嵌入式微處理器系統及應用第五章嵌入式系統的片外存儲系統概述

片外存儲器ROM-NORFlash,NandFlash,EEPROMRAM-RAM,SDRAM,DDRSDRAM電子存儲器-SD,MMC,xD,CF,MS微硬盤主要內容RAM的分類及特點

ROM的分類及特點電子存儲器介紹微硬盤介紹RAMSRAM工作原理

T1~T4組成一個雙穩態觸發器。Q=0（或=1）這一穩定狀態表示二進制“0”，另一穩定狀態Q=1（或=0）表示二進制“1”。T5、T6：行選通門(每個存儲單元一對選通門)，受地址譯碼信號控制的；T7、T8：列選通門(每列存儲單元一對選通門)，受列選信號控制。存儲的數據通過數據線T5/T6、D/-D和T7/T8傳輸到外部引線I/O和-I/O，D和-D稱為位線，I/O和-I/O稱為數據線

Vcc（+5V）行選線XT4T3T5T1T2T7T8D位線位線列選線YI/OI/OT6RAMSRAM組成結構

X地址譯碼器輸出端提供X0~X63共64條行選線，每一行選線接在同一行中的64個存儲電路的行選端，為該行64個行選端提供行選信號；

Y地址譯碼器輸出端提供Y0~Y63共64條列選線，同一列的64個存儲電路共用一條位線，由列選線控制該位線與I/O數據線的連通

RAMSRAM特點

SRAM的基本結構是一個雙穩態電路，只要寫電路不工作，電路就保持現狀，不存在刷新的問題，一個SRAM基本單元包括6個晶體管和2個電阻。它不是通過利用電容充放電的特性來存儲數據，而是利用設置晶體管的狀態來決定邏輯狀態——同微處理器中的邏輯狀態一樣。讀取操作對于SRAM不是破壞性的，所以SRAM不存在刷新的問題，存取速度快RAMSRAM芯片結構-W2465RAMSRAM用途

因為價格比較昂貴，而且容量很小，所以SRAM一般作為系統內部的高速緩存或者某些處理器的外部擴展存儲器RAMDRAM工作原理讀操作行地址譯碼選中某一行，該行上所有基本存儲電路中的管子T全導通，于是連在每一列上的刷新放大器讀取該行上各列電容C的電壓；刷新放大器靈敏度高，將讀得的電壓放大整形成邏輯“0”或“1”的電平；對列地址進行譯碼產生列選信號，列選信號將被選行中該列的基本存儲電路內容讀出送到芯片的數據I/O線上。寫操作

相應行、列選擇線為“1”，數據I/O線上的信息經刷新放大器驅動后再通過T管加到電容C上。刷新在讀／寫過程中，某條行選線為“1”，該行上所有基本存儲電路都被選通，由刷新放大器讀取電容C上電壓；對非寫的存儲電路，刷新放大器讀出、放大、驅動之后又立即對之重寫，進行刷新(又稱再生)，維持電容C上的電荷，保持該存儲電路中的內容（即狀態）不變；電容C是MOS管的極間電容，容量很小，讀出時電容C上的電荷被寄生的分布電容分泄，因此讀出后原來C上的電壓變得極小，是破壞性讀出，讀后必須重寫RAMDRAM結構 由單管存儲元件組成的DRAM存儲矩陣簡圖，共有16384個存儲單元，每個存儲單元只有一個存儲元件，故存儲容量為16K×1。它需要14位地址碼。分成X地址碼（7位）和Y地址譯碼（7位）來共同選擇所需的存儲單元RAMDRAM特點

DRAM的速度比SRAM慢，但是由于結構比SRAM簡單，所以相同容量的DRAM體積比SRAM小，所以價格便宜。一個DRAM單元由一個晶體管和一個小電容組成。晶體管通過小電容的電壓來保持斷開、接通狀態。當小電容有電時，晶體管接通表示l；當小電容沒電時，晶體管斷開表示0。所以DRAM中存儲的數據需要不斷地刷新。存取速度相對SRAM較慢。

RAMDRAM用途

早期主要用于顯卡，聲卡，硬盤等作為緩存，也用于PC系統作為主內存，由于速度和容量的原因，現在已經淘汰。RAMSDRAM特點

SDRAM(SynchronousDRAM：同步DRAM)是廣泛應用于計算機中的高速大容量存儲器，在相當長時期內是存儲器市場的主流。前述的DRAM是非同步存取存儲器，在存取數據時必須等待若干時鐘周期才能接受和發送數據，如FPMDRAM和EDODRAM須分別等待3個和2個時鐘周期。這種等待限制了存儲器的數據傳輸速率，DRAM的速率不能超過66MHz。

SDRAM在同步脈沖控制下工作，和微處理器共享一個時鐘周期，在理論上可與微處理器外頻同步。多數SDRAM搭配運行的時鐘頻率為66MHz～133MHz，存取時間為15ns～7nsRAMSDRAMW981216芯片結構

4組存儲體，每組為2Mx16，因此128Mb呈現2M×16位×4組的形式

RAMSDRAM用途

SDRAM以前也曾經作為PC系統的主內存和顯卡、聲卡等的緩存，現在也同樣因為速度、帶寬等不能滿足需要而逐步被PC系統淘汰。但是在嵌入式系統中目前應用非常廣泛，是目前嵌入式系統的首選存儲類型。

RAMDDRSDRAM特點

DDR從它的英文名稱DoubleDataRate上面就能看出他的含義，簡單的說就是雙倍傳輸速率的SDRAM。普通SDRAM內存的工作方式是在一個時鐘周期的上升沿觸發進行工作。也就是說在一個時鐘周期內，內存將工作一次。而DDR的技術使得內存可以在每一個時鐘周期的上升沿和下降沿分別觸發一次，這樣就使得在一個時鐘周期內內存可以工作兩次，這樣就使得DDR內存在相同的時間內能夠完成普通內存兩倍的工作量。 利用時鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數據（一般的SDRAM僅允許在上升沿傳輸數據），這樣DDRSDRAM就可以在一個時鐘周期傳輸兩次數據，所以理論上具有SDRAM內存兩倍的帶寬。實際工作時，DDR并不會比SDRAM快整整兩倍。在現階段的系統條件下，DDR內存通常比SDRAM內存快5％，而在一些與內存帶寬密切相關的軟件應用中DDR才能夠發揮作用，增加的效能可能達到30％之多RAMDDRSDRAM芯片結構

RAMDDRSDRAM用途

DDRSDRAM目前已經普遍用于桌面PC系統作為主要內存使用，對速度和性能要求較高的嵌入式系統也開始采用DDRSDRAM作為內存。比如網絡設備，音視頻處理設備等。RAMRAM芯片的選型和組合應用

RAM的選型

需要根據處理器支持的類型和軟件需要的空間來確定內存芯片具體參數。一般主要考慮以下幾方面： 確定處理器支持哪些類型的RAM，比如飛利浦的很多處理器只能支持外接SRAM作為內存，而三星公司的一般都可以支持SRAM、SDRAM等類型。如果應用程序很小，可以選擇可外接SRAM的處理器，從而簡化硬件設計。而如果應用程序很大，需要很多的內存，則采用SRAM的成本就很高，此種情況就需要采用可外接SDRAM或DDRSDRAM的處理器和內存芯片。 確定系統總線的數據位數。根據系統的數據處理能力，PCB空間和成本進行綜合考慮。如果對系統運行速度要求不高，可以采用16位接口的單片芯片來完成（相對于32位的處理器），這樣可以節約大量的PCB空間用于其他用途。如果系統對性能要求很高，則可以選擇32位接口芯片或采用兩片16位芯片進行組合。 確定所需的RAM容量。根據程序運行的空間需求進行選擇，比如2MB，4MB，8MB等。RAMRAM芯片的選型和組合應用RAM的組合應用單片16位SRAM組成16位數據寬度

RAMRAM芯片的選型和組合應用RAM的組合應用兩片16位SRAM組成32位數據寬度

RAMRAM芯片的選型和組合應用RAM的組合應用單片16位SDRAM組成16位數據寬度

RAMRAM芯片的選型和組合應用RAM的組合應用兩片16位SDRAM組成32位數據寬度

主要內容RAM的分類及特點

ROM的分類及特點

電子存儲器介紹微硬盤介紹ROMNORFlash工作原理ROMNORFlash特點

NORflash不需要改變電壓就可以進行擦除，通常通過WP（Writeprotect，寫保護）信號進行操作。具有EEPROM和RAM的特點，讀寫速度快，寫入數據后斷電不丟失。ROMNORFlash芯片結構

ROMNORFlash應用

NORflash因為可以直接執行代碼，而且存取速度很快，一般用于嵌入式系統中存放引導程序和應用程序。

NORflash的組合應用與RAM類似，也可以根據系統需要，將8位的flash組合為16位或者32位使用。ROMNANDFlash內部結構ROMNANDFlash特點

優點：硬件接口簡單，總共只需要10幾根信號線，容量大，目前單片可以達到幾個Gb，遠遠超過NORflash，價格便宜，讀寫速度快。 缺點：必須處理器的專用接口才能作為引導器件，存取方式相對復雜，芯片容易存在缺陷，一般需要采用ECC算法進行校驗。

ROMNANDFlash讀操作

在初始上電時，器件進入缺省的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入3個地址(1個列地址，2個行地址)來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重復寫入指令了。 寫入指令和地址后，處理器可以通過對信號線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果信號為低電平，表示器件正“忙”;為高電平，說明器件內部操作完成，要讀取的數據被送入了數據寄存器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續RE脈沖信號的控制下，從I/O口依次讀出數據。連續頁讀操作中，輸出的數據是從指定的列地址開始，直到該頁的最后-個列地址的數據為止。ROMNANDFlash寫操作

K9F1208UOB的寫入操作也以頁為單位。寫入必須在擦除之后，否則寫入將出錯。 頁寫入周期總共包括3個步驟：寫入串行數據輸入指令(80h)，然后寫入3個字節的地址信息，最后串行寫入數據。串行寫入的數據最多為528字節，它們首先被寫入器件內的頁寄存器，接著器件進入一個內部寫入過程，將數據從頁寄存器寫入存儲宏單元。 串行數據寫入完成后，需要寫入“頁寫入確認”指令10h，這條指令將初始化器件的內部寫入操作。如果單獨寫入10h而沒有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫入之后，K9F1208UOB的內部寫控制器將自動執行內部寫入和校驗中必要的算法和時序，這時系統控制器就可以去做其他的事了。 內部寫入操作開始后，器件自動進入“讀狀態寄存器”模式。在這一模式下，當RE和CE為低電平時，系統可以讀取狀態寄存器。可以通過檢測R/B的輸出，或讀狀態寄存器的狀態位(I/O6)來判斷內部寫入是否結束。在器件進行內部寫入操作時，只有讀狀態寄存器指令和復位指令會被響應。當頁寫入操作完成，應該檢測寫狀態位(I/O0)的電平。 內部寫校驗只對沒有成功地寫為0的情況進行檢測。指令寄存器始終保持著讀狀態寄存器模式，直到其他有效的指令寫入指令寄存器為止。ROMNANDFlash塊擦除

擦除操作是以塊為單位進行的。擦除的啟動指令為60h，塊地址的輸入通過兩個時鐘周期完成。這時只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13則被忽略。塊地址載入之后執行擦除確認指令D0h，它用來初始化內部擦除操作。擦除確認命令還用來防止外部干擾產生擦除操作的意外情況。器件檢測到擦除確認命令輸入后，在WE的上升沿啟動內部寫控制器開始執行擦除和擦除校驗。內部擦除操作完成后，檢測寫狀態位(I/O0)，從而了解擦除操作是否有錯誤發生。

ROMNANDFlash讀狀態寄存器

K9F1208UOB包含一個狀態寄存器，該寄存器反應了寫入或擦除操作是否完成，或寫入和擦除操作是否無錯。寫入70h指令，啟動讀狀態寄存器周期。狀態寄存器的內容將在CE或RE的下降沿處送出至I/O端口。 器件一旦接收到讀狀態寄存器的指令，它就將保持狀態寄存器在讀狀態，直到有其他的指令輸入。因此，如果在任意讀操作中采用了狀態寄存器讀操作，則在連續頁讀的過程中，必須重發00h或50h指令。ROMNANDFlash讀器件ID K9F1208UOB器件具有一個產品鑒定識別碼(ID)，系統控制器可以讀出這個ID，從而起到識別器件的作用。讀ID的步驟是：寫入90h指令，然后寫入一個地址00h。在兩個讀周期下，廠商代碼和器件代碼將被連續輸出至I/O口。 同樣，一旦進入這種命令模式，器件將保持這種命令狀態，直到接收到其他的指令為止。ROMNANDFlash復位

器件提供一個復位(RESET)指令，通過向指令寄存器寫入FFh來完成對器件的復位。當器件處于任意讀模式、寫入或擦除模式的忙狀態時，發送復位指令可以使器件中止當前的操作，正在被修改的存儲器宏單元的內容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一條指令的到來。當WP為高時，狀態寄存器被清為C0h。ROMNANDFlash應用

NANDflash因為其容量大，成本低，目前已廣泛用于嵌入式產品中包括數碼相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤、以及固態硬盤等產品中。ROMNANDflash和NORflash的性能、可靠性對比ROMNORFlash的原理及特點NANDFlash的原理及特點EPROM原理及特點EEPROM原理及特點FRAM原理及特點ROMEPROM內部結構

輸入的地址信號在芯片內部被分為X，Y兩塊，分別對應存儲矩陣的行和列，用于選中唯一的一個地址單元，然后在CE和OE的驅動下從O0-O7輸出相應數據。ROMEPROM特點

EPROM（ErasableProgrammableROM，可擦除可編程ROM）芯片可重復擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端。EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內部的集成電路，紫外線透過該孔照射內部芯片就可以擦除其內的數據，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM內資料的寫入要用專用的編程器，并且往芯片中寫內容時必須要加一定的編程電壓（VPP=12—24V，隨不同的芯片型號而定）。ROMEPROM應用

EPROM早期主要作為處理器的外部擴展存儲器以及PC上的BIOS存儲器，但是因為要用紫外線通過特殊設備才能擦除，所以后續逐漸被EEPROM所取代。ROMEEPROM工作原理

EEPROM的寫入過程是利用了隧道效應，即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。量子力學認為物理尺寸與電子自由程相當時，電子將呈現波動性，這里就是表明物體要足夠的小。就pn結來看，當p和n的雜質濃度達到一定水平時，并且空間電荷極少時，電子就會因隧道效應向導帶遷移。電子的能量處于某個級別允許級別的范圍稱為“帶”，較低的能帶稱為價帶，較高的能帶稱為導帶。

ROMEEPROM特點

EEPROM可以在系統進行編程，也可以根據需要進行多次擦除和修改，數據寫入之后即使斷電也不會丟失。一般可反復擦寫10萬次左右。ROMEEPROM應用

因為容量不是很大，所以EEPROM主要用于系統中存放引導程序、配置參數、需要修改的數據等。ROMFRAM工作原理

鐵電存儲器（FRAM）是近年來新出現的一種讀寫速度非常快的存儲器，它可以兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術一樣，是一種非易失性的存儲器。 當一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內部電路感應到電荷擊穿并設置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新，掉電后數據能夠繼續保存，速度快而且不容易寫壞。ROMFRAM芯片結構

128x32FRAM陣列數據鎖存器地址鎖存器計數器串并轉換器控制邏輯8SDASCLWPA1A2ROMFRAM特點 鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術一樣，是一種非易失性的存儲器。鐵電存儲器在這兩類存儲類型間搭起了一座跨越溝壑的橋梁--一種非易失性的RAM。鐵電存儲器在性能方面與EEPRON和Flash相比有三點優勢之處： 首先，鐵電存儲器的讀寫速度更快。與其它存儲器相比，鐵電存儲器寫入時幾乎不需要等待時間，而EEPROM一般需要幾毫秒。讀的速度同樣也很快，和寫操作在速度上幾乎沒有太大的區別。 其次，FRAM存儲器幾乎可以無限次擦寫，而EEPROM則一般只能進行幾十萬次到100萬次的擦寫。ROMFRAM應用

FRAM主要用于對反復擦寫次數要求高，讀寫速度快的場合。應用領域也越來越廣泛，比如儀器儀表、汽車、通信等。主要內容RAM的分類及特點

ROM的分類及特點

電子存儲器介紹

微硬盤介紹電子存儲器CF卡介紹

CompactFlash的誕生比較早，由最大的FlashMemory卡廠商之一美國的SanDisk于1994年首次推出。CompactFlash的大小僅為43mm×36mm×3.3mm（火柴盒般大小），體積只有PCMCIA卡的1/4，看起來就像是PCMCIA卡的縮小版。

CompactFlash提供了完整的PCMCIA-ATA功能而且通過ATA/ATAPI-4兼容TrueIDE。和68針接口的PCMCIA卡不同，同樣遵從ATA協議的CompactFlash的接口只有50針

目前CF的最大容量是32GB，最高傳輸速率為20MB/s。

電子存儲器CF卡缺點

由于CF采用IDE接口，信號引腳多，體積大（有火柴盒大小），所以限制了其在小型設備上，如mp3，手機，相機等的使用。電子存儲器MMC卡介紹

MMC（MultiMediaCard）卡由西門子公司和首推CF的SanDisk于1997年推出。1998年1月十四家公司聯合成立了MMC協會（MultiMediaCardAssociation簡稱MMCA），現在會員已經有超過210家，主要包括了主機系統、卡、部件和連接器等的制造商。其會員分為兩大類：執行會員(具有投票表決的權利)和普通會員。

MMC的發展目標主要是針對數碼影像、音樂、手機、PDA、電子書、玩具等產品，以前MMC卡號稱是目前世界上最小的FlashMemory存貯卡，尺寸只有32mmx24mmx1.4mm。雖然比SmartMedia厚，但整體體積卻比SmartMedia小，而且也比SmartMedia輕，只有1.5克。MMC也是把存貯單元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC保證兼容性和靈活性 目前MMC卡的最大容量為4GB，傳輸速率最高為6MB/s電子存儲器SD卡介紹

SD（SecureDigital）卡由松下電器、東芝和SanDisk聯合推出，1999年8月被首次發布。2000年2月1日成立了SD協會（SDA），成員公司超過90個，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、SamsungElectronics，ToyotaMotor等國際知名的半導體廠商。電子存儲器SD卡特點 目前SD卡的容量最大為32GB，最高傳輸速率為20MB/sSD卡miniSD卡microSD卡電子存儲器SD卡應用

SD卡最大的特點就是通過加密功能，保證數據資料的安全保密。SD卡在售價方面要高于同容量的MMC卡。

SD卡多用于MP3隨身聽、數碼攝像機、數碼相機等，由于SD卡的體積要比CF卡小很多，并且它在容量、性能和價格上和CF卡的差距越來越小，目前正迅速在上述市場領域獲得很大的普及。電子存儲器SM卡介紹

SM（SmartMedia）卡是由東芝公司ToshibaAmericaElectronicComponents（TAEC）在1995年11月發布的FlashMemory存儲卡，三星公司在1996年購買了生產和銷售許可，這兩家公司成為主要的SmartMedia廠商。 為了推動SmartMedia成為工業標準，1996年4月成立了SSFDC論壇（SSFDC即SolidStateFloppyDiskCard，實際上最開始時SmartMedia被稱為SSFDC，1996年6月改名為SmartMedia，并成為東芝的注冊商標）。SSFDC論壇有超過150個成員，同樣包括不少大廠商，如Sony、Sharp、JVC、Philips、NEC、SanDisk等廠商。SmartMedia卡也是市場上常見的微存儲卡，一度在MP3播放器上非常地流行

電子存儲器SM卡缺點 由于SM卡的控制電路是集成在數碼產品當中，這使得產品的兼容性容易受到影響，所以目前新推出的數碼相機中都已經沒有采用SM存儲卡的產品了。

電子存儲器xD卡介紹

xD卡全稱為XD-PICTURECARD，是由富士和奧林巴斯聯合推出的專為數碼相機使用的小型存儲卡。xD取自于“ExtremeDigital”，是“極限數字”的意思

電子存儲器xD卡特點袖珍的外形尺寸，為20mm×25mm×1.7mm，約為2克重優秀的兼容性，采用單面18針接口，配合各式的讀卡器，可以方便地與個人電腦連接存儲容量大，其理論的最大容量可達8GB

電子存儲器xD卡缺點

奧林巴斯雖然在數碼單反機型中支持CF卡，但是DC產品中幾乎全系列采用xD卡。剛開始xD卡具有一定程度上的優勢，但是隨著其它類型存儲卡的發展，在速度、容量以及價格的競爭下，xD卡已經明顯沒有了優勢，有時候甚至在市場上難以找到一個xD卡的讀卡器。在這樣的情況下，消費者在選擇相機時，必然會考慮存儲介質的問題。所以xD卡目前也逐步淡出了存儲卡市場 電子存儲器Memorystick介紹

1997年7月Sony宣布開發MemoryStick，即記憶棒。MemoryStick被很多人稱為口香糖存儲卡，因為其尺寸確實像一條香口膠：50mm×21.5mm×2.8mm，重4克。

Memorystick采用精致醒目的藍色外殼（新的MS為白色），并具有寫保護開關。 電子存儲器Memo