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1、嵌入式存储器及系统结构,李 立华 2007.04.13,目录,1.嵌入式存储器简介 1.1 常用存储器简介,1.嵌入式系统存储器,1.1 常用存储器简介 存储器按配置分为 内存(主存)和外存。 在嵌入式系统中，嵌入式系统中的外存一般当作外围接口部件，如USB、SD卡等。 在现代嵌入式系统中，内存全部采用半导体存储器。 目前，半导体存储器主要包括以下几大类： (1)RAM类 RAM类包括RAM、SRAM、DRAM、SDRAM 目前，我们的嵌入式系统的，一般有内置RAM和SDRAM等。其特点是具有数据读写功能。 RAM一般均作内存使用。 (2)ROM类型 ROM主要有掩膜ROM、PROM(一次可编

2、程)、EPROM（紫外线可擦除）、EEPROM（电可擦除）和FLASH型ROM。 在我们常用的嵌入式系统中，一般都是Flash型ROM。也有个别系统中，产品量产后，为了节省硬件，用掩膜ROM代替Nor Flash。 在一般的MCU中，都内置有RAM和Flash ROM。 如Atmel 89C51中，自带有128 Byte的RAM和128K 的ROM。 (3)半导体外存 在嵌入式系统中，主要有NandFlash、I2C EEPROM、SPI Flash等。 NandFlash和很多优点。后面我们将重点介绍。 I2C EEPROM主要用于存储少量数据，其优点是外接电路简单。缺点是数据存取速度慢。,

3、1.2 Flash存储器的分类 在嵌入式系统中，Flash包括MCU内置Flash, 独立的NorFlash、Nand Flash等。 其中，MCU内置Flash ROM与NorFlash在嵌入式系统中起的作用相同，一般均用作程序存储器。在这里我们只对NorFlash和NandFlash进行讨论。 NOR型与NAND型闪存的区别很大，打个比方说，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型闪存比

4、较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。 这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口，甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。 前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，它操作起来确实挺像硬盘（其实N

5、AND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性），它的性能特点也很像硬盘：小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，这种差异远比其他存储介质大的多。这种性能特点非常值得我们留意。,NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。 NOR的传输效率很高，在14MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 NAND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。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。 性能比较 flas

6、h闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。 由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以832KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时更多的擦除操作必须在基于NOR的单元

7、中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。 NOR的读速度比NAND稍快一些。 NAND的写入速度比NOR快很多。 NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 接口差别 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器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。 NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可

8、以取代硬盘或其他块设备。 容量和成本 NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND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占据了容量为116MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。,可*性和耐用性 采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可*性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合

9、适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可*性。 寿命(耐用性) 在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。 位交换 所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。 一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了

10、。 当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。 这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可*性。 坏块处理 NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也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。 NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可*的方法不能进行这项处理，将导致高故

11、障率。 易于使用 可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。 由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。 在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏 块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。 软件支持 当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。 在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存

12、技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。 使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。 驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。,以下是NandFlash与NorFlash典型电路图 Nor Flash接原理图,从上图可以看出，该NorFlash采用并行地址和数据总线，

13、 其中，21bit地址总线，16bit数据总线。 该NorFlash最大可寻址2M的地址空间。实际上，该NorFlash大小为2M。 所以，NorFlash可作内存使用。MCU可直接寻址每一个存储单元。,以下为NandFlash的典型原理图。,从NandFlash的接口电路图可以看出： NandFlash没有区分地址总线和数据总线。只有一个8bit的I/O总线、6根控制线(WE、WP、ALE、CLE、CE、RE)和RB。 实际上，NandFlash数据和地址均通过8bit I/O总线串行传输的。,以下分别为orFlash和andFlash程序和数据的访问方法。 对NorFlash而言，程序和数

14、据的访问如下： BYTE tmp; Far Void *p = 0 x00000C000000; tmp = *p;/ 读取地址为0 x00000C000000的数据 Asm ljmp 0 x00000D000000;/ 程序开始执行0 x00000D000000的程序区 对NandFlash而言，对程序和数据的访问相对比较复杂。 下图分别为NandFlash读写流程图。,写数据,读数据,事实上，在写数据时，还要先对擦除andFlash。 在送地址和数据时，NandFlash通过/O总线依次送入地址和数据，而且读写是以块为单位进行操作。 这样，如果要访问NandFlash内的数据，必段以块中的

15、页为单位，根据所指定的块和页将该页的数据读入内存，然后根据内存中的相对地址对该数据进行访问。 该原理和机的硬盘工作机理很相似。 如果需要将andFlash作程序存储器，需要注意以下事项： (1)由于NandFlash出错和出现坏块的机会比NorFlash大得多，而程序出错后的问题往往是致命的。所以必须有错误冗余校验机制和纠错机制。 (2)由于MCU/MPU不能直接对NandFlash程序和数据进行访问，所以必须有一个BootLoader程序将NandFlash程序映射到RAM中才可以执行。也就是说在该单片机系统中，必须有一个ROM存储引导程序。该引导程序一般说来是很精巧的。 在该BootLoa

16、der，必须包含NandFlash读驱动程序。 需要注意的是，该处的BootLoader和我们机的Boot是有区别的，而更像PC机的BIOS程序。 (3)用NandFlash存储程序的系统一般都用于程序量比较大，且要求带有andFlash存储器的系统。,2、嵌入式系统结构 根据应用场合的不现，嵌入式系统千差万别。小型的嵌入式系统中，有些MCU将绝大部外围电路，如RAM、ROM、ADC等，甚至连日振都都集成到一个MCU，基本上不需外围器件。这些器件只需要加上人机接口电路，电源，装入程序即可构成一个嵌入式系统，如电子表等。 对于另外一些比较大一点的系统，可能需要扩展RAM、ROM、ADC以及其它一

17、些器件。 如我们的碟机/数码相框的系统架构图如下：,上面那个系统的外围器件比较多，电路也比较复杂。 对于很多的嵌入式系统，如小型手持设备而言，出于硬件成本、PCB板面积等因素的考虑，往往去掉其它一些器件。 比如，在自带Nand Flash的情况下，可用NandFlash代替EEPROM和NorFlash。如有些MCU自带USB控制器和LCD Driver、RTC等，就可以省去这些外围电路。但需要 一个MCU/MPU能直接运行的Bootloader程序对存放在NandFlash的程序进行引导。该BootLoader程序必须带有NandFlash驱动。 对于另外一些MPU，由于自身并不带有RAM和

18、ROM，就需要扩展相应的电路。 对于某些MCU/MPU，其内置的ROM自带有Bootloader。,现在就该系统分别举我们现有的两个产品进行说明。 (1)ADI平台 我们的ADI MPU中，通过ROM自带有一个Bootloader(即oot ROM)。该Bootloader自带有三套驱动程序，即普通ROM(如NorFlash，实际上并不需要驱动)、8bit Flash/16 bit Flash驱动和SPI驱动程序，分别对应三种方式启动程序，此外，还有一种并不需要Bootloader的启动方式。如下图所示：,但NandFlash和SPI Flash由于MCU不能直接寻址其存储单元，所以一定要先通过相关驱动程序将NandFlash或SPI Flash中的程序load到SDRAM中才能执行。 对于NorFlash启动，由于MCU/MPU可以像普通ROM一样直接对NorFlash寻址，所以该引导程序通过跳转指令直接将程序指针指向NorFlash的main()函数即可。不过在我们的ADI系统中,也是先将NorFlash内的程序load到高速SDRAM中再执行。 我们可以通过对oot Mode进行设置如下图所示：,(2)MTK方案： 由于我们手头有关MTK的资料非常有限，所以，有关MTK的系统结构仅为猜测。 不过我想，MTK的有如下特点