嵌入式存儲(chǔ)器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式存儲(chǔ)器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目錄1.嵌入式存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介

1.1常用存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介第2頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器

1.1常用存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介存儲(chǔ)器按配置分為內(nèi)存(主存)和外存。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)中的外存一般當(dāng)作外圍接口部件，如USB、SD卡等。在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存全部采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。目前，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要包括以下幾大類(lèi)：(1)RAM類(lèi)RAM類(lèi)包括RAM、SRAM、DRAM、SDRAM目前，我們的嵌入式系統(tǒng)的，一般有內(nèi)置RAM和SDRAM等。其特點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能。RAM一般均作內(nèi)存使用。(2)ROM類(lèi)型ROM主要有掩膜ROM、PROM(一次可編程)、EPROM（紫外線(xiàn)可擦除）、EEPROM（電可擦除）和FLASH型ROM。在我們常用的嵌入式系統(tǒng)中，一般都是Flash型ROM。也有個(gè)別系統(tǒng)中，產(chǎn)品量產(chǎn)后，為了節(jié)省硬件，用掩膜ROM代替NorFlash。在一般的MCU中，都內(nèi)置有RAM和FlashROM。如Atmel89C51中，自帶有128Byte的RAM和128K的ROM。(3)半導(dǎo)體外存在嵌入式系統(tǒng)中，主要有NandFlash、I2CEEPROM、SPIFlash等。NandFlash和很多優(yōu)點(diǎn)。后面我們將重點(diǎn)介紹。I2CEEPROM主要用于存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是外接電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存取速度慢。第3頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2Flash存儲(chǔ)器的分類(lèi)在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)lash包括MCU內(nèi)置Flash,獨(dú)立的NorFlash、NandFlash等。其中，MCU內(nèi)置FlashROM與NorFlash在嵌入式系統(tǒng)中起的作用相同，一般均用作程序存儲(chǔ)器。在這里我們只對(duì)NorFlash和NandFlash進(jìn)行討論。NOR型與NAND型閃存的區(qū)別很大，打個(gè)比方說(shuō)，NOR型閃存更像內(nèi)存，有獨(dú)立的地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)，但價(jià)格比較貴，容量比較?。欢鳱AND型更像硬盤(pán)，地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)是共用的I/O線(xiàn)，類(lèi)似硬盤(pán)的所有信息都通過(guò)一條硬盤(pán)線(xiàn)傳送一般，而且NAND型與NOR型閃存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型閃存比較適合頻繁隨機(jī)讀寫(xiě)的場(chǎng)合，通常用于存儲(chǔ)程序代碼并直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，手機(jī)就是使用NOR型閃存的大戶(hù)，所以手機(jī)的“內(nèi)存”容量通常不大；NAND型閃存主要用來(lái)存儲(chǔ)資料，我們常用的閃存產(chǎn)品，如閃存盤(pán)、數(shù)碼存儲(chǔ)卡都是用NAND型閃存。

這里我們還需要端正一個(gè)概念，那就是閃存的速度其實(shí)很有限，它本身操作速度、頻率就比內(nèi)存低得多，而且NAND型閃存類(lèi)似硬盤(pán)的操作方式效率也比內(nèi)存的直接訪(fǎng)問(wèn)方式慢得多。因此，不要以為閃存盤(pán)的性能瓶頸是在接口，甚至想當(dāng)然地認(rèn)為閃存盤(pán)采用USB2.0接口之后會(huì)獲得巨大的性能提升。

前面提到NAND型閃存的操作方式效率低，這和它的架構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)有關(guān)，它操作起來(lái)確實(shí)挺像硬盤(pán)（其實(shí)NAND型閃存在設(shè)計(jì)之初確實(shí)考慮了與硬盤(pán)的兼容性），它的性能特點(diǎn)也很像硬盤(pán)：小數(shù)據(jù)塊操作速度很慢，而大數(shù)據(jù)塊速度就很快，這種差異遠(yuǎn)比其他存儲(chǔ)介質(zhì)大的多。這種性能特點(diǎn)非常值得我們留意。

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NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP,eXecuteInPlace)，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。

NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

性能比較

flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)稱(chēng)為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何flash器件的寫(xiě)入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫(xiě)入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫(xiě)為0。

由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫(xiě)入操作(尤其是更新小文件時(shí)更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。

●NOR的讀速度比NAND稍快一些。

●NAND的寫(xiě)入速度比NOR快很多。

●NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。

●大多數(shù)寫(xiě)入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

●NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

接口差別

NORflash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。

NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來(lái)串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠(chǎng)商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。

NAND讀和寫(xiě)操作采用512字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤(pán)管理此類(lèi)操作，很自然地，基于NAND的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤(pán)或其他塊設(shè)備。

容量和成本

NANDflash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。

NORflash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分，而NANDflash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說(shuō)明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，NAND在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大。第5頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可*性和耐用性

采用flahs介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是可*性。對(duì)于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)lash是非常合適的存儲(chǔ)方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來(lái)比較NOR和NAND的可*性。

壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數(shù)是一百萬(wàn)次，而NOR的擦寫(xiě)次數(shù)是十萬(wàn)次。NAND存儲(chǔ)器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢(shì)，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND存儲(chǔ)器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

位交換

所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見(jiàn)，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個(gè)比特位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問(wèn)題，多讀幾次就可能解決了。

當(dāng)然，如果這個(gè)位真的改變了，就必須采用錯(cuò)誤探測(cè)/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問(wèn)題更多見(jiàn)于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。

這個(gè)問(wèn)題對(duì)于用NAND存儲(chǔ)多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可*性。

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前也曾有過(guò)消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。

NAND器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過(guò)可*的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理，將導(dǎo)致高故障率。易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲(chǔ)器那樣連接，并可以在上面直接運(yùn)行代碼。

由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠(chǎng)家而異。

在使用NAND器件時(shí)，必須先寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫(xiě)入信息需要相當(dāng)?shù)募记?，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫(xiě)入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

軟件支持

當(dāng)討論軟件支持的時(shí)候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫(xiě)/擦操作和高一級(jí)的用于磁盤(pán)仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫(xiě)入和擦除操作時(shí)都需要MTD。

使用NOR器件時(shí)所需要的MTD要相對(duì)少一些，許多廠(chǎng)商都提供用于NOR器件的更高級(jí)軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)被WindRiverSystem、Microsoft、QNXSoftwareSystem、Symbian和Intel等廠(chǎng)商所采用。

驅(qū)動(dòng)還用于對(duì)DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯(cuò)、壞塊處理和損耗平衡。第6頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以下是NandFlash與NorFlash典型電路圖NorFlash接原理圖第7頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從上圖可以看出，該NorFlash采用并行地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，其中，21bit地址總線(xiàn)，16bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)。該NorFlash最大可尋址2M的地址空間。實(shí)際上，該NorFlash大小為2M。所以，NorFlash可作內(nèi)存使用。MCU可直接尋址每一個(gè)存儲(chǔ)單元。第8頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

以下為NandFlash的典型原理圖。

第9頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從NandFlash的接口電路圖可以看出：NandFlash沒(méi)有區(qū)分地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)。只有一個(gè)8bit的I/O總線(xiàn)、6根控制線(xiàn)(WE、WP、ALE、CLE、CE、RE)和RB。實(shí)際上，NandFlash數(shù)據(jù)和地址均通過(guò)8bitI/O總線(xiàn)串行傳輸?shù)?。?0頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以下分別為ＮorFlash和ＮandFlash程序和數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)方法。對(duì)NorFlash而言，程序和數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)如下：BYTEtmp;FarVoid*p=0x00000C000000;tmp=*p; //讀取地址為0x00000C000000的數(shù)據(jù)Asmljmp0x00000D000000; //程序開(kāi)始執(zhí)行0x00000D000000的程序區(qū)對(duì)NandFlash而言，對(duì)程序和數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)相對(duì)比較復(fù)雜。下圖分別為NandFlash讀寫(xiě)流程圖。第11頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月寫(xiě)數(shù)據(jù)第12頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月讀數(shù)據(jù)第13頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月事實(shí)上，在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，還要先對(duì)擦除ＮandFlash。在送地址和數(shù)據(jù)時(shí)，NandFlash通過(guò)Ｉ/O總線(xiàn)依次送入地址和數(shù)據(jù)，而且讀寫(xiě)是以塊為單位進(jìn)行操作。這樣，如果要訪(fǎng)問(wèn)NandFlash內(nèi)的數(shù)據(jù)，必段以塊中的頁(yè)為單位，根據(jù)所指定的塊和頁(yè)將該頁(yè)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，然后根據(jù)內(nèi)存中的相對(duì)地址對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。該原理和ＰＣ機(jī)的硬盤(pán)工作機(jī)理很相似。如果需要將ＮandFlash作程序存儲(chǔ)器，需要注意以下事項(xiàng)：(1)由于NandFlash出錯(cuò)和出現(xiàn)壞塊的機(jī)會(huì)比NorFlash大得多，而程序出錯(cuò)后的問(wèn)題往往是致命的。所以必須有錯(cuò)誤冗余校驗(yàn)機(jī)制和糾錯(cuò)機(jī)制。(2)由于MCU/MPU不能直接對(duì)NandFlash程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，所以必須有一個(gè)BootLoader程序?qū)andFlash程序映射到RAM中才可以執(zhí)行。也就是說(shuō)在該單片機(jī)系統(tǒng)中，必須有一個(gè)ROM存儲(chǔ)引導(dǎo)程序。該引導(dǎo)程序一般說(shuō)來(lái)是很精巧的。 在該BootLoader，必須包含NandFlash讀驅(qū)動(dòng)程序。需要注意的是，該處的BootLoader和我們ＰＣ機(jī)的Boot是有區(qū)別的，而更像PC機(jī)的BIOS程序。(3)用NandFlash存儲(chǔ)程序的系統(tǒng)一般都用于程序量比較大，且要求帶有ＮandFlash存儲(chǔ)器的系統(tǒng)。第14頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)千差萬(wàn)別。小型的嵌入式系統(tǒng)中，有些MCU將絕大部外圍電路，如RAM、ROM、ADC等，甚至連日振都都集成到一個(gè)MCU，基本上不需外圍器件。這些器件只需要加上人機(jī)接口電路，電源，裝入程序即可構(gòu)成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，如電子表等。對(duì)于另外一些比較大一點(diǎn)的系統(tǒng)，可能需要擴(kuò)展RAM、ROM、ADC以及其它一些器件。如我們的碟機(jī)/數(shù)碼相框的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：第15頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上面那個(gè)系統(tǒng)的外圍器件比較多，電路也比較復(fù)雜。對(duì)于很多的嵌入式系統(tǒng)，如小型手持設(shè)備而言，出于硬件成本、PCB板面積等因素的考慮，往往去掉其它一些器件。比如，在自帶NandFlash的情況下，可用NandFlash代替EEPROM和NorFlash。如有些MCU自帶USB控制器和LCDDriver、RTC等，就可以省去這些外圍電路。但需要一個(gè)MCU/MPU能直接運(yùn)行的Bootloader程序?qū)Υ娣旁贜andFlash的程序進(jìn)行引導(dǎo)。該BootLoader程序必須帶有NandFlash驅(qū)動(dòng)。對(duì)于另外一些MPU，由于自身并不帶有RAM和ROM，就需要擴(kuò)展相應(yīng)的電路。對(duì)于某些MCU/MPU，其內(nèi)置的ROM自帶有Bootloader。第16頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在就該系統(tǒng)分別舉我們現(xiàn)有的兩個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行說(shuō)明。(1)ADI平臺(tái)我們的ADIMPU中，通過(guò)ROM自帶有一個(gè)Bootloader(即ＢootROM)。該Bootloader自帶有三套驅(qū)動(dòng)程序，即普通ROM(如NorFlash，實(shí)際上并不需要驅(qū)動(dòng))、8bitFlash/16bitFlash驅(qū)動(dòng)和SPI驅(qū)動(dòng)程序，分別對(duì)應(yīng)三種方式啟動(dòng)程序，此外，還有一種并不需要Bootloader的啟動(dòng)方式。如下圖所示：第17頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但NandFlash和SPIFlash由于MCU不能直接尋址其存儲(chǔ)單元，所以一定要先通過(guò)相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序?qū)andFlash或SPIFlash中的程序load到SDRAM中才能執(zhí)行。對(duì)于NorFlash啟動(dòng)，由于MCU/MPU可以像普通ROM一樣直接對(duì)NorFlash尋址，所以該引導(dǎo)程序通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令直接將程序指針指向NorFlash的main()函數(shù)即可。不過(guò)在我們的ADI系統(tǒng)中,也是先將NorFlash內(nèi)的程序load到高速SDRAM中再執(zhí)行。我們可以通過(guò)對(duì)ＢootMode進(jìn)行設(shè)置．如下圖所示：第18頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)MTK方案：由于我們手頭有關(guān)MTK的資料非常有限，所以，有關(guān)MTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅為猜測(cè)。不過(guò)我想，MTK的有如下特點(diǎn)：MTK內(nèi)部無(wú)