第6章嵌入式系统的存储器系统

1、本章主要介绍的内容：本章主要介绍的内容： 嵌入式系统存储设备分类与层次结构、嵌入式系统存储设备分类与层次结构、NOR FlashNOR Flash接口、接口、NAND FlashNAND Flash接口、接口、SDRAMSDRAM接口、接口、CFCF卡接口、卡接口、SDSD卡接口、卡接口、IDEIDE接口的基本原理、接口的基本原理、电路结构与读电路结构与读/ /写操作方法等。写操作方法等。重点内容：重点内容： NOR FlashNOR Flash接口、接口、NAND FlashNAND Flash接口、接口、SDRAMSDRAM接口。接口。目的和要求：目的和要求： 了解嵌入式系统存储设备分类与

2、层次结构、了解嵌入式系统存储设备分类与层次结构、 CFCF卡接口、卡接口、SDSD卡接口、卡接口、IDEIDE接口的基本原理、接口的基本原理、电路结构与读电路结构与读/ /写操作方法等。掌握写操作方法等。掌握NOR FlashNOR Flash接口、接口、NAND FlashNAND Flash接口、接口、SDRAMSDRAM接口等。接口等。第第6 6章章 嵌入式系统的存储器系统嵌入式系统的存储器系统6.1 6.1 存储器系统概述存储器系统概述6.1.1 6.1.1 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构 计算机系统的存储器被组织成一个计算机系统的存储器被组织成一个6 6个层次的金字塔形个层

3、次的金字塔形的层次结构：的层次结构：（1 1）S0S0层为层为CPUCPU内部寄存器内部寄存器（2 2）S1S1层为芯片内部的高速缓存（层为芯片内部的高速缓存（cachecache）（3 3）S2S2层为芯片外的高速缓存（层为芯片外的高速缓存（SRAMSRAM、DRAMDRAM、DDRAMDDRAM）（4 4）S3S3层为主存储器（层为主存储器（FlashFlash、PROMPROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM）（5 5）S4S4层为外部存储器（磁盘、光盘、层为外部存储器（磁盘、光盘、CFCF、SDSD卡）卡）（6 6）S5S5层为远程二级存储（分布式文件系统、层为远程二级

4、存储（分布式文件系统、WebWeb服务器）服务器）6.1.1 6.1.1 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构存储器系统层次结构存储器系统层次结构 更小，更小，更快，更快，更贵的更贵的存储设备存储设备更大，更大，更慢，更慢，更便宜的更便宜的存储设备存储设备芯片内的芯片内的高速缓存高速缓存（cachecache）芯片外的高速缓存芯片外的高速缓存（SRAMSRAM，DRAMDRAM，DDRAMDDRAM）主存储器主存储器（FlashFlash，PROMPROM，EPROMEPROM，E2PROME2PROM）外部存储器外部存储器（磁盘，光盘，（磁盘，光盘，CFCF卡，卡，SDSD卡）卡）远程二

5、级存储远程二级存储（分布式文件系统，（分布式文件系统，WebWeb服务器）服务器）S0S0：S1S1：S2S2：S3S3：S4S4：S5S5：寄存器寄存器CPUCPU寄存器保存来自寄存器保存来自cachecache的字的字芯片内的芯片内的cachecache保存取自保存取自芯片外芯片外cachecache的的cachecache行行芯片外的芯片外的cachecache保存取自保存取自主存储器上的主存储器上的cachecache行行主存储器保存取自主存储器保存取自外部存储器上的文件外部存储器上的文件外部存储器保存取自外部存储器保存取自远程二级存储上的文件远程二级存储上的文件 在这种存储器分层结构

6、中，上面一层的存储器作为在这种存储器分层结构中，上面一层的存储器作为下一层存储器的高速缓存。下一层存储器的高速缓存。CPUCPU寄存器就是寄存器就是cachecache的高速的高速缓存，寄存器保存来自缓存，寄存器保存来自cachecache的字；的字；cachecache又是内存层的又是内存层的高速缓存，从内存中提取数据送给高速缓存，从内存中提取数据送给CPUCPU进行处理，并将进行处理，并将CPUCPU的处理结果返回到内存中；内存又是主存储器的高速的处理结果返回到内存中；内存又是主存储器的高速缓存，它将经常用到的数据从缓存，它将经常用到的数据从FlashFlash等主存储器中提取出等主存储器

7、中提取出来，放到内存中，从而加快了来，放到内存中，从而加快了CPUCPU的运行效率。嵌入式系的运行效率。嵌入式系统的主存储器容量是有限的，磁盘、光盘或统的主存储器容量是有限的，磁盘、光盘或CFCF、SDSD卡等卡等外部存储器用来保存大信息量的数据。在某些带有分布外部存储器用来保存大信息量的数据。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。他系统中被存储数据的高速缓存。6.1.1 6.1.1 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构 在主存储器和在主存储器和CPUCPU之间采用高速缓冲存储器（之间采用

8、高速缓冲存储器（cachecache）被广泛用）被广泛用来提高提高存储器系统的性能，许多微处理器体系结构都把它作为来提高提高存储器系统的性能，许多微处理器体系结构都把它作为其定义的一部分。其定义的一部分。cachecache能够减少内存平均访问时间。能够减少内存平均访问时间。 CacheCache可以分为统一可以分为统一cachecache和独立的数据程序和独立的数据程序cachecache。在一个存。在一个存储系统中，指令预取时和数据读写时使用同一个储系统中，指令预取时和数据读写时使用同一个cachecache，这时称系统，这时称系统使用统一的使用统一的cachecache。如果在一个存储系

9、统中，指令预取时使用的一个。如果在一个存储系统中，指令预取时使用的一个cachecache，数据读写时使用的另一个，数据读写时使用的另一个cachecache，各自是独立的，这时称系，各自是独立的，这时称系统使用了独立的统使用了独立的cachecache，用于指令预取的，用于指令预取的cachecache称为指令称为指令cachecache，用于，用于数据读写的数据读写的cachecache称为数据称为数据cachecache。 当当CPUCPU更新了更新了cachecache的内容时，要将结果写回到主存中，可以采的内容时，要将结果写回到主存中，可以采用写通法（用写通法（write-throu

10、ghwrite-through）和写回法（）和写回法（write-backwrite-back）。写通法是指）。写通法是指CPUCPU在执行写操作时，必须把数据同时写入在执行写操作时，必须把数据同时写入cachecache和主存。采用写通和主存。采用写通法进行数据更新的法进行数据更新的cachecache称为写通称为写通cachecache。写回法是指。写回法是指CPUCPU在执行写操在执行写操作时，被写的数据只写入作时，被写的数据只写入cachecache不写入主存。仅当需要替换时，才把不写入主存。仅当需要替换时，才把已经修改的已经修改的cachecache块写回到主存中。采用写回法进行数据

11、更新的块写回到主存中。采用写回法进行数据更新的cachecache称为写回称为写回cachecache。6.1.2 6.1.2 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 当进行数据写操作时，可以将当进行数据写操作时，可以将cachecache分为读操作分配分为读操作分配cachecache和写操作分配和写操作分配cachecache两类。对于读操作分配两类。对于读操作分配cachecache，当进行数据写操作时，如果当进行数据写操作时，如果cachecache未命中，只是简单地将未命中，只是简单地将数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行cachecache内容内容

12、预取。对于写操作分配预取。对于写操作分配cachecache，当进行数据写操作时，如，当进行数据写操作时，如果果cachecache未命中，未命中，cachecache系统将会进行系统将会进行cachecache内容预取，从内容预取，从主存中将相应的块读取到主存中将相应的块读取到cachecache中相应的位置，并执行写中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到操作，把数据写入到cachecache中。对于写通类型的中。对于写通类型的cachecache，数据将会同时被写入到主存中，对于写回类型的数据将会同时被写入到主存中，对于写回类型的cachecache数数据将在合适的时候写回到主存中。据将

13、在合适的时候写回到主存中。6.1.2 6.1.2 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 MMU MMU（Memory Manage Unit, Memory Manage Unit, 存储管理单元）在存储管理单元）在CPUCPU和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，这个转换过程一般称为内存映射。到物理空间，这个转换过程一般称为内存映射。 MMUMMU主要完成以下工作：主要完成以下工作： （1 1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。采用了）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。采用了页式虚拟存储管理，它把虚拟地址空间分成一个个固定页式虚拟

14、存储管理，它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。分成同样大小的页。MMUMMU实现的就是从虚拟地址到物理地实现的就是从虚拟地址到物理地址的转换。址的转换。 （2 2）存储器访问权限的控制。）存储器访问权限的控制。 （3 3）设置虚拟存储空间的缓冲的特性。）设置虚拟存储空间的缓冲的特性。6.1.3 6.1.3 存储管理单元存储管理单元 嵌入式系统中常常采用页式存储管理。页表是存储在内存中的嵌入式系统中常常采用页式存储管理。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

15、存储空间一个表，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。例如在过程就是查询页表的过程。例如在ARMARM嵌入式系统中，使用系统控制嵌入式系统中，使用系统控制协处理器协处理器CP15CP15的寄存器的寄存器C2C2来保存页表的基地址。来保存页表的基地址。 基于程序在执行过程中具有局部性的原理，在一段时间内，对基于程序在执行过程中具有局

16、部性的原理，在一段时间内，对页表的访问只是局限在少数几个单元。根据这一特点，增加了一个页表的访问只是局限在少数几个单元。根据这一特点，增加了一个小容量（通常为小容量（通常为8 81616字）、高速度（访问速度和字）、高速度（访问速度和CPUCPU中通用寄存器中通用寄存器相当）的存储部件来存放当前访问需要的地址变换条目，这个存储相当）的存储部件来存放当前访问需要的地址变换条目，这个存储部件称为地址转换后备缓冲器（部件称为地址转换后备缓冲器（Translation Look aside BufferTranslation Look aside Buffer，TLBTLB）。当）。当CPUCPU访问

17、内存时，首先在访问内存时，首先在TLBTLB中查找需要的地址变换条目，中查找需要的地址变换条目，如果该条目不存在，如果该条目不存在，CPUCPU在从位于内存中的页表中查询，并把相应的在从位于内存中的页表中查询，并把相应的结果添加到结果添加到TLBTLB中，更新它的内容。中，更新它的内容。6.1.3 6.1.3 存储管理单元存储管理单元 当当ARMARM处理器请求存储访问时，首先在处理器请求存储访问时，首先在TLBTLB中查找虚中查找虚拟地址。如果系统中数据拟地址。如果系统中数据TLBTLB和指令和指令TLBTLB是分开的，在取是分开的，在取指令时，从指令指令时，从指令TLBTLB查找相应的虚拟

18、地址，对于内存访问查找相应的虚拟地址，对于内存访问操作，从数据操作，从数据TLBTLB中查找相应的虚拟地址。中查找相应的虚拟地址。 嵌入式系统中虚拟存储空间到物理存储空间的映射嵌入式系统中虚拟存储空间到物理存储空间的映射以内存块为单位来进行。即虚拟存储空间中一块连续的以内存块为单位来进行。即虚拟存储空间中一块连续的存储空间被映射到物理存储空间中同样大小的一块连续存储空间被映射到物理存储空间中同样大小的一块连续存储空间。在页表和存储空间。在页表和TLBTLB中，每一个地址变换条目实际上中，每一个地址变换条目实际上记录了一个虚拟存储空间的内存块的基地址与物理存储记录了一个虚拟存储空间的内存块的基地

19、址与物理存储空间相应的一个内存块的基地址的对应关系。根据内存空间相应的一个内存块的基地址的对应关系。根据内存块大小，可以有多种地址变换。块大小，可以有多种地址变换。6.1.3 6.1.3 存储管理单元存储管理单元 嵌入式系统支持的内存块大小有以下几种：段（嵌入式系统支持的内存块大小有以下几种：段（sectionsection）大小）大小为为1MB1MB的内存块；大页（的内存块；大页（Large PagesLarge Pages）大小为）大小为64KB64KB的内存块；小页的内存块；小页（Small PagesSmall Pages）大小为）大小为4KB4KB的内存块；极小页（的内存块；极小页（

20、Tiny PagesTiny Pages）大小）大小为为1KB1KB的内存块。极小页只能以的内存块。极小页只能以1KB1KB大小为单位不能再细分，而大页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，大页可以分成大小为和小页有些情况下可以在进一步的划分，大页可以分成大小为16KB16KB的子页，小页可以分成大小为的子页，小页可以分成大小为1KB1KB的子页。的子页。 MMUMMU中的域指的是一些段、大页或者小页的集合。每个域的访问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。例如控制特性都是由芯片内部的寄存器中的相应控

21、制位来控制的。例如在在ARMARM嵌入式系统中，每个域的访问控制特性都是由嵌入式系统中，每个域的访问控制特性都是由CP15CP15中的寄存器中的寄存器C3C3中的两位来控制的。中的两位来控制的。 MMUMMU中的快速上下文切换技术（中的快速上下文切换技术（Fast Context Switch Fast Context Switch ExtensionExtension，FCSEFCSE）通过修改系统中不同进程的虚拟地址，避免在进）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

22、能。统的性能。6.1.3 6.1.3 存储管理单元存储管理单元 在嵌入式系统中，在嵌入式系统中，I/OI/O操作通常被映射成存储器操作，操作通常被映射成存储器操作，即输入输出是通过存储器映射的可寻址外围寄存器和即输入输出是通过存储器映射的可寻址外围寄存器和中断输入的组合来实现的。中断输入的组合来实现的。I/OI/O的输出操作可通过存储器的输出操作可通过存储器写入操作实现；写入操作实现；I/OI/O的输入操作可通过存储器读取操作实的输入操作可通过存储器读取操作实现。这些存储器映射的现。这些存储器映射的I/OI/O空间不满足空间不满足cachecache所要求的特所要求的特性，不能使用性，不能使用

23、cachecache技术，一些嵌入式系统使用存储器直技术，一些嵌入式系统使用存储器直接访问（接访问（DMADMA）实现快速存储。）实现快速存储。6.1.3 6.1.3 存储管理单元存储管理单元6.2 6.2 嵌入式系统存储设备分类嵌入式系统存储设备分类6.2.1 6.2.1 存储器部件的分类存储器部件的分类1.1.按在系统中的地位分类按在系统中的地位分类 在微机系统中，存储器可分为主存储器（在微机系统中，存储器可分为主存储器（Main MemoryMain Memory简称内存简称内存或主存）和辅助存储器（或主存）和辅助存储器（Auxiliary MemoryAuxiliary Memory，

24、Secondary MemorySecondary Memory，简称辅存或外存）。简称辅存或外存）。 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，数据，CPUCPU可以直接对内存进行访问。系统软件中如引导程序、监控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

25、部分程序或者操作系统中的基本输入输出部分BIOSBIOS都是必须常驻内存。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。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。 外存也是用来存储各种信息的，存放的是相对来说不经常使用外存也是用来存储各种信息的，存放的是相对来说不经常使用的程序和数据，其特点是容量大。外存总是和某个外部设备相关的，的程序和数据，其特点是容量大。外存总是和某个外部设备相关的，常见的外存有软盘、硬盘、常见的外存有软盘、硬盘、U U盘、光盘等。盘、光盘等。CPUCPU要使用外存的这些信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

26、存中。息时，必须通过专门的设备将信息先传送到内存中。2.2.按存储介质分类按存储介质分类 根 据 存 储 介 质 的 材 料 及 器 件 的 不 同 ， 可 分 为 磁 存 储 器根 据 存 储 介 质 的 材 料 及 器 件 的 不 同 ， 可 分 为 磁 存 储 器（Magnetic MemoryMagnetic Memory），半导体存储器、光存储器（），半导体存储器、光存储器（Optical MemoryOptical Memory）及激光光盘存储器（及激光光盘存储器（Laser Optical DiskLaser Optical Disk）。）。3.3.按信息存取方式分类按信息存取方

27、式分类 存储器按存储信息的功能，分为随机存取存储器（存储器按存储信息的功能，分为随机存取存储器（Random Random Access MemoryAccess Memory，RAMRAM）和只读存储器（）和只读存储器（Read Only MemoryRead Only Memory，ROMROM）。）。随机存取存储器是一种在机器运行期间可读、可写的存储器，又称随机存取存储器是一种在机器运行期间可读、可写的存储器，又称读写存储器。随机存储器按信息存储的方式，可分为静态读写存储器。随机存储器按信息存储的方式，可分为静态RAMRAM（Static RAMStatic RAM，SRAMSRAM），

28、动态），动态RAMRAM（Dynamic RAMDynamic RAM，DRAMDRAM）及准静态）及准静态RAMRAM（PseudostaticPseudostatic RAM RAM，简称，简称PSRAMPSRAM）。）。 在机器运行期间只能读出信息，不能随时写入信息的存储器称在机器运行期间只能读出信息，不能随时写入信息的存储器称为只读存储器。只读存储器按功能可分为掩模式（为只读存储器。只读存储器按功能可分为掩模式（ROMROM）、可编程只）、可编程只读存储器（读存储器（Programmable ROMProgrammable ROM，PROMPROM）和可改写的只读存储器）和可改写的只读

29、存储器（Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM，EPROMEPROM）。）。6.2.1 6.2.1 存储器部件的分类存储器部件的分类 存储器的容量是描述存储器的最基本参数，如存储器的容量是描述存储器的最基本参数，如1MB1MB。存储器的表示并不唯一，有不同表示方法，每种有不同存储器的表示并不唯一，有不同表示方法，每种有不同的数据宽度。在存储器内部，数据是存放在二维阵列存的数据宽度。在存储器内部，数据是存放在二维阵列存储单元中。阵列以二维的形式存储，给出的储单元中。阵列以二维的形式存储，给出的n n位地址被分位地址被分成行地址和列地址

30、（成行地址和列地址（n nr r十十c c）。）。r r是行地址数，是行地址数，c c是列地是列地址数。行列选定一个特定存储单元。如果存储器外部宽址数。行列选定一个特定存储单元。如果存储器外部宽度为度为1 1位，那么列地址仅一位；对更宽的数据，列地址可位，那么列地址仅一位；对更宽的数据，列地址可选择所有列的一个子集。选择所有列的一个子集。 嵌入式系统的存储器与通用系统的存储器有所不同，嵌入式系统的存储器与通用系统的存储器有所不同，通常由通常由ROMROM、RAMRAM、EPROMEPROM等组成。嵌入式存储器一般采用等组成。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存

31、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。小相匹配。 6.2.2 6.2.2 存储器的组织和结构存储器的组织和结构1.RAM1.RAM（随机存储器）（随机存储器） RAMRAM可以被读和写，地址可以以任意次序被读。常见可以被读和写，地址可以以任意次序被读。常见RAMRAM的种类有的种类有SRAMSRAM（Static RAMStatic RAM，静态随机存储器）、，静态随机存储器）、DRAMDRAM（Dynamic RAMDynamic RAM，动态随机存储器）、，动态随机存储器）、DDRAMDDRAM（Double Data Rate SDRAMDouble Data Rate

32、 SDRAM，双倍速率随机存储器）。，双倍速率随机存储器）。其中，其中，SRAMSRAM比比DRAMDRAM运行速度快，运行速度快，SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多，耗电多，DRAMDRAM需要周期性刷新。而需要周期性刷新。而DDRAMDDRAM是是RAMRAM的下一代产品。在的下一代产品。在1 3 3 M H z1 3 3 M H z 时 钟 频 率 ，时 钟 频 率 ， D D R A MD D R A M 内 存 带 宽 可 以 达 到内 存 带 宽 可 以 达 到13313364b/864b/82 22.1GB/s2.1GB/s，在，在200MHz200MHz时钟频率，其带宽

33、时钟频率，其带宽可达到可达到20020064b/864b/82 23.2GB/s3.2GB/s的海量。的海量。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备2.ROM2.ROM（只读存储器）（只读存储器） ROMROM在烧入数据后，无需外加电源来保存数据，断电后数据不丢在烧入数据后，无需外加电源来保存数据，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，中，ROMROM用固定数据和程序。用固定数据和程序。 常见的常见的ROMROM有有Mask ROMMask ROM（掩模（掩模ROM

34、ROM）、）、PROMPROM（Programmable ROMProgrammable ROM，可编程可编程ROMROM）、）、EPROMEPROM（Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM，可擦写，可擦写ROMROM）、）、EEPROMEEPROM（电可擦除可编程（电可擦除可编程ROMROM，也可表示为，也可表示为E E2 2PROMPROM）、）、Flash ROMFlash ROM（闪速存储器）。（闪速存储器）。 Mask ROMMask ROM一次性由厂家写入数据的一次性由厂家写入数据的ROMROM，用户无法修改。，用户无法

35、修改。PROMPROM出出厂时厂家并没有写入数据，而是保留里面的内容为全厂时厂家并没有写入数据，而是保留里面的内容为全0 0或全或全1 1，由用，由用户来编程一次性写入数据。户来编程一次性写入数据。EPROMEPROM可以通过紫外光的照射，擦掉原先可以通过紫外光的照射，擦掉原先的程序，芯片可重复擦除和写入。的程序，芯片可重复擦除和写入。E2PROME2PROM是通过加电擦除原编程数是通过加电擦除原编程数据，通过高压脉冲可以写入数据，写入时间较长。据，通过高压脉冲可以写入数据，写入时间较长。Flash ROMFlash ROM断电不断电不会丢失数据（会丢失数据（NVRAMNVRAM），可快速读取

36、，电可擦写可编程。），可快速读取，电可擦写可编程。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备3.Flash Memory3.Flash Memory Flash memory Flash memory（闪速存储器）是嵌入式系统中重要（闪速存储器）是嵌入式系统中重要的组成部分，用来存储程序和数据，掉电后数据不会丢的组成部分，用来存储程序和数据，掉电后数据不会丢失。但在使用失。但在使用Flash MemoryFlash Memory时，必须根据其自身特性，时，必须根据其自身特性，对存储系统进行特殊设计，以保证系统的性能达到最优。对存储系统进行特殊设计，以保证系统的性能

37、达到最优。Flash MemoryFlash Memory是一种非易失性存储器是一种非易失性存储器NVMNVM（Non-Volatile Non-Volatile MemoryMemory），根据结构的不同可以将其分成），根据结构的不同可以将其分成NOR FlashNOR Flash和和NAND FlashNAND Flash两种。两种。 Flash MemoryFlash Memory在物理结构上分成若干个区块，区块在物理结构上分成若干个区块，区块之间相互独立。之间相互独立。NOR FlashNOR Flash把整个存储区分成若干个扇区把整个存储区分成若干个扇区（SectorSector），

38、而），而NAND FlashNAND Flash把整个存储区分成若干个块把整个存储区分成若干个块（BlockBlock），可以对以块或扇区为单位的内存单元进行擦），可以对以块或扇区为单位的内存单元进行擦写和再编程。写和再编程。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 由于由于Flash MemoryFlash Memory的写操作只能将数据位从的写操作只能将数据位从1 1写成写成0 0，而不能从，而不能从0 0写成写成1 1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作，将预写，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作，将预写入的数据位初始化为入的数据位初始

39、化为1 1。擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个。擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。字节。NAND FlashNAND Flash执行擦除操作是十分简单的，而执行擦除操作是十分简单的，而NORNOR型内存则要求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在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0 0。 由于擦除由于擦除NOR FlashNOR Flash时是以时是以6464128KB128KB为单位的块进行的，执行为单位的块进行的，执行一个写入擦除操作的时间为一个写入擦除操作的时间为5s5s，与此相反，擦除，与此相反，擦除NAND FlashNAND Flash是以是以8

40、832KB32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms4ms。 NOR FlashNOR Flash的读速度比的读速度比NAND FlashNAND Flash稍快一些，稍快一些，NAND FlashNAND Flash的写入的写入速度比速度比NOR FlashNOR Flash快很多。快很多。NAND FlashNAND Flash的随机读取能力差，适合大量的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取。数据的连续读取。 除了除了NOR FlashNOR Flash的读，的读，Flash MemoryFlash Memory的其他操作不能像的其他操作不能像

41、RAMRAM那样，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（一串特殊的指令（NOR Flash NOR Flash ），或者完成一段时序（），或者完成一段时序（NAND FlashNAND Flash）才能将数据写入到才能将数据写入到Flash MemoryFlash Memory中。中。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 NOR Flash NOR Flash带有带有SRAMSRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易

42、地存取其内部的每一个字节。易地存取其内部的每一个字节。NAND FlashNAND Flash地址、数据和命令共用地址、数据和命令共用8 8位总线位总线/16/16位总线，每次读写都要使用复杂的位总线，每次读写都要使用复杂的I/OI/O接口串行地存取数接口串行地存取数据，据，8 8位总线位总线/16/16位总线用来传送控制、地址和资料信息。位总线用来传送控制、地址和资料信息。 NAND FlashNAND Flash读和写操作采用读和写操作采用512B512B的块，类似硬盘管理操作。因的块，类似硬盘管理操作。因此，基于此，基于NANDNAND的闪存可以取代硬盘或其他块设备。的闪存可以取代硬盘或

43、其他块设备。 NOR FlashNOR Flash容量通常在容量通常在1 MB1 MB8MB8MB之间。而之间。而NAND FlashNAND Flash用在用在8MB8MB以以上的产品当中。上的产品当中。NOR FlashNOR Flash主要应用在代码存储介质中，主要应用在代码存储介质中，NAND FlashNAND Flash适用于资料存储。适用于资料存储。 所有所有Flash MemoryFlash Memory器件存在位交换现象。器件存在位交换现象。Flash MemoryFlash Memory在读写在读写数据过程中，偶然会产生一位或几位数据错误，即位反转。位反转数据过程中，偶然会

44、产生一位或几位数据错误，即位反转。位反转无法避免，只能通过其他手段对产生的结果进行事后处理。位反转无法避免，只能通过其他手段对产生的结果进行事后处理。位反转的问题多见于的问题多见于NAND FlashNAND Flash。NAND FlashNAND Flash的供货商建议使用的供货商建议使用NAND NAND FlashFlash的时候，同时使用的时候，同时使用EDC/ECCEDC/ECC（错误探测错误纠正）算法，以（错误探测错误纠正）算法，以确保可靠性。确保可靠性。 6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 Flash MemoryFlash Memory在

45、使用过程中，可能导致某些区块的损在使用过程中，可能导致某些区块的损坏。区块一旦损坏，将无法进行修复。坏。区块一旦损坏，将无法进行修复。NAND FlashNAND Flash中的中的坏块是随机分布的，尤其是坏块是随机分布的，尤其是NAND FlashNAND Flash在出厂时就可能在出厂时就可能存在这样的坏块（已经被标识出）。存在这样的坏块（已经被标识出）。NAND FlashNAND Flash需要对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介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预用。如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来

46、不可预测的错误。测的错误。 应用程序可以直接在应用程序可以直接在NOR FlashNOR Flash内运行，不需要再把内运行，不需要再把代码读到系统代码读到系统RAMRAM中运行。中运行。NOR FlashNOR Flash的传输效率很高，的传输效率很高，在在1 14MB4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的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。写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND FlashNAND Flash结构结构可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，应用应用NAND FlashN

47、AND Flash的困难在于需要特殊的系统接口。的困难在于需要特殊的系统接口。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 在在NOR FlashNOR Flash上运行代码不需要任何的软件支持。在上运行代码不需要任何的软件支持。在NAND FlashNAND Flash上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序（就是内存技术驱动程序（MTDMTD）。）。NAND FlashNAND Flash和和NOR NOR FlashFlash在进行写入和擦除操作时都需要在进行写入和擦除操作时都需要MTDMTD。 在在NA

48、ND FlashNAND Flash中每个块的最大擦写次数是一百万次，中每个块的最大擦写次数是一百万次，而而NOR FlashNOR Flash的擦写次数是十万次。的擦写次数是十万次。NAND FlashNAND Flash除了具有除了具有10:110:1的块擦除周期优势，典型的的块擦除周期优势，典型的NAND FlashNAND Flash块尺寸要比块尺寸要比NORNOR型闪存小型闪存小8 8倍，每个倍，每个NAND FlashNAND Flash的内存块在给定的时的内存块在给定的时间内删除次数要少一些。间内删除次数要少一些。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存

49、储设备4.4.标准存储卡（标准存储卡（Compact FlashCompact Flash，CFCF卡）卡） CFCF卡是利用卡是利用FlashFlash技术的存储卡，内部结构如图，接技术的存储卡，内部结构如图，接口具有口具有PCMCIA-ATAPCMCIA-ATA功能，可以工作在功能，可以工作在IDEIDE接口模式，也可接口模式，也可以工作在以工作在PC CardPC Card模式。衍生出来的模式。衍生出来的CF+CF+卡物理规格和卡物理规格和CFCF完全相同，在手持设备上应用，如完全相同，在手持设备上应用，如CFCF串口卡、串口卡、CF Modem. CF Modem. CFCF蓝牙、蓝牙

50、、CF USBCF USB卡、卡、CFCF网卡、网卡、CF GPSCF GPS卡、卡、CF GPRSCF GPRS卡等。卡等。按照按照CF+CF+卡标准，它不一定要支持卡标准，它不一定要支持ATAATA接口。通常建议接口。通常建议CF+CF+卡工作在卡工作在PCMCIAPCMCIA模式。模式。CFCF卡可以看作是卡可以看作是PCMCIAPCMCIA卡的一个卡的一个子集，可以通过物理上的转换器，直接转换成子集，可以通过物理上的转换器，直接转换成PCMCIAPCMCIA卡卡使用。使用。 CFCF卡可分为卡可分为I I型和型和IIII型两类，二者的规格和特性基本型两类，二者的规格和特性基本相同，只是

51、相同，只是IIII型比型比I I型略厚一些（型略厚一些（5.0mm5.0mm，3.3mm3.3mm），），IIII型型插座可以同时兼容插座可以同时兼容I I型卡。型卡。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备CFCF卡内部结构卡内部结构6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备主机主机嵌入式嵌入式FlashFlash文件系统文件系统MCUMCUECCECC内部内部DMADMAPWUPWUFlashFlash媒体媒体SRAMSRAM缓冲缓冲ATAATA控制器控制器 CF CF卡有卡有3 3种工作模式：种工作模式：PCPC卡卡ATA I

52、/OATA I/O模式、模式、PCPC卡卡ATAATA存储模式和实存储模式和实IDEIDE模式。实模式。实IDEIDE模式与模式与IDEIDE接口完全兼容。接口完全兼容。CFCF卡遵循卡遵循ATAATA协议，属于协议，属于块存储设备，存储单元是通过磁头（块存储设备，存储单元是通过磁头（headhead）、柱面（）、柱面（cylindercylinder，也，也称磁道）和扇区（称磁道）和扇区（sector sector ）组织起来的。在物理寻址（）组织起来的。在物理寻址（CHSCHS）方式）方式下，每一组下，每一组H/C/SH/C/S参数唯一确定存储卡中的一个扇区，通常一个扇区参数唯一确定存储卡

53、中的一个扇区，通常一个扇区拥有拥有512B512B的数据空间。一个驱动数格式化后的容量为磁头数的数据空间。一个驱动数格式化后的容量为磁头数柱面柱面数数扇区数扇区数512512字节。在物理寻址模式下，扇区（字节。在物理寻址模式下，扇区（S S）是最低的地）是最低的地址单位，其次是磁头（址单位，其次是磁头（H H），最后的柱面（），最后的柱面（C C）为最高寻址单位。此）为最高寻址单位。此外，还有逻辑寻址方式（外，还有逻辑寻址方式（LBALBA）。在这种寻址方式下，）。在这种寻址方式下，CFCF卡按照以连卡按照以连续序列的逻辑扇区编号进行寻址，主机不必知道续序列的逻辑扇区编号进行寻址，主机不必知道

54、CFCF卡的物理几何结卡的物理几何结构。使用构。使用2828个数据位来表示逻辑扇区的地址，可以寻址个数据位来表示逻辑扇区的地址，可以寻址228228个扇区，个扇区，理论上可以寻址理论上可以寻址136GB136GB的容量。的容量。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 物理寻址方式与逻辑寻址方式的对应关系如下所示物理寻址方式与逻辑寻址方式的对应关系如下所示： S SLBALBA=N=NH HN NS Sb bC C+N+NC Cb bH H+b+bS S-1-1； b bC C= =（S SLBALBA div N div NS S）div Ndiv NH H；

55、 b bH H= =（S SLBALBA div N div NS S）mod Nmod NH H； b bS S= =（S SLBALBA mod N mod NS S）+1+1。 其中：其中：N NS S为每磁道扇区数，为每磁道扇区数，N NH H为磁头数，为磁头数，b bC C、b bH H、b bS S分分别表示磁盘的柱面、磁头和扇区编号，别表示磁盘的柱面、磁头和扇区编号，S SLBALBA表示逻辑扇区表示逻辑扇区号，号，divdiv为整除计算，为整除计算，modmod为求余计算。为求余计算。 6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备5.5.安全数据卡（

56、安全数据卡（Secure Digital CardSecure Digital Card，SDSD卡）卡） 由日本由日本PanasonicPanasonic公司、公司、TOSHIBATOSHIBA公司和美国公司和美国SanDiskSanDisk公司共同开公司共同开发研制的发研制的SDSD卡是一种全新的存储卡产品，在卡是一种全新的存储卡产品，在MP3MP3、数码摄像机、数码、数码摄像机、数码相机、电子图书及相机、电子图书及AVAV器材等中应用。器材等中应用。SDSD存储卡采用一个完全开放的存储卡采用一个完全开放的标准（系统），外形与标准（系统），外形与MultiMediaMultiMedia卡保

57、持一致，比卡保持一致，比MMCMMC卡略厚，具有卡略厚，具有更大的容量，兼容更大的容量，兼容MMCMMC卡接口规范。卡接口规范。SDSD卡具有加密功能，可以保证数卡具有加密功能，可以保证数据资料的安全保密。据资料的安全保密。SDSD卡具有版权保护技术，所采用的版权保护技卡具有版权保护技术，所采用的版权保护技术是术是DVDDVD中使用的中使用的CPRMCPRM技术（可刻录介质内容保护）。技术（可刻录介质内容保护）。6.6.硬盘存储器硬盘存储器 硬盘存储器具有存储容量大，使用寿命长，存取速度较快的特硬盘存储器具有存储容量大，使用寿命长，存取速度较快的特点，也是在嵌入式系统中常用的外存。点，也是在嵌

58、入式系统中常用的外存。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器（缆。硬盘控制器（Hard Disk ControllerHard Disk Controller，简称，简称HDCHDC）对硬盘进行管理，并）对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相连。硬盘驱动器（集成在主板上，然

59、后通过电缆与硬盘驱动器相连。硬盘驱动器（Hard Disk Hard Disk DriveDrive，简称，简称HDDHDD）中有盘片、磁头、主轴电机（盘片旋转驱动机构）、磁）中有盘片、磁头、主轴电机（盘片旋转驱动机构）、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。头定位机构、读写电路和控制逻辑等。 硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。温彻斯特盘是根据硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。温彻斯特盘是根据温彻斯特技术设计制造的，它的磁头、盘片、磁头定位机构、主轴、甚至连温彻斯特技术设计制造的，它的磁头、盘片、磁头定位机构、主轴、甚至连读写驱动电路等都被密封在一个盘盒内，构成一个头一盘

60、组合体。温彻斯读写驱动电路等都被密封在一个盘盒内，构成一个头一盘组合体。温彻斯特盘的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。非温彻斯特盘磁盘的特盘的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。非温彻斯特盘磁盘的磁头和盘片等不是密封的，通常只能用于中型、大型计算机机房中。磁头和盘片等不是密封的，通常只能用于中型、大型计算机机房中。 最常见的硬盘接口是最常见的硬盘接口是IDEIDE（ATAATA）和）和SCSISCSI两种，一些移动硬盘采用两种，一些移动硬盘采用PCMCIAPCMCIA或或USBUSB接口。接口。6.2.3 6.2.3 常见的嵌入式系统存储设备常见的嵌入式系统存储设备 IDE ID