2023年7月17日发(作者：)

存储器（ROMRAMFLASHSDRAMSRAMDDREEPROMEMMC）电路设计离不开存储器器件，对于⼀个电路系统⽽⾔，⼀般包含以下⼏种存储器：ROM、RAM、FLASH存储器分类ROM——存储固化程序的（存放指令代码和⼀些固定数值，程序运⾏后不可改动）c⽂件及h⽂件中所有代码、全局变量、局部变量、’const’限定符定义的常量数据、⽂件中的代码（类似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS，⼀些低端的单⽚机是没有这个的）通通都存储在ROM中，只可读。RAM——程序运⾏中数据的随机存取（可读写，但掉电后数据消失）整个程序中，所⽤到的需要被改写的量，都存储在RAM中，“被改变的量”包括全局变量、局部变量、堆栈段。FLASH——存储⽤户程序和需要永久保存的数据，可读写，掉电后数据不消失。例如：现在家⽤的电⼦式电度表，它的内核是⼀款单⽚机，该单⽚机的程序就是存放在ROM⾥的。电度表在⼯作过程中，是要运算数据的，要采集电压和电流，并根据电压和电流计算出电度来。电压和电流时⼀个适时的数据，⽤户不关⼼，它只是⽤来计算电度⽤，计算完后该次采集的数据就⽤完了，然后再采集下⼀次，因此这些值就没必要永久存储，就把它放在RAM⾥边。然⽽计算完的电度，是需要永久保存的，单⽚机会定时或者在停电的瞬间将电度数存⼊到FLASH⾥。存储器运作原理1、程序经过编译、汇编、链接后，⽣成固件；2、⽤专⽤的烧录软件，通过烧录器将固件⽂件烧录到ROM中注：这个时候的ROM中，包含所有的程序内容：⼀⾏⼀⾏的程序代码、函数中⽤到的局部变量、头⽂件中所声明的全局变量，const声明的只读常量等，都被⽣成了⼆进制数据。疑问：既然所有的数据在ROM中，那RAM中的数据从哪⾥来？什么时候CPU将数据加载到RAM中？会不会是在烧录的时候，已经将需要放在RAM中数据烧录到了RAM中？答：（1）ROM是只读存储器，CPU只能从⾥⾯读数据，⽽不能往⾥⾯写数据，掉电后数据依然保存在存储器中；RAM是随机存储器，CPU既可以从⾥⾯读出数据，⼜可以往⾥⾯写⼊数据，掉电后数据不保存，这是条永恒的真理，始终记挂在⼼。（2）RAM中的数据不是在烧录的时候写⼊的，因为烧录完毕后，拔掉电源，当再给MCU上电后，CPU能正常执⾏动作，RAM中照样有数据，这就说明：RAM中的数据不是在烧录的时候写⼊的，同时也说明，在CPU运⾏时，RAM中已经写⼊了数据。3、ROM中包含所有的程序内容，在MCU上电时，CPU开始从第1⾏代码处执⾏指令。这⾥所做的⼯作是为整个程序的顺利运⾏做好准备，或者说是对RAM的初始化（注：ROM是只读不写的），⼯作任务有⼏项：（1）为全局变量分配地址空间—如果全局变量已赋初值，则将初始值从ROM中拷贝到RAM中，如果没有赋初值，则这个全局变量所对应的地址下的初值为0或者是不确定的。当然，如果已经指定了变量的地址空间，则直接定位到对应的地址就⾏，那么这⾥分配地址及定位地址的任务由“连接器”完成。（2）设置堆栈段的长度及地址—⽤C语⾔开发的单⽚机程序⾥⾯，普遍都没有涉及到堆栈段长度的设置，但这不意味着不⽤设置。堆栈段主要是⽤来在中断处理时起“保存现场”及“现场还原”的作⽤，其重要性不⾔⽽喻。⽽这么重要的内容，也包含在了编译器预设的内容⾥⾯，确实省事，可并不⼀定省⼼。（3）分配数据段data，常量段const，代码段code的起始地址——代码段与常量段的地址可以不管，它们都是固定在ROM⾥⾯的，⽆论它们怎么排列，都不会对程序产⽣影响。但是数据段的地址就必须得关⼼。数据段的数据时要从ROM拷贝到RAM中去的，⽽在RAM中，既有数据段data,也有堆栈段stack，还有通⽤的⼯作寄存器组。通常，⼯作寄存器组的地址是固定的，这就要求在绝对定址数据段时，不能使数据段覆盖所有的⼯作寄存器组的地址。必须引起严重关注。注：这⾥所说的“第⼀⾏代码处”，并不⼀定是你⾃⼰写的程序代码，绝⼤部分都是编译器代劳的，或者是编译器⾃带的demo程序⽂件。因为，你⾃⼰写的程序（C语⾔程序）⾥⾯，并不包含这些内容。⾼级⼀点的单⽚机，这些内容，都是在startup的⽂件⾥⾯。4、普通的flash MCU是在上电时或复位时，PC指针⾥⾯的存放的是“0000”，表⽰CPU从ROM的0000地址开始执⾏指令，在该地址处放⼀条跳转指令，使程序跳转到_main函数中，然后根据不同的指令，⼀条⼀条的执⾏，当中断发⽣时（中断数量也很有限，2~5个中断），按照系统分配的中断向量表地址，在中断向量⾥⾯，放置⼀条跳转到中断服务程序的指令，如此，整个程序就跑起来了。决定CPU这样做，是这种ROM结构所造成的。过程中中C语⾔编译器作了很多的⼯作，可仔细阅读编译器⾃带的help⽂件进⾏学习。存储器详细说明（随机存储器，Random Access Memory）指存储内容可被快速地写⼊或者读出，掉电后存储内容丢失地存储器。RAM可分为SRAM（静态随机存储器，Static RAM）和DRAM（动态随机存储器，Dynamic RAM）两种。1）SRAMSRAM的优点是只要器件不掉电，存储内容就不会丢失，⽆需刷新电路，⼯作速度快。缺点是集成度低，功耗⼤，价格⾼。上图是⼀种典型的SRAM结构，每个存储单元由六个MOS管组成，中间四个MOS管构成双稳态触发器，两侧的两个MOS管（Q1，Q1’）的开关状态由同⼀个选择信号CE控制。数据写⼊时，数据信号D及其取反后的信号D#分别出现在Q1和Q1’上，待选择信号CE将Q1和Q1’导通后，D和D#触发双稳态触发器，使之发⽣相应的翻转，并使翻转后的状态⼀直得到保留，直到下次数据写⼊事件的发⽣。数据读出时，选择信号CE有效并使Q1和Q1’导通后，A和A’点的逻辑状态出现在数据信号D和D#上，从⽽实现数据的读取，该读取的过程并不改变存储单元内双稳态触发器的状态。每个SRAM存储单元由六个MOS管组成，功耗⼤，集成度低，但由于内部采⽤了双稳态触发器，也⽆需不断地对内部存储地内容进⾏刷新。2）DRAMDRAM地优点是集成度⾼，功耗⼩，价格低。缺点是即便器件不掉电，存储内容也只能保持很短地时间，需不断地被刷新。典型地DRAM结构图如下：每个存储单元由⼀个MOS管及其寄⽣电容构成。由于数据信号的状态由电容的电荷量决定，因此每隔⼀段时间需对电容做⼀次充放电的刷新操作。（只读存储器，Read only memory）指⼀旦写⼊，则⽆法擦除改写的存储器。此处，将ROM的定义做进⼀步的扩展，定义为⾮易失存储器，即器件掉电后，内部存储器内容仍保留，且⽀持电可擦除可改写的只读存储器。电路设计中常⽤的ROM包括EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）和FLASH（闪速存储器）SDRAM介绍SDRAM概述SDRAM指同步动态随机存储器，同步指存储器的⼯作需要参考时钟。SDRAM的信号输出电平为LVTTL，属单端信号。对于同步动态存储器件，有三个与⼯作速率相关的重要指标：内核⼯作频率、时钟频率、数据传输速率。就SDRAM⽽⾔，其内核⼯作频率、时钟频率和数据传输速率三者相同。最⾼速率可达200MHZ，设计中常⽤的速率有100MHZ、133MHZ、167MHZ。SDRAM存储空间被分为若⼲逻辑块（BANK），取地址时，⾸先需提供BANK地址以找到待操作的逻辑块，然后需提供⾏地址和列地址以在该BANK内定为存储单元。因此，在器件资料上，SDRAM存储容量的定义⽅式是：地址数X位宽XBANK数。例如： 512Mbit的SDRAM 规格为 32M X 4 X4⾏地址信号线为A0 ~ A12共13根，可组成2^{13}个不同的⾏地址，列地址信号线为A0~ A9、A11、A12共12根，可组成2^{12}个不同的列地址，因此地址数为32M。数据信号线为D0~D3共四根，因此数据位宽为4位（想象每块BANK是⽴体的；⾏->⾼；列->长；位宽->宽），BANK信号线为B0 ~ B1共两根，因此BANK数为4（2^{2}）。DDR SDRAMDDR指双倍速率（Double Data Rate），DDR SDRAM与SDRAM的基本结构是相似的，最基本的区别在于DDR SDRAM⽀持在⼀个时钟周期内传输两次数据，这是通过接⼝结构的改进⽽实现的。DDR SDRAM采⽤2倍预取架构，即芯⽚内部能以两倍于时钟运⾏的速率预取数据，从⽽使得芯⽚内核⼯作速率仅为外部数据传输率的⼀半。SDRAM采⽤1倍预取架构，即芯⽚内核⼯作速率与外部数据传输速率相同。内核⼯作速率越⾼，芯⽚⼯艺越复杂，基于这种⼯艺的限制，不可能快速地提⾼芯⽚内核⼯作速率。在相同地内核⼯作速率下，DDR SDRAM地外部数据传输速率为SDRAM的两倍，从⽽提⾼存储器的传输效率。例如，在DDR SDRAM和SDRAM的外部数据传输速率为400Mbps的情况下，对于DDR SDRAM，其内核⼯作速率仅需要200MHZ，⽽对于SDRAM，其内核⼯作速率需要为400MHZ。利⽤这项技术，DDR SDRAM可以在不提⾼内核⼯作速率的前提下（即⽆需对芯⽚做⼤的技术⾰新），⼤⼤提⾼外部数据传输速率，从⽽获取更⾼的性能。DDR SDRAM与SDRAM硬件设计上的区别时钟信号。SDRAM的时钟信号CLK为单端信号，⽽DDR SDRAM则采⽤差分对时钟信号CK/CK#信号电平。SDRAM采⽤LVTTL电平，接⼝信号为单端信号，⽽DDR SDRAM采⽤SSTL-2电平，接⼝信号本质上属于差分对。电源。两种存储器的电源引脚都分为Vdd和Vddq，⼀般这两种引脚均可采⽤同⼀电源供电，但SDRAM的电源为3.3V，⽽DDR SDRAM的电源为2.5V。电源种类。SDRAM仅需3.3V电源，⽽DDR SDRAM需三种电源：给Vdd/Vddq供电的2.5V，给Vref供电的1.25V，以及给SSTL-2终结电路供电的Vtt电源1.25V。时序测试。对地址信号、控制信号，SDRAM和DDR SDRAM的时序测试⽅法相同，对数据信号，SDRAM为单边沿采样，DDR SDRAM为双边沿采样，且时序参考信号DQS⽽不是时钟信号。输出信号驱动能⼒。DDR SDRAM输出信号的驱动能⼒可被设置为强驱动或者弱驱动两种模式，SDRAM则不能设置。DDR2DDR2（Double Data Rate2, 两倍数据速率，版本2）SDRAM与DDR SDRAM相⽐，虽然其仍保持了⼀个时钟周期完成两次数据传输的特性，但DDR2 SDRAM在数据传输率，延时，功耗等⽅⾯有了显著提⾼。DDR2 SDRAM的技术更新DDR SDRAM的数据预取能⼒是2，即芯⽚内部能以两倍于时钟的速度来预取数据，这使得芯⽚内核⼯作频率仅需要外部数据传输率的⼀半。对此，DDR2 SDRAM做了进⼀步的改进，其数据预取能⼒为4，使得芯⽚内核⼯作频率仅需要为外部数据传输率的1/4。⽽对于SDRAM，芯⽚内核⼯作频率等于外部数据传输速率。所以，同样内核⼯作频率下，DDR SDRAM的数据传输率⽐SDRAM⾼⼀倍，⽽DDR SDRAM的数据传输率⼜⽐DDR SDRAM⾼⼀倍。例如，在DDR2 和DDR SDRAM的外部数据传输率都为400Mbps的情况下，对于DDR2 SDRAM⽽⾔，其内核⼯作频率仅为100MHZ，⽽对于DDR SDRAM，其内核⼯作频率为200MHZ。如果是SDRAM，其内核频率需达到400MHZ，才能提供400Mbps的外部数据传输率，正是因为如此⾼的内核频率⽆法在技术和⼯艺上得到实现，因此SDRAM的数据传输率⽆法达到400Mbps。利⽤这项技术，DDR2 SDRAM可以在不提⾼内核⼯作频率的前提下（即⽆需对芯⽚做⼤的技术⾰新），⼤⼤提⾼外部数据传输速率。SRAMDRAM的性能在很⼤程度上受刷新操作的影响，⽽SRAM则不涉及刷新，因此在相同时钟频率的条件下，SRAM的性能远⾼于DRAM。SRAM的缺点是集成度低，容量⼩，功耗⼤，价格⾼。在应⽤的场合上，SRAM毫不逊⾊于DRAM。CPU的⾼速缓存（如 ⼀级缓存；⼆级缓存）即为SRAM，相⽐CPU外部1GB，甚⾄2GB 的DRAM存储器，CPU内SRAM的容量则⼩得多，且CPU内部SRAM容量的⼤⼩，在很⼤程度上决定了CPU性能的⾼低。SRAM分为同步SRAM与异步SRAM两⼤类，同步SRAM街道读写指令后，需参考外部时钟信号的边沿才能发起操作，⽽异步SRAM则⽆需外部时钟，只要接到读写指令⽴即开始⼯作。在⾼速电路设计中，ZBT SRAM和QDRII SRAM是常⽤的SRAM，这两种SRAM都属于同步SRAM。Flash电路设计中，⼀般采⽤Flash存储⼤容量的底层驱动程序或软件程序。⽬前常⽤的FLASH 芯⽚有NOR 和 NAND两种规格。NOR FLASH和NAND FLASH 的区别列举如下：（1）信号线区别：NOR FLASH有独⽴的地址、数据引脚，与SRAM类似；⽽NAND FLASH的地址、数据引脚是复⽤的。（2）读取⽅式： NOR FLASH的应⽤特点是⽚上运⾏，即，由于其读取⽅便，程序可直接在FLASH中运⾏，⽽⽆需导⼊SDRAM等⾼速存储器件，适合于引导程序的存储。NAND FLASH的应⽤特点是⾼密度⼤容量，适合于⼤规模容量软件的存储，如上层应⽤软件的存储，但由于其地址、数据引脚复⽤在⼀起，操作时，需使⽤专门的驱动代码将读取指令转换为NAND FLASH可以识别的指令，读取操作复杂，运⾏时，需将软件程序导⼊SDRAM等器件后再执⾏。（3）编程⽅式：NOR FLASH的擦除和写⼊速度较慢，达到秒级；⽽NAND FLASH的擦鞋和写⼊速度快，仅为毫秒级；NOR FLASH 和NANDFLASH均可对⽚内某个块（block）单独擦除，同时保留其他地址空间的存储内容，不过，NAND FLASH的擦除单元块相对更⼩。（4）存储容量：基于同样的价格，NAND FLASH的容量更⼤。FLASH 是易损器件，设计中注意事项：（1）ESD。调试和⽣产时，若不采取防静电措施，FLASH器件极易遭到损坏，设计时，应尽量使FLASH远离单板边缘。（2）机械损坏。由于FLASH器件较薄，且横截⾯积相对较⼤，容易遭到机械损坏，设计时应注意FLASH器件不能布放在单板易弯曲处。EEPROMEEPROM常⽤于单板信息的存储（如单板名称、⼚家名称、单板版本号、单板序列号等），EEPROM在应⽤上的特点是：容量⼩（SDRAM的存储容量⼀般为⼏百兆⾄⼏吉⽐特位；FLASH的容量⼀般为⼏百兆位，⽽EEPROM的存储容量⼀般仅为⼏千⽐特位）、⾮易失、读取⽅便（使⽤IIC总线）。ATMEL公司的AT24C系列EEPROM器件：AT24C01 1KbitAT24C02 2KbitAT24C04 4KbitAT24C08 8KbitAT24C16 16KbitNorFlash、NandFlash、eMMC闪存的⽐较与区别NorFlashNOR Flash需要很长的时间进⾏抹写，但是它提供完整的寻址与数据总线，并允许随机存取存储器上的任何区域，这使的它⾮常适合取代⽼式的ROM芯⽚。当时ROM芯⽚主要⽤来存储⼏乎不需更新的代码，例如电脑的BIOS或机上盒(Set-top Box)的固件。NOR Flash可以忍受⼀万到⼀百万次抹写循环，它同时也是早期的可移除式快闪存储媒体的基础。CompactFlash本来便是以NOR Flash为基础的，虽然它之后跳槽到成本较低的 NAND Flash。NandFlashNAND Flash式东芝在1989年的国际固态电路研讨会(ISSCC)上发表的， 要在NandFlash上⾯读写数据，要外部加主控和电路设计。NAND Flash具有较快的抹写时间, ⽽且每个存储单元的⾯积也较⼩，这让NAND Flash相较于NOR Flash具有较⾼的存储密度与较低的每⽐特成本。同时它的可抹除次数也⾼出NOR Flash⼗倍。然⽽NAND Flash 的I/O接⼝并没有随机存取外部地址总线，它必须以区块性的⽅式进⾏读取，NAND Flash典型的区块⼤⼩是数百⾄数千⽐特。因为多数微处理器与微控制器要求字节等级的随机存取，所以NAND Flash不适合取代那些⽤以装载程序的ROM。从这样的⾓度看来，NANDFlash⽐较像光盘、硬盘这类的次级存储设备。NAND Flash⾮常适合⽤于储存卡之类的⼤量存储设备。第⼀款创建在NAND Flash基础上的可移除式存储媒体是SmartMedia，此后许多存储媒体也跟着采⽤NAND Flash，包括MultiMediaCard、Secure Digital、Memory Stick与xD卡。EMMCemmc存储器eMMC (Embedded Multi Media Card) 为MMC协会所订⽴的，eMMC 相当于 NandFlash+主控IC ，对外的接⼝协议与SD、TF卡⼀样，主要是针对⼿机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC的⼀个明显优势是在封装中集成了⼀个控制器，它提供标准接⼝并管理闪存，使得⼿机⼚商就能专注于产品开发的其它部分，并缩短向市场推出产品的时间。这些特点对于希望通过缩⼩光刻尺⼨和降低成本的NAND供应商来说，同样的重要。eMMC由⼀个嵌⼊式存储解决⽅案组成，带有MMC（多媒体卡）接⼝、快闪存储器设备（Nand Flash）及主控制器，所有都在⼀个⼩型的BGA封装。接⼝速度⾼达每秒52MBytes，eMMC具有快速、可升级的性能。同时其接⼝电压可以是 1.8v 或者是 3.3v。现在很多智能电视已经逐步抛弃Nor或Nand，使⽤更为先进的eMMC芯⽚，然⽽普通编程器⽆法读写eMMC芯⽚，新开发的可⽀持eMMC芯⽚烧写的编程器性价⽐⾼，还能⽀持Nor、Nand芯⽚，⽀持全⾯、功能强⼤