第4章-嵌入式系统的存储器系统资料.ppt

第4章嵌入式系统的存储器系统 教学目的1 了解常见嵌入式系统存储器 2 学习ROM和SRAM型存储器扩展方法 3 学习NORFLASH和NANDFLASH存储器接口方法 4 学习SDRAM存储器接口方法 4 1存储器系统概述 4 1 1存储器系统的层次结构 4 1 2高速缓冲存储器 在主存储器和CPU之间采用高速缓冲存储器 cache 用来提高存储器系统的性能 cache能够减少内存平均访问时间 指令预取时和数据读写时使用同一个cache 统一的cache 指令预取时和数据读写时使用不同的cache 独立的cache S3C2410采用此种结构 4 1 3存储管理单元 MMU MMU MemoryManageUnit 存储管理单元 MMU主要完成以下工作 1 虚拟存储空间到物理存储空间的映射 2 存储器访问权限的控制 3 设置虚拟存储空间的缓冲特性 嵌入式系统中常常采用页式存储管理 页式存储管理 把虚拟地址空间分成一个个固定大小的块 每一块称为一页 把物理内存的地址空间也分成同样大小的页 MMU实现的就是从虚拟地址到物理地址的转换 页表是存储在内存中的一个表 页表用来管理这些页 页表的每一行对应于虚拟存储空间的一个页 该行包含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址 该页的方位权限和该页的缓冲特性等 从虚拟地址到物理地址的变换过程就是查询页表的过程 例如在ARM嵌入式系统中 使用系统控制协处理器CP15的寄存器C2来保存页表的基地址 嵌入式系统支持的内存块大小有以下几种 段 section 大小为1MB的内存块 大页 LargePages 大小为64KB的内存块 小页 SmallPages 大小为4KB的内存块 极小页 TinyPages 大小为1KB的内存块 极小页只能以1KB大小为单位不能再细分 而大页和小页有些情况下可以在进一步的划分 MMU中的域指的是一些段 大页或者小页的集合 每个域的访问控制特性都是由芯片内部的寄存器中的相应控制位来控制的 例如在ARM嵌入式系统中 每个域的访问控制特性都是由CP15中的寄存器C3中的两位来控制的 MMU中的快速上下文切换技术 FastContextSwitchExtension FCSE 通过修改系统中不同进程的虚拟地址 避免在进行进程间切换时造成的虚拟地址到物理地址的重映射 从而提高系统的性能 4 2 1存储器部件的分类 1 按在系统中的地位分类主存储器 MainMemory简称主存或内存 辅助存储器 AuxiliaryMemory SecondaryMemory 简称辅存或外存 4 2嵌入式系统存储设备分类 内存内存是计算机主机的一个组成部分 一般都用快速存储器件来构成 内存的存取速度很快 但内存空间的大小受到地址总线位数的限制 内存通常用来容纳当前正在使用的或要经常使用的程序和数据CPU可以直接对内存进行访问 系统软件中如引导程序 监控程序或者操作系统中的基本输入 输出部分BIOS都是必须常驻内存 更多的系统软件和全部应用软件则在用到时由外存传送到内存 外存外存存放的是相对来说不经常使用的程序和数据容量大 速度相对内存较慢常见的外存有软盘 硬盘 U盘 光盘等CPU要使用外存的这些信息时 必须通过专门的设备将信息先传送到内存中 2 按存储介质分类 磁存储器 MagneticMemory 半导体存储器 SemiconductorMemory 光存储器 OpticalMemory 激光光盘存储器 LaserOpticalDisk 3 按信息存取方式分类 RAM 随机存取存储器 RandomAccessMemory 运行期间可读 可写ROM 只读存储器 ReadOnlyMemory 运行期间只能读出信息 不能随时写入信息 4 2 2存储器的组织和结构 容量是描述存储器的最基本参数 如1MB 存储器容量的表示不唯一 不同的数据宽度有不同容量 在存储器内部 数据是存放在二维阵列存储单元中 n位地址被分成行地址和列地址 n r十c r是行地址数 c是列地址数 行列选定一个特定存储单元 嵌入式系统的存储器与通用系统的存储器有所不同 通常由ROM RAM EPROM等组成 嵌入式存储器一般采用存储密度较大的存储器芯片 存储容量与应用的软件大小相匹配 4 2 3常见的嵌入式系统存储设备 1 RAM 随机存储器 RAM可以被读和写 地址可以以任意次序被读 常见RAM的种类有SRAM StaticRAM 静态随机存储器 DRAM DynamicRAM 动态随机存储器 DDRAM DoubleDataRateSDRAM 双倍速率随机存储器 SRAM比DRAM运行速度快SRAM比DRAM耗电多DRAM需要周期性刷新DDRAM是RAM的下一代产品 200MHz时钟频率时内存带宽可达3 2GB s海量 2 ROM 只读存储器 ROM断电后数据不丢失 但速度较慢 适合存储需长期保留的不变数据 在嵌入式系统中 ROM用于固定数据和程序 常见ROM有 MaskROM 掩模ROM 厂家一次性写入用户无法修改 PROM ProgrammableROM 可编程ROM 用户一次性写入 EPROM ErasableProgrammableROM 可擦写ROM 紫外光可重复擦除和写入 EEPROM 电可擦除可编程ROM 也可表示为E2PROM 电擦除 FlashROM 闪速存储器 可快速读取 电可擦写可编程 3 FlashMemoryFlashmemory 闪速存储器 是一种非易失性存储器 NVM Non VolatileMemory 是嵌入式系统中重要的组成部分 用来存储程序和数据 掉电后数据不会丢失根据结构不同分成NORFlash和NANDFlash两种FlashMemory在物理结构上分成若干个区块 区块之间相互独立NORFlash把整个存储区分成若干个扇区 Sector NANDFlash把整个存储区分成若干个块 Block 可以对以块或扇区为单位的内存单元进行擦写和编程 NORFlash和NANDFlash特性NANDFlash执行擦除操作是十分简单的 而NOR型内存则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0擦除时间 NORFlash执行一个写入 擦除操作的时间为5s NANDFlash相同操作最多只需要4ms 快小 高速 NORFlash的读速度比NANDFlash稍快一些 NANDFlash的写入速度比NORFlash快很多 应用程序可以直接在NORFlash内运行 不需要再把代码读到系统RAM中运行 NANDFlash的随机读取能力差 适合大量数据的连续读取 NORFlash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 NANDFlash结构可以达到高存储密度 并且写入和擦除的速度也很快 应用NANDFlash的困难在于需要特殊的系统接口 NANDFlash地址 数据和命令共用8位总线 16位总线 每次读写都要使用复杂的I O接口串行地存取数据除了NORFlash的读 FlashMemory的其他操作不能像RAM那样 直接对目标地址进行总线操作 例如执行一次写操作 它必须输入一串特殊的指令 NORFlash 或者完成一段时序 NANDFlash 才能将数据写入到FlashMemory中NORFlash容量通常在1MB 8MB之间 而NANDFlash用在8MB以上的产品当中 NORFlash主要应用在代码存储介质中 NANDFlash适用于数据存储 在NANDFlash中每个块的最大擦写次数是一百万次 而NORFlash的擦写次数是十万次 4 3NORFlash接口电路 4 3 1NORFlash存储器Am29LV160DAMD公司的一款NORFlash存储器存储容量为2M 8Bit 1M 16Bit接口与CMOSI O兼容工作电压为2 7 3 6V读操作电流为9mA编程和擦除操作电流为20mA待机电流为200nA采用FBGA 48 TSOP 48 SO 44三种封装形式 Am29LV160D仅需3 3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作 通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列 可对Flash进行编程 烧写 整片擦除 按扇区擦除 以及其他操作 以16位 字模式 数据宽度的方式工作 Am29LV160D的逻辑框图 表4 3 1Am29LV160D引脚端功能 4 3 2S3C2410A与NORFlash存储器的接口电路Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码 系统上电或复位后从此获取指令并开始执行 应将存有程序代码的Flash存储器配置到Bank0S3C2410A的nGCS0接至Am29LV160D的CE nCE 端Am29LV160D的OE nOE 端接S3C2410X的nOE WE nXE 端S3C2410X的nWE相连 地址总线A19 A0与S3C2410X的地址总线ADDR20 ADDR1 A20 A1 相连 16位数据总线DQ15 DQ0与S3C2410X的低16位数据总线DATA15 DATA0 D15 D0 相连 不使用NANDFlash作为启动ROM 使用NANDFlash作为启动ROM 注意 SROM表示是ROM或SRAM类型的存储器 SFR指特殊功能寄存器 图4 3 2S3C2410A与Am29LV160D的接口电路 4 4NANDFlash接口电路 4 4 1S3C2410ANANDFlash控制器1 S3C2410ANANDFlash控制器特性NANDFlash模式 支持读 擦除 编程NANDFlash存储器 自动启动模式 复位后 启动代码被传送到Steppingstone中 传送完毕后 启动代码在Steppingstone中执行 具有硬件ECC产生模块 硬件生成校验码和通过软件校验 在NANDFlash启动后 Steppingstone4KB内部SRAM缓冲器可以作为其他用途使用 为了支持NANDFlash的启动装载 bootloader S3C2410A配置了一个叫做 Steppingstone 的内部SRAM缓冲器 当系统启动时 NANDFlash存储器的前4KB将被自动加载到Steppingstone中 然后系统自动执行这些载入的启动代码 在一般情况下 启动代码将复制NANDFlash的内容到SDRAM中 在复制完成后 将在SDRAM中执行主程序 2 S3C2410ANANDFlash控制器结构 图4 4 1NANDFlash控制器内部结构方框图 图4 4 2NANDFlash的操作模式 NANDFlash的工作模式如图4 4 2所示 自动启动模式的时序如下 1 完成复位 2 当自动启动模式使能时 首先将NANDFlash存储器的前4KB内容自动复制到Steppingstone4KB内部缓冲器中 3 Steppingstone映射到nGCSO 4 CPU开始执行在Steppingstone4KB内部缓冲器中的启动代码 注意 在自动启动模式 不进行ECC检测 因此 应确保NANDFlash的前4KB不能有位错误 NANDFlash模式配置 1 利用NFCONF寄存器设置NANDFlash配置 2 写NANDFlash命令到NFCMD寄存器 3 写NANDFlash地址到NFADDR寄存器 4 在检查NANDFlash状态时 利用NFSTAT寄存器读 写数据 在读操作之前或者编程操作之后应该检查R nB信号 表4 4 1NANDFlash控制器的引脚配置 4 4 2S3C2410A与NANDFlash存储器的接口电路 与NORFlash存储器相比 NANDFlash的接口相对比较复杂 一些嵌入式处理器芯片内部配置了专门的NANDFlash控制器 如S3C2410A K9F1208UDM YCB0的存储容量为64M字节数据总线宽度为8位工作电压为2 7V 3 6V仅需单3 3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作 表4 4 3K9F1208UDM的引脚功能 CLE有效时 锁存在I O口上的是控制命令字 ALE有效时 锁存在I O口上的是地址 RE或 WE有效时 锁存的是数据这种一口多用的方式可以大大减少总线的数目 只是控制方式略微有些复杂 S3C2410X处理器的NANDFlash控制器可以解决这个问题 图4 4 4S3C2410A与K9F1208UDM YCB0接口电路 4 5SDRAM接口电路 SDRAM可读 可写 掉电不保持数据 存取速度大大高于Flash存储器 在嵌入式系统中 SDRAM主要用做程序的运行空间 数据及堆栈区 当系统启动时 CPU首先从复位地址0 x0处读取启动代码 在完成系统的初始化后 程序代码一般应调入SDRAM中运行 以提高系统的运行速度 同时 系统及用户堆栈 运行数据也都放在SDRAM中 SDRAM为避免数据丢失 必须定时刷新 要求微处理器具有刷新控制逻辑 或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路 S3C2410A在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑 可方便地与SDRAM接口 目前常用的SDRAM为8位 16位的数据宽度 工作电压一般为3 3V 主要的生产厂商为HYUNDAI Winbond等 HY57V561620存储容量为4组 64M位16位数据宽度 工作电压为3 3V常见封装为TSOP 54兼容LVTTL接口支持自动刷新 Auto Refresh 和自刷新 Self Refresh 表4 4 4HY57V561620引脚功能 图4 4 5S3C2410X与SDRAM存储器HY57V561620的接口电路 可构建16位或32位的SDRAM存储器系统 但为充分发挥32位CPU的数据处理能力 本设计采用32位的SDRAM存储器系统 HY57