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1、1嵌入式计算3 嵌入式系统的存储器子系统2内容1. 存储子系统结构：通用计算 VS. 嵌入式计算2. 存储器的分类存储器组织模型和存储器性能指标随机存储器只读存储器混合类型的存储器3. STM32存储系统存储器存储器v计算机是能按照指令对各种数据进行自动加工处理的电子设备v存储器是计算机必不可少的组成部分v存储器内部存储器和外部存储器 v内存是电路板上的半导体存储器件v外存则包括硬盘、光盘、U盘、电子盘及各类存储卡 通用计算机存储系统结构通用计算机存储系统结构CPUPC中的内存储器中的内存储器BIOS and CMOS普通内存PC中的外部存储器中的外部存储器vBIOS是什么？起到什么作用？vC
2、MOS是什么？起到什么作用？v内存是什么存储介质？v硬盘是什么存储介质？vU盘是什么存储介质?v光盘是什么存储介质？7BIOSvBasic Input Output System。是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序v它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 v其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。8CMOSvCMOS是一块芯片，集成在主板上，里面保存着重要的开机参数，而保存是需要电力来维持的，所以每一块主板上都会有一颗纽扣电池，叫CMOS电池。9通用计算机的运行过程通用计算机的运行过程v
3、运行BIOS程序，读取CMOS程序，完成硬件自检v根据BIOS设定，从主引导盘加载程序到内存（操作系统）v在操作系统中，运行应用程序从硬盘或者其他外存中加载到内存中运行选购PC，存储系统大家关心什么？v有几级缓存？Cache多大？vDDR几代？有几个内存插槽？内存容量多大？v硬盘接口类型？硬盘类型？硬盘多大？v有多少个USB接口？有没有SD卡接口？有没有光驱？13实际上我们在关心v存储系统架构 层次结构扩展能力v存储器类型/性能14通用计算机VS嵌入式计算系统15通用计算通用计算嵌入式计算嵌入式计算存储系统架构 由CPU决定，相对确定由设计者根据应用特征决由设计者根据应用特征决定定存储器类型/
4、性能由CPU和主板决定，有几种主流的选择由设计者根据应用特征决由设计者根据应用特征决定定16v嵌入式系统的存储结构嵌入式嵌入式微处理器微处理器Cache片内片内RAM和和ROM主存：主存：Nor Flash、SRAM、DRAM等等辅助存储器：辅助存储器：NandFlash、DOC、CF、SD、MMC等等17Cachev高速缓存Cache高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最多的程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。在嵌入式系统中Cache全部都集成在嵌入式微处理器内。可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache。不同的处理器其Cache的大小不一样。一般32位的嵌入式微处理器都内置Ca
5、che。18主存 v主存 主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据。嵌入式系统的主存可位于SoC内和SoC外，片内存储器存储容量小、速度快，片外存储器容量大。可以做主存的存储器有：vROM类：Nor Flash、EPROM、E2PROM、PROM等vRAM类：SRAM、DRAM、SDRAM等辅助存储器v辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。v嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。1920嵌入式存储子系统的空间分配RAM空间辅助存储器空间ROM空间4.1 4.
6、1 嵌入式系统存储器的结构和组织嵌入式系统存储器的结构和组织嵌入式系统应用示例工业设备状态监测218051单片机结构单片机结构驰为驰为S800P MP4播放器中的存储器播放器中的存储器 华芯飞华芯飞JZ4740主频为主频为400MHz RM/RMVB/AVI/FLV/MPG/MPEG/DAT/3GP/ASF/DAT/MOV/MP4 130万像素万像素 锂电池锂电池 K9LAG08UOM 2GB NAND FLASH2片片K4S641632合计合计16MBUSB SD卡卡 DSP的协处理器应用的协处理器应用基于基于DM642的嵌入式的嵌入式DVR系统系统嵌入式存储系统我们关心v要不要选择带Cac
7、he的处理器v选择带有多大片内RAM/ROM的处理器v是否需要片外存储器v片外主存储器的类型/性能？v片外外存的类型/性能？v是否需要扩展存储接口v扩展存储接口的类型/性能？2627内容1. 存储子系统结构：通用计算 VS. 嵌入式计算2. 存储器的分类存储器组织模型和存储器性能指标随机存储器只读存储器混合类型的存储器3. STM32存储系统28存储器的组织模型v存储体v引线信号：地址线、数据线、控制线（读、写）、片选线、辅助线（时钟、复位、编程等）存储器地址线数据线读写片选复位时钟readymn4.1 4.1 嵌入式系统存储器的结构和组织嵌入式系统存储器的结构和组织 存储器的性能指标存储器的
8、性能指标 易失性：指电源断开之后，存储器的内容是否丢失。 只读性：指在某个存储器中写入数据后，只能被读出，不能用不能用常规常规的办法重写或改的办法重写或改写。写。 存储器的性能指标存储器的性能指标 位容量：半导体存储器件常用位容量来表示其存储功能。 速度：用存储器访问时间来衡量。 功耗 可靠性：存储器的可靠性主要取决于引脚的接触、插件板的接触及存储器模块板的复杂性。 价格：存储器的价格主要由两方面的因素决定，一是存储器本身 的价格，二是存储器模块中附加电路的价格。内部存储器类型内部存储器类型非易失性随机存储器非易失性随机存储器NVRAM32嵌入式存储器子系统的设计约束-11.尽量使用存储密度大
9、的存储器芯片 2.考虑嵌入式系统的功耗限制3.成本考虑，大多数嵌入式系统的存储器容量与软件的大小匹配。4.扩展存储器考虑1.片上有存储器2.片上无存储器3.考虑综合成本（含电路板面积）33嵌入式存储器子系统的设计约束-25.嵌入式系统的存储器子系统通常设计成模块结构，包括ROM子系统、RAM子系统等，每个子系统占用一定的存储空间。6.一体化设计与分离式设计：嵌入式系统的存储器通常与系统主板设计在一起，而不设计成所谓“内存条”形式，原因是一方面嵌入式系统的内存通常是固定大小的；另一方面，一体结构可以提高系统的可靠性，因为嵌入式系统通常工作在恶劣环境、移动环境中。7.关于嵌入式处理器的中断向量表，
10、有两种设计方案：一种方案是中断向量或中断处理程序的入口地址设置在ROM空间，一旦设置，运行中不再更改，如大多数小规模的嵌入式处理器/控制器采取这种方式；另外，也可以把中断向量设计在RAM空间， Cache3435CPU与DRAM性能比较36Cache的提出一直以来，CPU和主存储器的速度总是有差距CPU的发展一直以速度为主，以提高速度为核心主存的发展一直以容量为主，以提高容量为核心如何解决这之间的矛盾？37程序的局部性原理v程序在一定的时间段内通常只访问较小的地址空间v两种局部性：时间局部性空间局部性地址空间访问概率Caches and CPUsCPUcachecontrollercachem
11、ainmemorydatadataaddressdataaddress主存储器RAM39SRAM(Static RAM、静态RAM)v速度快v功耗大v价格贵v集成度低v不需要刷新v应用：CACHE 嵌入式系统DRAM基本概念基本概念v动态RAM利用MOS管栅极寄生电容存储信息v电容的充电、放电、泄露、补充是一个动态的过程，即动态随机存储器v定期给电容补充电荷的过程(2ms)，即DRAM的刷新vDRAM需要专门的控制器DRAM的发展的发展vDRAMvFPM DRAMvEDO DRAMvSDRAMvDDR SDRAMvDDRII SDRAMvDDRIII SDRAM43DRAMv通常，嵌入式系统设
12、计中，DRAM控制器集成在嵌入式处理器上，大多数的设计没有独立的DRAM控制器，大型嵌入式系统除外。4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类44随机存储器 DRAM vs. SRAM1.SRAM和DRAM2.SRAM比DRAM快。3.工作时，SRAM比DRAM耗电多。4.DRAM的存储密度大于SRAM，在一个芯片上可以置放更多的DRAM。5.DRAM需要周期性刷新，需要使用专用的DRAM控制器（嵌入式处理器通常集成了DRAM控制器）。4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类45DRAM的操作vDRAM需要刷新v与SRAM的操作基本相同vCPU向DRAM送地址线：首先，RAS*置成0，地址的行部
13、分（地址高位部分）置于地址线。 CAS* 然后，置成0，地址的列部分（地址低位部分）置于地址线。节省引脚 4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类双端口双端口RAMDPRAM双端口双端口RAMDPRAMvDPRAM有两套相互独立的地址、数据、控制信号v通过两套信号，两个CPU可同时同时对DPRAM进行读写v但是，两个CPU不能同时不能同时“写”或同时“读/写”同一个存储单元vDPRAM内部有相应的功能设计，避免出现读写冲突双端口存储器应用实例双端口存储器应用实例主控单主控单片机片机双端口存储器双端口存储器用于单片机与用于单片机与DSP通信通信视频编视频编码码DSP49如何选择随机存储器v成本：
14、如果系统的随机存储器的容量不是很大，一般采用SRAM，反之，选择DRAM存储器。v对于嵌入式处理器而言，有的嵌入式处理器芯片本身集成了DRAM控制器，这时选择DRAM是一个比较好的方案。一般的，小规模的嵌入式系统不建议使用分离的DRAM控制器DRAM的方案，因为这种方案一方面增加系统的复杂性（电路板的面积、故障率等）；另一方面会增加系统的成本。4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类50如何选择随机存储器v如果确实需要DRAM，那么尽量使用带有DRAM控制器的嵌入式处理器，然后配合使用DRAM。v对于特别高速度的应用，可使用SRAM。v如果嵌入式系统对功耗很敏感，可使用SRAM，因为DARM需
15、要时刻刷新，消耗能量；而SRAM在系统进入待机方式时，只需要微小的待机电流就可以维持数据不丢失。注意：SRAM的平均功耗低，但是工作时功耗不一定低。4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类51如何选择随机存储器v（6）复杂的嵌入式系统可以使用SRAM和DRAM混合设计的方案，不同要求的数据使用不同的随机存储器，满足整体系统的优化设计。v（7）目前，基于32位嵌入式处理器的嵌入式系统一般会使用DRAM。v（8）嵌入式系统的设计在使用SRAM和DRAM的成本上，需要细致核算，并与整个系统的硬件一起进行核算，最终作出选择。v（9）对于双端口RAM，目前价格比较高，通常应用于两个数据处理单元之间的高速
16、数据共享。4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类主存储器ROM5253只读存储器v英文简称ROM。ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像而不像随机随机存储器存储器那样能快速地、方便地加以改写那样能快速地、方便地加以改写。掩模ROMPROM可编程只读存储器（仅能写录一次）EPROM可擦可编程序只读存储器（紫外）EEPROM电子式可擦可编程只读存储器FLASH ROM闪存(按块读写) Nor VS. Nand4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类v1. 掩模掩模ROM 掩膜ROM中的信息是厂家根据用户给定的程序或数据对芯片进行掩膜（一种半导体工艺）而制造出来
17、的。根据制造技术，掩膜型ROM又可分为MOS型和双极型两种。主要的优点是大批量生产时产品的成本较低。v2. PROM PROM属于一次性编程的只读存储器。它出厂的时候处于未被编程的状态，里面的内容全是1。在嵌入式系统中广泛使用的PROM称为OTP（Once Time Program）。 v3. EPROM EPROM的概述的概述 EPROM和PROM的编程方式几乎完全一样。但是，EPROM是可以被擦除并且反复被编程的。EPROM的擦除需要使用紫外线，把EPROM暴露在强紫外线光源下，可把整个芯片重置到初始状态未编程状态。 EPROM的使用的使用 因为EPROM的写入过程很慢，所以，它仍然作为只
18、读存储器在计算机系统中使用。一般用在软件或系统开发阶段。 EPROM有读方式、编程方式和检验方式外和一种备用方式。 v4. EEPROM EEPROM概述概述 EEPROM是电可擦除可编程的。EEPROM允许按字节进行擦除和编程，因此，它是最具有灵活性的ROM，也是最昂贵的ROM。 EEPROM通常用于系统的配置数据和参数的存储与备份。 EEPROM的使用的使用 EEPROM通常有4种工作方式，即读方式、写方式、字节擦除方式和整体擦除方式。 其他其他EEPROM 除了上面介绍的并行EEPROM外，广泛使用的还有串行EEPROM。v5. Flash存储器存储器 Flash概述概述 快闪存储器（F
19、lash）技术是存储器技术的最新发展，使用标准电压擦写和编程。与传统存储器相比，Flash的主要优势： a. 非易失性 b. 易更新性 Flash的分类的分类 Flash主要有两类：NOR Flash和NAND Flash。 Nor flashv优点：采用并口输入输出数据，速度快CPU可以直接从可以直接从Nor Flash中取指令执行中取指令执行v缺点：价格昂贵由于要占用地址线，容量不能很大58Nand Flashv优点：串行数据存储，而且使用块存储，故而容量可以很高v缺点：程序不能直接在Nand Flash中运行，只能拷贝到Nor Flash或者是RAM中运行59基于Flash的嵌入式存储子
20、系统v一般的嵌入式系统中都带有容量较小的Nor Flash和大容量的Nand Flash。vNor Flash主要用来存放引导程序，而Nand Flash存放用户真正的程序。v如果使用操作系统，一般内核比较大，系统启动过程比较慢，大约5-10秒不等，这个过程中主要执行开机自检和硬件初始化以及程序拷贝。6061只读存储器的编程与设备v擦除器v编程器v编程器的输入文件intel 16进制格式motorola格式二进制型JEDEC：PLD使用v在线编程JTAG编程器monitor方式现场软件编程-便于系统的维护4.3 4.3 存储器的分类存储器的分类7 混合类型存储器混合类型存储器 具有RAM快速读
21、/写访问的特性，又具有非易失性，即掉电之后数据也不丢失。 例：NVRAM 特点：速度快，相对于EEPROM；价格高。 用途：存储配置数据等，要求高速度的应用。63存储器的比较存储器种类易失性可写擦除大小擦除周期相对价格相对速度SRAM是是字节无限制昂贵快DRAM是是字节无限制适中适中掩膜ROM否否无无不贵快PROM否用编程器可写一次无无适中快EPROM否是，利用编程器整个芯片有限制适中快EEPROM否是字节有限制昂贵快，读取快写入慢FLASH否是扇区有限制适中读取快写入慢NVRAM否是字节无昂贵快64内容1. 存储子系统结构：通用计算 VS. 嵌入式计算2. 存储器的分类存储器组织模型和存储器性能指标随机存储器只读存储器混合类型的存储器3. STM32存储系统STM32内部存储6566
