第十二章——嵌入式系统的存储体系

前言：
   计算机第十二章节主要知识点。

1 知识点介绍

• 存储器部件的分类
• 存储器的组织和构造
• 常见的嵌入式系统存储设备

2 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）

3 信息存取方式分类

  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。

4 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。

5 常见的嵌入式系统存储设备

5.1 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）

  SRAM笔DRAM运行速度快，SRAM笔DRAM耗电多，DRAM需要周期性刷新。

5.2 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。
• 在嵌入式系统中，ROM用于存储固定数据和程序。

  常见ROM有。

• Mask ROM（掩膜ROM）
• PROM（Programmable ROM，可编程ROM）
• EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦写ROM）
• EEPROM（电可擦除可编程ROM，也可表示为E2PROM）
• Flash ROM（闪存存储器）

5.3 ROM的种类与选型

• 常见ROM的种类
• 常见ROM的特点

5.4 常见ROM的种类

  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，适合存储需要长期保留的不变数据。
 &emps;在嵌入式系统中，ROM用于存储固定数据和程序。
  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，可编程ROM）：出厂时厂家没有写入数据，保留里面的内容为全0或全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（闪速存储器）：断电不会丢失数据，快速读取，电可擦写可编程。

5.5 常见ROM的特点

  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编程元件为：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。

5.6 Flash的种类与选型

• Flash的种类
• Flash的特点

5.6.1 Flash的种类

  Flahs 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，已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。

5.6.2 Flash的特点

5.6.2.1 共同特点

  区块结构：Flash Memory在物理结构上分成若干个区块，区块之间互相独立。

• NOR Flash把整个存储区分成若干个扇区（Sector）
• NAND Flash把整个存储区分成若干个块（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，它必须输入一串特殊的指令（NOR Flash），或者完成一段时序（NAND Flash）才能将数据写入到Flash Memory中。

&mesp; 位反转。

• 所有Flash Memory器件存在位交换现象。
• Flash Memory在读写数据时，偶尔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。

5.6.2.2 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的传输效率很高，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块内所有的位都写为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的读速度笔NAND Flash稍快一些。
• NAND Flash的写入速度笔NOR Flash快很多。
• 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位总线/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。

  容量成本。

• NOR Flash容量通常在1~8MB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。适用于资料存储。

  寿命。

• NAND Flash中每个块的最大擦写次数是一百万次。
• 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u、通常产品、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）。

5.6.3 例题

1. 在嵌入式系统设计中，一般包含多种类型的存储资源，比如ROM、EEPROM、NAND Flash、Nor Flash、DDR、SD卡等。下面关于这些资源的描述中，正确是（）。

A. EEPROM是电不可擦除的ROM
B. Nand Flash上面的代码不能直接运行
C. NOR Flash上面的代码不能直接运行，需要通过加载的过程
D. ROM是用来存储数据的，其上面的数据可以随意更新，任意读取

5.7 RAM的种类与选型

• 常见RAM的种类
• 常见RAM的特点

5.7.1 RAM的种类

  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，但制造成本高，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。

5.7.2 RAM的特点

  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、EDO、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，内部的命令发送与数据的传输都以它为基准。
• 动态是指存储器阵列需要不断的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表示双倍速率同步动态随机存取存储器，也称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内存宽度可以达到 $133 \times 64b \div 8 \times 2 = 2.1GB/s$ 。
• 差分输入方式。

5.7.3 例题

1. 嵌入式存储器系统设计中，一般使用3种存储器接口电路：NOR Flash接口、NAND Flash接口和SDRAM接口电路，以下叙述中错误的是（C）。

A. 系统引导程序可以放在NOR Flash中，也可以放在NAND Flash
B. 存储在NOR Flash中的程序可以直接运行
C. 存储在NAND Flash中的程序可以直接运行
D. SDRAM不具有掉电保持数据的特性，其访问速度要大于Flash存储器。

5.8 外部存储器的种类与型号

• 常见外存的种类
• 硬盘
• 光盘
• 标准存储卡（CF卡）
• 安全数据卡（SD卡）

5.8.1 外存的种类

  外部存储器：也称辅助存储器，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。

5.8.2 硬盘

  硬盘存储器可分为：温切斯特盘和非温切斯特盘两类。

• 温切斯特盘是根据温切斯特技术设计制造的，它的磁头、盘片、磁头定位机构、主轴、甚至连续/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。
• 温切斯特盘的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。
• 非温切斯特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。

5.8.3 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-ROM：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

5.8.4 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 $43mm \times 36mm \times 3.3mm$ ，CF卡同时还支持3.3v和5v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。

5.8.5 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互换，它笔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卡略微厚一些， $32mm \times 24mm \times 2.1mm$ 。