第十二章 嵌入式系统的存储体系

存储器部件的分类

• 按在系统中的地位分类：
  • 主存储器（Main Memory简称内存或主存）
  • 辅助存储器（Auxiliary Memory，Secondary Memory，简称辅存或外存）
• 内存通常用来容纳当前正在使用的或要经常使用的程序和数据，CPU可以直接对内存进行访问
  • 内存一般都用快速存储器件来构成，内存的存取速度很快，但内存空间的大小受到地址总线位数的限制
  • 系统软件中如引导程序、监控程序或者操作系统中的基本输入/输出部分BIOS都是必须常驻内存
  • 更多的系统软件和全部应用软件则在用到时由外存传送到内存
• 外存也是用来存储各种信息的，存放的是相对来说不经常使用的程序和数据，其特点是容量大
  • 外存总是和某个外部设备相关的，常见的外存有软盘、硬盘、U盘、光盘等
  • CPU要使用外存的这些信息时，必须要通过专门的设备将信息先传送到内存中
• 按存储介质分类
  • 磁存储器（Magnetic Memory）
  • 半导体存储器
  • 光存储器（Optical Memory）
  • 激光光盘存储器（Laser Optical Disk）
• 按信息存取方式分类
  • 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）
  • 只读存储器（Read Only Memory，ROM）
• 随机存取存储器是一种在机器运行期间可读、可写的存储器，又称读写存储器

存储器的组织和结构

• 存储器的参数：容量、数据宽度
• 存储器的容量是描述存储器的最基本参数，如4MB。存储器的表示不唯一，不同表示方法有不同的数据宽度
• 在存储器内部，数据是存放在二维阵列存储单元中
  • 阵列以二维的形式存储，给出的n位地址被分成行地址和列地址（n=r+c）。r是行地址数，c是列地址数
  • 行列选定一个特定存储单元

常见的嵌入式系统存储设备

RAM（随机存储器）

• RAM可以被读和写，地址可以以任意次序被读

• 常见RAM的种类有

  • SRAM（Static RAM，静态随机存储器）
  • DRAM（Dynamic RAM，动态随机存储器）
  • DDRAM（Double Data Rate SDRAM，双倍速率随机存储器）

• SRAM比DRAM运行速度快，SRAM比DRAM耗电多，DRAM需要周期性刷新

• DDRAM是SDRAM的下一代产品，与SDRAM本质相同

  • SDRAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器

SRAM

• SRAM表示静态随机存取存储器
• 只要供电它就会保持一个值，没有刷新周期
• 由触发器构成基本单元，集成度低
• 每个SRAM存储单元由6个晶体管组成，成本较高
• 速率较高，常用于高速缓冲存储器
• 通常SRAM有4种引脚
  • CE：片选信号，低电平有效
  • R/W’：读写控制信号
  • ADDRESS：一组地址线
  • DATA：用于数据传输的一组双向信号线

DRAM

• DRAM表示动态随机存取存储器
• 是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器
• 存储单元由1个晶体管和1个电容器组成，数据存储在电容器中
• 必须定时刷新，因此DRAM在使用时必须配合DRAM控制器
• 为了提高系统的数据吞吐能力，可以采用多种技术提高DRAM系统的性能，包括：页模式、ECO、同步DRAM

• DRAM的接口比较复杂，通常有以下引脚
  • CE：片选信号，低电平有效
  • R/W’：读写控制信号
  • RAS’：行地址选通信号，通常接地址的高位部分
  • CAS’：列地址选通信号，通常接地址的低位部分
  • ADDRESS：一组地址线
  • DATA：用于数据传输的一组双向信号线

SDRAM

• SDRAM表示同步动态随机存取存储器
• 同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令发送和数据的传输都以它为基准
• 动态是指存储器阵列需要不断地刷新来保证数据不丢失
• 通常只能工作在133MHz的主频
• SDRAM可读/可写，不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器

DDRAM

• DDRAM表示双倍率同步动态随机存取存储器，也称为DDR
• 基于SDRAM技术
• 双倍预取技术，即在内存芯片内部的数据宽度是外部接口数据宽度的2倍，使峰值的读写速度达到输入时钟速率的2倍
• 允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿均传输数据
• 在133MHz的主频下，DDR内存带宽可以达到133x64b/8x2=2.1GB/s
• 差分输入方式

ROM（只读存储器）

• ROM在烧入数据后，无需外加电源来保存数据，断电后数据不丢失，但速度较慢，适合存储需长期保留的不变数据
• 在嵌入式洗系统中，ROM用于固定数据和程序
• 常见ROM有
  • Mask ROM（掩膜ROM）
    • 一次性由厂家写入数据的ROM，用户无法修改
  • PROM（Programmable ROM，可编写ROM）
    • 出厂时厂家没有写入数据，保留里面的内容为全0和全1，由用户来编程一次性写入数据
  • EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦写ROM）
    • 可以通过紫外线光的照射，擦掉原先的程序，芯片可重复擦除和写入。写入时间较长
  • EEPROM（电可擦除可编程ROM，也可表示为E2PROM）
    • 通过加电擦除原编程数据，通过高压脉冲可以写入数据
  • Flash ROM
    • 断电不会丢失数据，快速读取，电可擦写可编程
• PROM、EPROM、EEPROM的共同之处
  • 可编程的只读存储器
  • 属于非易失性元件
  • 芯片为有限次写入
• PROM、EPROM、EEPROM的不同之处
  • PROM为一次编程器件；EPROM为电编程、紫外线擦除器件、EEPROM电编程、电擦写
  • PROM编程元件：熔丝型开关或者非熔丝型开关（PLICE：多晶硅）
  • EPROM编程元件：叠栅型（SIMOS）浮栅
  • EEPROM编程元件：隧道型（FLOTOX）浮栅

FLASH

• Flash memory（闪速存储器）是嵌入式系统中重要的组成部分，用来存储程序和数据，掉电后数据不会丢失
• 但在使用Flash Memory时，必须根据其自身特性，对存储系统进行特殊设计，以保证系统的性能达到最优
• Flash Memory是一种非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory），根据结构的不同可以分为：NOR Flash、NAND Flash

NOR Flash和NAND Flash相同特点

• 区块结构：Flash Memory在物理结构上分成若干个区块，区块之间相互独立
  • NOR Flash把整个存储区分成若干个扇区（Sector）
  • NAND Flash把整个存储区分为若干个块（Block）
  • 可以对以块或扇区为单位的内存单元进行先擦写和再编程
• 先擦后写：由于Flash Memory的写操作只能将数据位从1写成0，而不能从0写成1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作，将预写入的数据位初始化为1
  • 擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节
• 操作指令：除了NOR Flash的读，Flash Memory的其他操作不能像RAM那样，直接对目标地址进行总线操作
  • 例如执行一次写操作，它必须输出一串特殊的指令（NOR Flash），或者完成一段时序（NAND Flash）才能将数据写入到Flash Memory中
• 位反转：
  • 所有的Flash Memory器件存在位交换现象
  • Flash Memory在读写数据时，偶然会产生一位或几位数据错误，即位反转
  • 位反转无法避免，只能通过其他手段对产生的结果进行事后处理
  • 位反转的问题多见于NAND Flash。供货商建议使用NAND Flash的时候，同时使用EDC/ECC（错误探测/错误纠正）算法，以确保可靠性
• 坏块
  • Flash Memory在使用过程中，可能导致某些区块的损坏
  • 区块一旦损坏，将无法进行修复
  • NAND Flash中的坏块是随机分布的，尤其是NAND Flash在出厂时就可能存在这样的坏块（已经被标识出）
  • NAND Flash需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用
  • 如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预测的错误

NOR Flash和NAND Flash不同特点

• 应用程序可以直接在NOR Flash内运行，不需要再把代码读到系统RAM中运行
• NOR Flash的传输速率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能
• NAND Flash结构可以达到高存储器密度，写入和擦除的速度很快，应用NAND Flash的困难在于需要特殊的系统接口
• 性能比较
  • NAND Flash执行擦除操作是十分简单的
  • NOR型内存则要求在进行擦除前先要将目标内所有的位都写为0
  • 由于擦除NOR Flash时是以64~128KB为单位的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s
  • 擦除NAND Flash是以8~32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms
  • NOR Flash的读速度比NAND Flash稍快一些
  • NAND Flash的写入速度比NOR FLash块很多
  • NAND Flash的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取
  • NAND Flash的4ms擦除速度远比NOR Flash的5s快
• 接口差别
  • NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节
  • NAND Flash地址、数据和命令共用8位/16位总线，每次读写都要使用复杂的I/O接口串行地存取数据，8位总线/16位总线用来传送控制、地址和资料信息
  • NAND Flash读和写操作采用512B的块，类似硬盘管理操作
    • 因此，基于NAND的闪存可以取代硬盘或其他块设备
• 容量和成本
  • NOR Flash容量通常在1MB~8MB之间，主要应用在代码存储介质中
  • NAND Flash用在8MB以上的产品当中。使用与资料存储
• 寿命
  • 在NAND Flash中每个块的最大擦写次数时一百万次
  • NOR Flash的擦写次数是十万次
  • NAND Flash除了具有10:1的块擦除周期优势，典型的NAND Flash块尺寸要比NOR型闪存小8倍，每个NAND Flash的内存块在给定的时间内删除次数要少一些
• 软件支持
  • 在NOR Flash上运行代码不需要任何的软件支持
  • 在NAND Flash上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序（MTD）
  • NAND Flash和NOR Flash在进行写入和擦除操作时都需要MTD
• 市场定位
  • NOR Flash：对数据可靠性要求较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域，也被称为代码闪存（Code Flash）
  • NAND Flash：对存储容量要求较高的MP3、存储卡、U盘等领域，也被称为数据闪存（Data Flash）

常见外存的种类

• 外部存储器：也称为辅助存储器，简称外存或辅存
  • 容量比主存大、读取速度较慢
  • 通常用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用的程序和数据

硬盘

• 硬盘存储器具有存储容量大，使用寿命长，存取速度较快的特点，也是在嵌入式系统中常用的外存
• 硬盘存储器的硬件包括
  • 硬盘控制器（适配器）
  • 硬盘驱动器
  • 连接电缆
• 硬盘控制器（Hard Disk Controller，简称HDC）对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相连
• 硬盘驱动器（Hard Disk Drive，简称HDD）中有盘片、磁头、主轴电机（盘片旋转驱动机构）、磁头定位机构、读/写电路和控制逻辑等
• 硬盘存储器可分为：温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类
  • 温彻斯特盘是根据温彻斯特技术设计制造的，它的磁头、盘片、磁头定位机构、主轴、甚至连读/写驱动电路等都被密封在一个盘盒内，构成一个头-盘组合体
  • 温彻斯特盘的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高
  • 非温彻斯特盘磁盘的磁头和盘片等不是密封的，通常只能用于中型、大型计算机机房中
• 最常见的硬盘接口是IDE（ATA）和SCSI两种，一些移动硬盘采用PCMCIA或USB接口
• SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）不是专为硬盘设计的，是一种总线型接口
  • SCSI独立于系统总线工作，其系统占用率极低，但其价格昂贵
  • 具有这种接口的硬盘大多用于服务器等高端应用场合

光盘

• 光盘：用光学方式读/写信息的圆盘
• 光盘存储器：以光盘为存储介质的存储器
• 光盘的类型
  • CD-RAM：Compact Disc Read Only Memory
  • CD-R：采用WORM（Write One Read Many）标准
  • CD-RW：可重复读/写
  • DVD-ROM：通用数字化多功能光盘，简称高容量CD

标准存储卡（CF卡）

• CF存储卡是由美国SanDisk公司于1994年研制成功的
• CF卡的大小为43mm x 36mm x 3.3mm，CF卡同时支持3.3伏和5伏的电压，可以在这两种电压下工作
• CF卡（Compact Flash）接口具有PCMCIA-ATA功能，可以工作在IDE接口模式，也可以工作在PC Card模式
• CF卡主要在PDA、笔记本电脑、数码相机和包括台式机在内的各种设备

安全数据卡（SD卡）

• SD卡是由日本松下公司、东芝公司和美国SanDisk公司于1999年8月共同研制开发而成的
• SD卡是根据MMC卡开发的，但是基本上两者还是不同的产品，只是在设计时考虑到兼容问题，所以在大多数情况下这两种产品能够互换，它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护功能
• 多用于MP3、数码相机、电子图书、微型电脑和AV器材等。尺寸大小比MMC卡略厚一些，为32mm x 24mm x 2.1mm