嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理及應(yīng)用課件-存儲系統(tǒng)01

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計嵌入式系統(tǒng)設(shè)計電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院辛?xí)詭浶習(xí)詭?C H A P T E R存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)IBM的創(chuàng)始人赫爾曼的創(chuàng)始人赫爾曼 霍爾瑞斯教授，他于霍爾瑞斯教授，他于1888年發(fā)明自動制表機年發(fā)明自動制表機首個使用打孔卡技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機器。首個使用打孔卡技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機器。存儲器系統(tǒng)概述歷史1932年奧地利的Gustav Tauschek發(fā)明了磁鼓存儲器。作為計算機的主干工作存儲器，磁鼓存儲器廣泛用于20世紀(jì)五六十年代。存儲器系統(tǒng)概述歷史存儲器系統(tǒng)概述歷史1956年9月13日，IBM305RAMAC計算機問世。隨之一起誕生的是世界上第一款硬盤IBM M

2、odel 350硬盤，它由50塊24英寸磁盤構(gòu)成，總?cè)萘繛?百萬個字符（不到5MB）。 在1950年代，IBM最早把盤式磁帶用在數(shù)據(jù)存儲上。因為一卷磁帶可以代替1萬張打孔紙卡，于是它馬上獲得了成功，成為直到80年代之前最為普及的計算機存儲設(shè)備。存儲器系統(tǒng)概述歷史1978年年12月月5日，首款商用激光光盤上市日，首款商用激光光盤上市 存儲器系統(tǒng)概述歷史存儲器系統(tǒng)概述常見存儲設(shè)備Flash Memory由由Toshiba于于1980年申請專利，并在年申請專利，并在1984年的國際半年的國際半導(dǎo)體學(xué)術(shù)會議上首先發(fā)表。導(dǎo)體學(xué)術(shù)會議上首先發(fā)表。存儲器系統(tǒng)概述常見存儲設(shè)備存儲器系統(tǒng)概述存儲系統(tǒng)層次架構(gòu)nS

3、0層為CPU內(nèi)部寄存器nS1層為芯片內(nèi)部的高速緩存（cache）n內(nèi)存S2層為芯片外的高速緩存（SRAM、DRAM、SDRAM）nS3層為主存儲器（Flash、PROM、EPROM、EEPROM）nS4層為外部存儲器（磁盤、光盤、CF、SD卡）nS5層為遠(yuǎn)程二級存儲（分布式文件系統(tǒng)、Web服務(wù)器）存儲器系統(tǒng)概述分類存儲器系統(tǒng)概述分類按存取方式分類按存取方式分類n（1 1）隨機存儲器）隨機存儲器RAM(RAM(RandomAccessMemory) ) a. 靜態(tài)RAM b. 動態(tài)RAMn（2 2）只讀存儲器）只讀存儲器ROMROM a. 掩模式ROM； b. 熔煉式可編程的PROM， c. 可

4、用紫外線擦除、可編程的EPROM; d. 可用電擦除、可編程的E2PROM等。 e. 閃速存儲器（Flash Memory）：簡稱閃存隨機存儲器原理n 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM(RAM(RandomAccessMemory) )當(dāng)存儲器中的信息被讀取或?qū)懭霑r，所需要的時間與這段信息所在的位置無關(guān)n 順序存儲器順序存儲器讀取或?qū)懭腠樞蛟L問（SequentialAccess）存儲設(shè)備中的信息時，其所需要的時間與位置就會有關(guān)系（如磁帶）隨機存儲器原理n 靜態(tài)隨機存儲器靜態(tài)隨機存儲器（StaticRandomAccessMemory,SRAM）所謂的“靜態(tài)”，是指這種存儲器只要保持通電，里面

5、儲存的數(shù)據(jù)就可以恒常保持。n 動態(tài)隨機存儲器動態(tài)隨機存儲器DRAM （DynamicRandomAccessMemory，DRAM）u主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲電荷的多少來代表一個二進制比特（bit）是1還是0。所謂“動態(tài)”由于在現(xiàn)實中電容會有漏電的現(xiàn)象，要對電容經(jīng)常周期性地充電。隨機存儲器原理SRAM原理nM1和M2、M3和M4構(gòu)成了一對靜態(tài)反相器；n兩個反相器的輸入、輸出交叉連接；n兩個反相器的輸出狀態(tài)的鎖定、保存，即存儲了1個位元的狀態(tài)；n字線（WL）加高電平，使得每個基本單元的兩個控制開關(guān)用的晶體管M5與M6開通，把基本單元與位線（BL）連通；n位線用于讀或?qū)懟締卧谋４娴臓顟B(tài)。

6、靜態(tài)反相器靜態(tài)反相器SRAM六管基本存儲單元六管基本存儲單元隨機存儲器原理DRAM原理n存儲電容（C）上存有電荷時，表示存儲數(shù)據(jù)A位邏輯1;n行選擇線有效時，數(shù)據(jù)通過T1送至B處；n列選擇線有效時，數(shù)據(jù)通過T2送至數(shù)據(jù)引腳I/O；n為防止存儲電容放電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，必須定時進行刷新;n動態(tài)刷新時行選擇線有效，列選擇線無效，刷新放大器將電容電量與額定電量的1/2進行比較，超過表示存儲的是邏輯1，進行充電，低于表示存儲的是邏輯0，不需要充電.DRAM基本存儲單元基本存儲單元隨機存儲器原理對比n SRAM讀寫速度比DRAM快n SRAM比DRAM功耗大n DRAM集成度高n DRAM需要周期刷新隨機存

7、儲器接口設(shè)計地地址址譯譯碼碼器器存儲存儲矩陣矩陣數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器012n-101m-1控制控制邏輯邏輯CSR/Wn位位地址地址m位位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲芯片組成示意圖存儲芯片組成示意圖隨機存儲器接口設(shè)計8位SRAM隨機存儲器接口設(shè)計8位SRAMnWE: WriteenablenOE: OutputenablenCE: Chipselect8位位SRAM隨機存儲器接口設(shè)計8位SRAMSRAM存儲容量計算存儲容量計算單位：單位：1 byte(B) = 8bit(b)1 KB= bytes=1024 bytes1 MB=1024 KB、1 GB=1024 MBbit64KB隨機存儲器接口設(shè)計16位SRA

8、MX隨機存儲器接口設(shè)計16位SRAMnUB: UpperBytenLB: LowerByte16位位SRAM隨機存儲器接口設(shè)計16位SRAMSRAM存儲容量計算存儲容量計算單位：單位：1 byte(B) = 8bit(b)1 KB= bytes=1024 bytes1 MB=1024 KB、1 GB=1024 MBbit128KB隨機存儲器接口設(shè)計32位SRAM利用兩片16位SRAM構(gòu)建32位SRAM隨機存儲器接口設(shè)計SRAM接口控制CPU與與SRAM接口接口S3C2410接口控制接口控制隨機存儲器接口設(shè)計SRAM接口時序CY7C1021：64K16 SRAM讀時序隨機存儲器接口設(shè)計SRAM接

9、口時序S3C2410 讀時序控制讀時序控制隨機存儲器接口設(shè)計DRAM/SDRAMn DRAM （DynamicRandomAccessMemory，DRAM）n SDRAM:同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存（synchronousdynamicrandomaccessmemory）是有一個同步接口的DRAM。nDRAM是有一個異步接口的，這樣它可以隨時響應(yīng)控制輸入的變化。nSDRAM有一個同步接口，在響應(yīng)控制輸入前會等待一個時鐘信號，這樣就能和計算機的系統(tǒng)總線同步。時鐘被用來驅(qū)動一個有限狀態(tài)機，對進入的指令進行流水線操作。 SDRAM與沒有同步接口的異步DRAM(asynchronou

10、s DRAM)相比，可以有一個更復(fù)雜的操作模式。隨機存儲器接口設(shè)計DDR SDRAMn DDR SDRAM :雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器（英語：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡稱DDR SDRAM）為具有雙倍數(shù)據(jù)傳輸率之SDRAM，其數(shù)據(jù)傳輸速度為系統(tǒng)時鐘頻率之兩倍，由于速度增加，其傳輸性能優(yōu)于傳統(tǒng)的SDRAM。n DDR SDRAM 能在系統(tǒng)時脈的上升延和下降延都可以進行數(shù)據(jù)傳輸。隨機存儲器接口設(shè)計DRAMA7A0地址輸入CAS列地址選通RAS行地址選通WE寫允許Din數(shù)據(jù)輸入Dout數(shù)據(jù)輸出Vdd+

11、5vVss地Intel 2164: 64K1bit DRAM隨機存儲器接口設(shè)計DRAM/SDRAMDRAM?SDRAM?隨機存儲器接口設(shè)計SDRAMHY57V561620內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖SDRAM接口特點：接口特點：u同步時鐘輸入接口同步時鐘輸入接口u行地址、列地址復(fù)用地址總線行地址、列地址復(fù)用地址總線u內(nèi)部包含若干存儲塊（內(nèi)部包含若干存儲塊（Bank）隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口HY57V561620引腳描述引腳描述隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM存儲容量隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口設(shè)計4M16b4塊塊A23A24隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口設(shè)計 正面教材S3C2410A USE

12、RS MANUAL Revision 1.0 P5-10隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口設(shè)計利用兩片16位SDRAM構(gòu)建32位SDRAM64MB:4M16b4塊塊2？A24A25隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口設(shè)計 正面教材S3C2410A USERS MANUAL Revision 1.0 P5-10隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口控制模式寄存器設(shè)置狀態(tài)激活狀態(tài)預(yù)充狀態(tài)寫狀態(tài)讀狀態(tài)預(yù)充讀狀態(tài)預(yù)充寫狀態(tài)自動刷新狀態(tài)自我刷新狀態(tài)隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口控制隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口控制隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口控制隨機存儲器接口設(shè)計SDRAM接口控制隨機存儲器接口設(shè)計DPRA

13、MDPRAM: Dual-port Static RAM隨機存儲器接口設(shè)計DPRAM(1) 兩個端口不同時對同一地址單元存取數(shù)據(jù)兩個端口不同時對同一地址單元存取數(shù)據(jù);(2) 兩個端口同時對同一地址單元讀出數(shù)據(jù)兩個端口同時對同一地址單元讀出數(shù)據(jù);(3) 兩個端口同時對同一地址單元寫入數(shù)據(jù)兩個端口同時對同一地址單元寫入數(shù)據(jù);(4) 兩個端口同時對同一地址單元兩個端口同時對同一地址單元,一個寫入數(shù)據(jù)一個寫入數(shù)據(jù),另一個讀出數(shù)據(jù)。另一個讀出數(shù)據(jù)。FlashnNandFlash是Flash Memory的一種。nFlash Memory的中文稱為快閃存儲器或快速擦寫存儲器。nFlash Memory由T

14、oshiba于1980年申請專利，并在1984年的國際半導(dǎo)體學(xué)術(shù)會議上首先發(fā)表。n目前在Flash Memory技術(shù)上主要發(fā)展了兩種非易失性內(nèi)存n一種叫NOR（邏輯或），是Intel 于1988年發(fā)明的n另一種叫NAND（邏輯與）是Toshiba于1999年創(chuàng)造的。NOR FLASH 和NAND FLASH對比 NORNAND寫入寫入/擦除一個塊的操擦除一個塊的操作時間作時間15s24ms讀性能讀性能12001500KB600800KB寫性能寫性能80KB200400KB接口接口/總線總線SRAM接口接口/獨立的獨立的地址數(shù)據(jù)總線地址數(shù)據(jù)總線8位地址位地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/控制總線，控制總線，I/O

15、接口復(fù)雜接口復(fù)雜讀取模式讀取模式隨機讀取隨機讀取串行地存取數(shù)據(jù)串行地存取數(shù)據(jù)成本成本較高較高較低，單元尺寸約為較低，單元尺寸約為NOR的一的一半，生產(chǎn)過程簡單，同樣大小半，生產(chǎn)過程簡單，同樣大小的芯片可以做更大的容量的芯片可以做更大的容量容量及應(yīng)用場合容量及應(yīng)用場合164MB，主要用，主要用于存儲代碼于存儲代碼8MB32GB，主要用，主要用于存儲數(shù)據(jù)于存儲數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)擦寫次數(shù)(耐用性耐用性)約約10萬次萬次約約100萬次萬次位交換位交換(bit位反轉(zhuǎn)位反轉(zhuǎn))少少較多，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)需要錯誤探較多，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)需要錯誤探測測/錯誤更正錯誤更正(EDC/ECC)算法算法壞塊處理壞塊處理無，因為壞塊故障率

16、少無，因為壞塊故障率少隨機分布，無法修正隨機分布，無法修正NAND和NOR容量和成本u NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲u NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大（512MB32GB）u NOR flash帶有SRAM接口，線性尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)u NAND flash使用復(fù)用接口和控制I/O多次尋址存取數(shù)據(jù)u NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理，此類操作易于取代硬盤等類似的塊設(shè)備NOR FLASH NOR FLASH 和和NAND FLASHNAND FLASHNAND FLASH 結(jié)構(gòu)K9F6048 8MB NAND FLASHNAND FLASH 接口K9F6048 8MB NAND FLASHS3C2410 NAND Flash控制器控制器NAND FLASHNAND FLASH 接口接口NAND FLAS