嵌入式存儲器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

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

1.1常用存儲器簡介存儲器按配置分為內(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)存全部采用半導體存儲器。目前，半導體存儲器主要包括以下幾大類：(1)RAM類RAM類包括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。其特點是具有數(shù)據(jù)讀寫功能。RAM一般均作內(nèi)存使用。(2)ROM類型ROM主要有掩膜ROM、PROM(一次可編程)、EPROM（紫外線可擦除）、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。后面我們將重點介紹。I2CEEPROM主要用于存儲少量數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是外接電路簡單。缺點是數(shù)據(jù)存取速度慢。第3頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2Flash存儲器的分類在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)lash包括MCU內(nèi)置Flash,獨立的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器。在這里我們只對NorFlash和NandFlash進行討論。NOR型與NAND型閃存的區(qū)別很大，打個比方說，NOR型閃存更像內(nèi)存，有獨立的地址線和數(shù)據(jù)線，但價格比較貴，容量比較??；而NAND型更像硬盤，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的I/O線，類似硬盤的所有信息都通過一條硬盤線傳送一般，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讀寫的場合，通常用于存儲程序代碼并直接在閃存內(nèi)運行，手機就是使用NOR型閃存的大戶，所以手機的“內(nèi)存”容量通常不大；NAND型閃存主要用來存儲資料，我們常用的閃存產(chǎn)品，如閃存盤、數(shù)碼存儲卡都是用NAND型閃存。

這里我們還需要端正一個概念，那就是閃存的速度其實很有限，它本身操作速度、頻率就比內(nèi)存低得多，而且NAND型閃存類似硬盤的操作方式效率也比內(nèi)存的直接訪問方式慢得多。因此，不要以為閃存盤的性能瓶頸是在接口，甚至想當然地認為閃存盤采用USB2.0接口之后會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)計和接口設(shè)計有關(guān)，它操作起來確實挺像硬盤（其實NAND型閃存在設(shè)計之初確實考慮了與硬盤的兼容性），它的性能特點也很像硬盤：小數(shù)據(jù)塊操作速度很慢，而大數(shù)據(jù)塊速度就很快，這種差異遠比其他存儲介質(zhì)大的多。這種性能特點非常值得我們留意。

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

NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫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，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用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閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫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單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。

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

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設(shè)計師必須權(quán)衡以下的各項因素。

●NOR的讀速度比NAND稍快一些。

●NAND的寫入速度比NOR快很多。

●NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

●大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。

●NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

接口差別

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

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。

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，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設(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)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應地降低了價格。

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

采用flahs介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可*性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可*性。

壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(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，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。

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

當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設(shè)備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，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分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。

NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可*的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。易于使用

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

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

在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记?，因為設(shè)計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

軟件支持

當討論軟件支持的時候，應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

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

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

驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。第6頁，課件共21頁，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，課件共21頁，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，其中，21bit地址總線，16bit數(shù)據(jù)總線。該NorFlash最大可尋址2M的地址空間。實際上，該NorFlash大小為2M。所以，NorFlash可作內(nèi)存使用。MCU可直接尋址每一個存儲單元。第8頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月

以下為NandFlash的典型原理圖。

第9頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月從NandFlash的接口電路圖可以看出：NandFlash沒有區(qū)分地址總線和數(shù)據(jù)總線。只有一個8bit的I/O總線、6根控制線(WE、WP、ALE、CLE、CE、RE)和RB。實際上，NandFlash數(shù)據(jù)和地址均通過8bitI/O總線串行傳輸?shù)?。?0頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月以下分別為ＮorFlash和ＮandFlash程序和數(shù)據(jù)的訪問方法。對NorFlash而言，程序和數(shù)據(jù)的訪問如下：BYTEtmp;FarVoid*p=0x00000C000000;tmp=*p; //讀取地址為0x00000C000000的數(shù)據(jù)Asmljmp0x00000D000000; //程序開始執(zhí)行0x00000D000000的程序區(qū)對NandFlash而言，對程序和數(shù)據(jù)的訪問相對比較復雜。下圖分別為NandFlash讀寫流程圖。第11頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月寫數(shù)據(jù)第12頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月讀數(shù)據(jù)第13頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月事實上，在寫數(shù)據(jù)時，還要先對擦除ＮandFlash。在送地址和數(shù)據(jù)時，NandFlash通過Ｉ/O總線依次送入地址和數(shù)據(jù)，而且讀寫是以塊為單位進行操作。這樣，如果要訪問NandFlash內(nèi)的數(shù)據(jù)，必段以塊中的頁為單位，根據(jù)所指定的塊和頁將該頁的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，然后根據(jù)內(nèi)存中的相對地址對該數(shù)據(jù)進行訪問。該原理和ＰＣ機的硬盤工作機理很相似。如果需要將ＮandFlash作程序存儲器，需要注意以下事項：(1)由于NandFlash出錯和出現(xiàn)壞塊的機會比NorFlash大得多，而程序出錯后的問題往往是致命的。所以必須有錯誤冗余校驗機制和糾錯機制。(2)由于MCU/MPU不能直接對NandFlash程序和數(shù)據(jù)進行訪問，所以必須有一個BootLoader程序?qū)andFlash程序映射到RAM中才可以執(zhí)行。也就是說在該單片機系統(tǒng)中，必須有一個ROM存儲引導程序。該引導程序一般說來是很精巧的。 在該BootLoader，必須包含NandFlash讀驅(qū)動程序。需要注意的是，該處的BootLoader和我們ＰＣ機的Boot是有區(qū)別的，而更像PC機的BIOS程序。(3)用NandFlash存儲程序的系統(tǒng)一般都用于程序量比較大，且要求帶有ＮandFlash存儲器的系統(tǒng)。第14頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月2、嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)應用場合的不現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)千差萬別。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MCU，基本上不需外圍器件。這些器件只需要加上人機接口電路，電源，裝入程序即可構(gòu)成一個嵌入式系統(tǒng)，如電子表等。對于另外一些比較大一點的系統(tǒng)，可能需要擴展RAM、ROM、ADC以及其它一些器件。如我們的碟機/數(shù)碼相框的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：第15頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月上面那個系統(tǒng)的外圍器件比較多，電路也比較復雜。對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MCU/MPU能直接運行的Bootloader程序?qū)Υ娣旁贜andFlash的程序進行引導。該BootLoader程序必須帶有NandFlash驅(qū)動。對于另外一些MPU，由于自身并不帶有RAM和ROM，就需要擴展相應的電路。對于某些MCU/MPU，其內(nèi)置的ROM自帶有Bootloader。第16頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在就該系統(tǒng)分別舉我們現(xiàn)有的兩個產(chǎn)品進行說明。(1)ADI平臺我們的ADIMPU中，通過ROM自帶有一個Bootloader(即ＢootROM)。該Bootloader自帶有三套驅(qū)動程序，即普通ROM(如NorFlash，實際上并不需要驅(qū)動)、8bitFlash/16bitFlash驅(qū)動和SPI驅(qū)動程序，分別對應三種方式啟動程序，此外，還有一種并不需要Bootloader的啟動方式。如下圖所示：第17頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月但NandFlash和SPIFlash由于MCU不能直接尋址其存儲單元，所以一定要先通過相關(guān)驅(qū)動程序?qū)andFlash或SPIFlash中的程序load到SDRAM中才能執(zhí)行。對于NorFlash啟動，由于MCU/MPU可以像普通ROM一樣直接對NorFlash尋址，所以該引導程序通過跳轉(zhuǎn)指令直接將程序指針指向NorFlash的main()函數(shù)即可。不過在我們的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。我們可以通過對ＢootMode進行設(shè)置．如下圖所示：第18頁，課件共21頁，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。不過我想，MTK的有如下特點：MTK內(nèi)部無