2023年7月17日发(作者：)

嵌⼊式系统存储（RAM、ROM、Flash）⽬录

1.储存器系统层次结构内部寄存器

2.芯⽚内部的⾼速缓存（cache）

3.芯⽚外的⾼速缓存（SRAM、DRAM、DDRAM）4.主存储器（Flash、PROM、EPROM、EEPROM）

5.外部存储器（磁盘、光盘、CF、SD卡）6.远程⼆级存储（分布式⽂件系统、Web服务器）共六个层次结构。这些设备从上到下，依次变得更慢、访问频率更⼩、容量更⼤，每字节的造价也更加便宜。在这种存储器分层结构中，上⾯⼀层的存储器做为下⼀层存储器的⾼速缓存。CPU寄存器就是cache的⾼速存储器，寄存器保存来⾃cache的字；cache⼜是内存层的⾼速缓存，从内存层提取数据送给CPU进⾏处理，并将CPU处理的结果返回内存当中；内存⼜是主存储器的⾼速缓存，它将经常使⽤到的数据从Flash等主存储器的提取出来，放到内存中，从⽽加快了CPU的运⾏效率。嵌⼊式的主存储器的容量是有限的，当遇到⼤量信息数据时，就需要将其保存到磁盘、光盘或CF、SD卡等外部存储器中，并在需要调⽤时从外部存储器中提取调⽤数据。在某些带有分布式⽂件系统的嵌⼊式⽹络系统中，外部存储器就作为其他系统中被存储数据的⾼速缓存。的种类RAM可以被读和写，但断电数据会丢失，它适合在程序运⾏时保存动态的信息数据。RAM可以分为SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。这两类具有不同的特征：SRAM⽐DRAM运⾏速度快SRAM⽐DRAM耗电多在⼀个芯⽚上可以置放更多的DRAMDRAM需要周期性刷新常见的RAM分类如下：SRAM(Static RAM，静态随机存储器)SRAM是静态的，因此只要供电它就会保持⼀个值。SRAM没有刷新周期，有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，因此成本较⾼。SRAM具有较⾼的速率，常常同于⾼速缓冲存储器。DRAM(Dynamic RAM，动态随机存储器)这是⼀种以电荷形式进⾏存储的半导体存储器。DRAM中的每⼀个存储单元由⼀个晶体管和⼀个电容组成，数据存储在电容器中。电容器会由于漏电⽽导致电荷丢失，因⽽DRAM器件是不稳定的。为了将数据保存在存储器中，DRAM器件必需有规律地定时进⾏刷新。DDRAM(Double Data Rate SDRAM，双倍速率随机存储器)随着嵌⼊式处理器主频的提⾼，SDRAM的速度逐渐成了限制系统性能的瓶颈。SDRAM通常只能⼯作咋133MHz主频，⽽现在很多32位处理器的主频已经达到了200MHz以上。DDRAM就是这种需求下出现的，⽬前已占据了内存技术的主流，且价格便宜。DDRAM依靠⼀种叫做双倍预取（2n-prefetch）的技术，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，并且DDRAM允许在时钟脉冲上升沿或下降沿传输数据，这样不需要提⾼时钟频率就能加倍提⾼SDRAM的速度，并具有SDRAM多⼀倍的传输速率和内存带宽。同时为了保证在⾼速运⾏时的信号完整性，DDRAM技术还采⽤了差分输⼊的⽅式。总的来说DDRAM采⽤更低的电压、差分输⼊和双倍数据速率输出等技术。的种类 ROM的特点是在烧⼊数据后，⽆需外加电源来保存数据。断电数据不丢失，但速度较慢，因此适合存储需长期保留的不变数据。常见ROM的分类如下：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）只允许⽤户利⽤专门的设备（编程器）将⾃⼰的程序写⼊⼀次，⼀旦写⼊后，其内容将⽆法改变。所以也叫做⼀次可编程只读存储器（One Time Programming ROM）。EPROM(Erasable Programmable ROM 电可擦写ROM)不仅可以由⽤户利⽤编程器写⼊程序，⽽且可以对其内容进⾏多次改写。出⼚时其内容为全“1”，⽤户根据其程序将某些记忆单元改为“0”；当需要修改时需要将所有内容擦除（恢复为“1”），以便写⼊新的内容。EPROM⼜分为两种，UVEPROM(紫外线擦除)和EEPROM(电擦除)。UVEPROM需要⽤紫外线灯制作的擦抹器照射存储器芯⽚上的透明窗⼝，使芯⽚原来的内容被擦除。⽤紫外线进⾏擦除只能对整个芯⽚擦除，⽽不能对芯⽚中个别需要改的存储单元单独擦除。EPROM虽然即可读⼜可“写”，但它不能取代RAM。因为EPROM的编程次数是有限的；⽽且它写⼊的时间较长，即使对于EEPROM，擦除⼀个字节需要约10ms，写⼊⼀个字节⼤约需要10us，⽐SRAM或DRAM的时间长100~1000倍。EEPROM(E2PROM)电可擦除可编程ROMEEPROM不但可以利⽤电压的⾼低来写⼊数据，还可以利⽤电压的⾼低清除EEROM所存储的数据。EEPROM在数据清除时还可以针对个别的存储单元进⾏清除操作，⽐起EPROM需要整个清除数据⽅便许多。EEPROM的数据存储保持能⼒可以长达10年，⽽数据清除再被规划的次数可以达到⼀万次以上，因此EEPROM的使⽤⽐EPROM更为普遍，⽽且更受欢迎。Flash ROM(闪速存储器)Flash ROM 具有结构简单、控制灵活、编程可靠、加可电擦写快捷的优点，⽽且集成度可以都做得很⾼，它综合了前⾯的所有优点：不会断电丢失数据，快速读取，可电擦写可编程，因此在⼿机，PC，PPC等电器中成功地获得了⼴泛的应⽤。 Memory的种类Flash memory是嵌⼊式系统中重要的组成部分，它在嵌⼊式系统中的功能可以和硬盘在PC中的功能相⽐。它们都是⽤来存储程序和数据的，⽽且可以在掉电的情况下继续保存数据使其不会丢失。Flash memory（闪速存储器）作为⼀种安全、快速的存储体，具有体积⼩，容量⼤，成本低，掉电数据不丢失等⼀系列优点，已成为嵌⼊式系统中数据和程序最主要的载体。根据结构的不同可以将其分为NOR Flash和NAND Flash两种。Flash Memory具有的特点如下：区块结构Flash Memory在物理结构上分成若⼲个区块，区块之间相互独⽴。⽐如NOR Flash把整个存储区分成若⼲个扇区（Sector），⽽NAND Flash把整个存储区分成若⼲个块（Block）。先擦后写由于Flash Memory的写操作只能将数据位1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器进⾏写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。⽐如执⾏⼀次写操作，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。位反转由于Flash Memory固有的电器特性，在读写数据过程中，偶然会产⽣⼀位或⼏位数据错误。这就是位反转。位反转⽆法避免，只能通过其他⼿段对结果进⾏事后处理。坏块由于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。如果对已损坏的区块进⾏操作，可能带来不可预测的错误。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）。NOR FlashNOR Flash的特点是应⽤程序可以直接在闪存中运⾏，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，但很低的擦除和写⼊速度⼤⼤影响了它的性能。NAND FlashNAND Flash的结构能提供极⾼的单元密度，可以达到⾼存储密度，并且写⼊和擦除的速度也很快，这也是为何很多U盘采⽤NANDFlash作为存储介质的原因。应⽤NAND Flash的困难在于闪存和需要特殊的系统接⼝。NOR Flash和NAND Flash各⾃的典型特征和不同点1.性能差异NOR Flash的读速度⽐NAND Flash稍快⼀些NAND Flash的写⼊速度⽐NOR Flash快很多NAND Flash的擦除速度远⽐NOR Flash的快很多。⼤多数写⼊操作需要先进⾏擦除操作。NAND Flash的随机读取能⼒差，适合⼤量数据的连续获取。2.接⼝差异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，每⼀次读写都要使⽤复杂的I/O接⼝串⾏地存取数据，8个引脚⽤来传送控制、地址和资料信息。NAND Flash读和写操作采⽤521B的块，有点像硬盘的管理操作。因此，基于NAND的闪存可以取代硬盘或其他块设备。3.容量和成本NAND Flash的单元尺⼨⼏乎是NOR Flash的⼀半，由于⽣产过程更为简单，NAND Flash结构可以在给定的模具尺⼨内提供更⾼的容量，也就相应地降低了价格。NOR Flash容量⼀般较⼩，通常在1MB~8MB之间。⽽NAND Flash只是⽤在8MB以上的产品中，这也说明NOR Flash主要应⽤在代码存储介质中，NAND Flash适合⽤于资料存储。4.可靠性和耐⽤性寿命（耐⽤性）：在NAND Flash中每个块的最⼤擦写次数是⼀百万次，⽽NOR Flash的擦写次数是⼗万次位交换：所有Flash Memory器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND Flash发⽣的次数要⽐NOR Flash多），⼀个⽐特位会发⽣反转或被报告反转了。坏块处理：NAND Flash中的坏块是随机分布的。以前曾有过消除坏块的努⼒，但发现成品率太低，代价太⾼，根本不划算。NANDFlash需要对介质进⾏初始化扫描以发现坏块，并对坏块进⾏标记不可⽤。在已制成的器件中，如果通过可靠的⽅法不能进⾏这项处理，将导致⾼故障率。5.易⽤性可以⾮常直接地使⽤基于NOR Flash，可以像其他内存那样连接，并可以在上⾯直接运⾏代码。由于需要I/O接⼝，NAND Flash要复杂得多。各种NAND Flash的存取⽅法因⼚家⽽异。在使⽤NAND Flash时，必须先写⼊驱动程序，才能继续执⾏其他操作。向NAND Flash写⼊数据需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写⼊，这就意味着NAND Flash上⾃始⾄终都必须进⾏虚拟映像。6.软件⽀持当讨论技术⽀持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和⾼⼀级的⽤于磁盘仿真和Flash Memory管理算法的软件，包括性能优化。在NOR Flash上运⾏代码不需要任何的技术⽀持。⽽在NAND Flash上进⾏同样的操作时，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在进⾏写⼊和擦除时都需要MTD。7.市场定位根据前⾯多介绍的NAND Flash和NOR Flash的特点，两者各⾃拥有相应的不同应⽤。⼀般来说，NOR Flash⽤于对数据可靠性要求较⾼的代码存储、通讯产品、⽹络处理等领域。⽽NAND Flash则⽤于对容量要求较⾼的MP3、存储卡、U盘等领域。正是如此，NOR Flash也被称为代码闪存（Code Flash），⽽NAND Flash也被称为数据闪存（Data Flash）。摘⾃《嵌⼊式系统设计师教程》⼀书。 《读书之法，在循序⽽渐进，熟读⽽精思。——朱熹》