreiben oder nur lesen gibt an, ob der Speicherchip häufig Schreib-/Neuschreibvorgänge ausführt. Im Nur-Lese-Speicher ist normalerweise ein ausführbares Programm gespeichert, das nur gelesen werden kann.
•  Die Temperaturtoleranz ist der Temperaturbereich, innerhalb dessen der Speicherchip zuverlässig funktionieren kann. Ein größerer Temperaturbereich weist auf eine bessere Fähigkeit des Chips hin, in rauen Umgebungen zu funktionieren.

Anhand der oben beschriebenen Parameter werden wir die vier häufigsten Kategorien der auf dem Markt verfügbaren Speicherchips vergleichen: Dynamic Random Access Memory (DRAM, dynamisches RAM), statisches RAM (SRAM), elektrisch löschbare programmierbare ROM (Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM) und Flash.

Im Primärspeicher oder RAM werden dynamisches RAM und statisches RAM verwendet, und im Sekundärspeicher oder ROM werden EEPROM und Flash verwendet. Obwohl sowohl der Primär- als auch der Sekundärspeicher erforderlich sind, unterscheiden sie sich in mehreren Aspekten. Traditionell bezieht sich Sekundärspeicher auf externe Speicher wie eine Festplatte. Mit dem Fortschritt der Speichertechnologie enthalten viele Sekundärspeicher heute Festkörperspeicher.

Primärspeicher: Vergleich zwischen DRAM und SRAM

Der Primärspeicher bzw. RAM-Speicher ist mit der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) verbunden. Infolgedessen ermöglicht der Primärspeicher einen schnelleren Datenzugriff. Während die Speicherkapazität des Primärspeichers jedoch begrenzt ist, wird der Sekundärspeicher für die langfristige Speicherung größerer Datenmengen verwendet. Der Primärspeicher ist flüchtig, temporär und muss durchgehend mit Strom versorgt werden, damit die gespeicherten Inhalte nicht verloren gehen. Wenn das System heruntergefahren wird, werden die Inhalte des Speichers gelöscht. Der Primärspeicher kann außerdem mehrere Male beschrieben und neu beschrieben werden.

DRAM und SRAM werden beide im Primärspeicher verwendet. Die Zellstruktur ist beim DRAM einfacher als beim SRAM. Das DRAM benötigt nur eine Speicherzelle, das SRAM hingegen mehrere. Folglich ist das DRAM deutlich günstiger, es bietet jedoch die gleiche Speicherdichte. Darüber hinaus kann das DRAM eine hohe Speicherdichte innerhalb kleiner Formfaktoren erzielen, was die Verbreitung in PCs und Workstations ermöglicht.

DRAM weist jedoch erhebliche Nachteile auf. Da die für die Datenspeicherung in DRAM-Zellen benötigte elektrische Ladung langsam abnimmt, müssen DRAM-Zellen regelmäßig wieder aufgefrischt oder neu beschrieben werden. Die Wiederauffrischung ist ein dynamischer Prozess – daher die Bezeichnung „DRAM“. Aufgrund der notwendigen Wiederauffrischung und der dauerhaft erforderlichen Energieversorgung bietet das DRAM eine nur geringe Leistungsfähigkeit bei hohem Energieverbrauch. Darüber hinaus beeinträchtigt die Wiederauffrischung auch die Betriebsgeschwindigkeit.

Da SRAM andererseits nicht aktualisiert werden muss, unterstützt es schnellere und zuverlässigere Lese- und Schreibzykluszeiten als DRAM. Darüber hinaus sind die SRAM-Zykluszeiten deutlich kürzer, da zwischen den Datenzugriffen keine Unterbrechungen notwendig sind. SRAM-Chips verfügen über mehr Speicherzellen pro Chip. Daher sind sie teurer und benötigen mehr Strom als DRAM-Chips. Infolgedessen wird das SRAM in der Regel für Cache- und Videospeicher verwendet, während das DRAM die bevorzugte Technologie für Halbleiterspeicher ist.

Neben einer höheren Betriebsgeschwindigkeit verfügt SRAM über eine höhere Betriebseffizienz als DRAM. Das DRAM arbeitet asynchron und verarbeitet Anfragen einzeln nacheinander. Das SRAM dagegen ist mit der Prozessoruhr synchronisiert und kann komplexere Vorgänge schneller verarbeiten.

Schließlich gibt es sowohl DRAM- als auch SRAM-Chips, die robust sind und über den Temperaturbereich verfügen, um industrielle und militärische Anwendungen zu unterstützen.

Sekundärspeicher: Vergleich zwischen EEPROM und Flash

Im Gegensatz zum Primärspeicher ist der Sekundärspeicher, oder ROM, nicht mit der CPU verknüpft. Infolgedessen erfolgt der Datenzugriff beim Sekundärspeicher langsamer. Da der Sekundärspeicher dauerhaft und nicht flüchtig ist, gehen die Daten bei einem Stromausfall, bei Stößen oder Vibrationen nicht verloren. Darüber hinaus verfügt der Sekundärspeicher über eine erheblich größere Datenspeicherkapazität und ist im Gegensatz zum Primärspeicher, der wiederholt beschrieben und neu beschrieben werden kann, hauptsächlich schreibgeschützt und wird selten geändert.

EEPROM ist ein ROM-Typ, der durch elektrische Impulse einer bestimmten Spannung wiederholt gelöscht und neu programmiert werden kann. Das Löschen und Neuprogrammieren eines EEPROM-Chips erfolgt byteweise. Daher lässt sich ein EEPROM möglicherweise nur langsam neu programmieren. Darüber hinaus ist die Programmierbarkeit von EEPROM eingeschränkt, was seine Lebensdauer verkürzt.

Aufgrund der geringen Datenspeicherkapazität und der unzuverlässigen Datenbeständigkeit werden EEPROMs nicht häufig verwendet. Der Datenspeicherungszeitraum bei EEPROMs ist begrenzt, da die in das Floating Gate eingebrachten Elektronen entweichen und infolgedessen Daten verloren gehen können. Nach einer bestimmten Zyklenzahl ist ein erneutes Beschreiben des EEPROMs nicht mehr möglich, was die Datenbeständigkeit einschränkt.

Aus diesem Grund werden EEPROMs hauptsächlich beim Rapid Device Prototyping eingesetzt, das eine einfache Neuprogrammierung und geringe Volatilität erfordert. Hersteller von Personalcomputern verwenden normalerweise EEPROM, um den Nur-Lese-Speicher neu zu programmieren. Da EEPROM-Chips zum Speichern ihrer Daten keinen Strom benötigen, werden sie häufig zum Speichern von BIOS-Informationen und grundlegender Software für Modems, Grafikkarten und andere Peripheriegeräte verwendet.

Im Laufe der Jahre hat der Flash-Speicher, eine effizientere Version von EEPROM, diesen in vielen Bereichen ersetzt. Im Gegensatz zum EEPROM, der Lese- und Schreibvorgänge byteweise ausführt, löscht und schreibt der Flash-Speicher Daten blockweise. Dadurch weist der Flash-Speicher eine höhere Leistungsfähigkeit auf als der EEPROM. Während einige Flash-Chips langsamer sind, weil sie erst beschrieben werden können, wenn sie gelöscht wurden, verfügen einige neuere Flash-Chips über eine Read-While-Write-Funktion (RWW), die gleichzeitiges Lesen und Schreiben ermöglicht.

Nicht UND (NAND) und nicht ODER (NOR) sind die beiden grundlegenden Typen von Flash-Speicher. Der Zugriff auf NAND-Flash-Speicher erfolgt wie bei Blockgeräten wie beispielsweise Festplatten. Der NAND-Flash-Speicher ist in ein Dateisystem unterteilt und wird als Speicher mit wahlfreiem Zugriff verwendet. Daher erfordert er eine Speichermanagementeinheit. Der NOR-Flash-Speicher kann hingegen wie ein herkömmlicher ROM von einzelnen Speicherzellen gelesen werden. Um die begrenzte Anzahl an Schreibzyklen (Lebensdauer) eines Flash-Laufwerks zu verlängern, wurde außerdem Wear Leveling entwickelt, um die Auswirkungen auf häufig genutzte Zellen oder Bereiche zu reduzieren.

Im Allgemeinen sind Flash-Chips besser tragbar als EEPROM-Chips. Allerdings sind Flash-Chips pro Byte zu teuer, um als Massenspeichergeräte verwendet zu werden. Derzeit wird Flash-Speicher im tragbaren Speicher für digitale Bilder eingesetzt – wie beispielsweise in SD-Karten für Digitalkameras, USB-Sticks, Mobiltelefonen, Pagern und Scannern. Flash-Speicherchips werden auch als Solid-State-Disks in Laptops und Speicherkarten für Videospielkonsolen verwendet.

So finden Sie die richtigen Speicherchips für Ihre Anforderungen

Ein Computer benötigt sowohl Primär- als auch Sekundärspeicher. Die beiden Speicherarten weisen verschiedene Merkmale hinsichtlich Hardwareschnittstelle, Datenrate, Speicherkapazität, Datenspeicherung, Leistungseffizienz und Lese-/Schreibvorgängen auf. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Speicherchips die für Ihr Design geeigneten Parameter. Die meisten Distributoren stellen zur Vereinfachung für Entwickler Speichersuchkriterien zur Verfügung.

Der Primärspeicher verwendet sowohl DRAM- als auch SRAM-Chips. Die größten Unterschiede bestehen hierbei in der regelmäßigen Wiederauffrischung und den geringeren Kosten des DRAM sowie der höheren Geschwindigkeit des SRAM. EEPROM- und Flash-Chips werden im Sekundärspeicher verwendet und unterscheiden sich deutlich hinsichtlich der Lösch- und Schreibvorgänge sowie in den höheren Kosten der Flash-Chips.

Es sind noch viele weitere Spezialspeicher verfügbar. DRAM, SRAM, Flash und EEPROM sind jedoch mit Abstand die beliebtesten Speicherchips für Designs. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Computerspeicherarten.

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