第五章 嵌入式系统的片外存储系统

嵌入式微处理器系统及应用第五章嵌入式系统的片外存储系统概述

片外存储器ROM-NORFlash,NandFlash,EEPROMRAM-RAM,SDRAM,DDRSDRAM电子存储器-SD,MMC,xD,CF,MS微硬盘主要内容RAM的分类及特点

ROM的分类及特点电子存储器介绍微硬盘介绍RAMSRAM工作原理

T1~T4组成一个双稳态触发器。Q=0（或=1）这一稳定状态表示二进制“0”，另一稳定状态Q=1（或=0）表示二进制“1”。T5、T6：行选通门(每个存储单元一对选通门)，受地址译码信号控制的；T7、T8：列选通门(每列存储单元一对选通门)，受列选信号控制。存储的数据通过数据线T5/T6、D/-D和T7/T8传输到外部引线I/O和-I/O，D和-D称为位线，I/O和-I/O称为数据线

Vcc（+5V）行选线XT4T3T5T1T2T7T8D位线位线列选线YI/OI/OT6RAMSRAM组成结构

X地址译码器输出端提供X0~X63共64条行选线，每一行选线接在同一行中的64个存储电路的行选端，为该行64个行选端提供行选信号；

Y地址译码器输出端提供Y0~Y63共64条列选线，同一列的64个存储电路共用一条位线，由列选线控制该位线与I/O数据线的连通

RAMSRAM特点

SRAM的基本结构是一个双稳态电路，只要写电路不工作，电路就保持现状，不存在刷新的问题，一个SRAM基本单元包括6个晶体管和2个电阻。它不是通过利用电容充放电的特性来存储数据，而是利用设置晶体管的状态来决定逻辑状态——同微处理器中的逻辑状态一样。读取操作对于SRAM不是破坏性的，所以SRAM不存在刷新的问题，存取速度快RAMSRAM芯片结构-W2465RAMSRAM用途

因为价格比较昂贵，而且容量很小，所以SRAM一般作为系统内部的高速缓存或者某些处理器的外部扩展存储器RAMDRAM工作原理读操作行地址译码选中某一行，该行上所有基本存储电路中的管子T全导通，于是连在每一列上的刷新放大器读取该行上各列电容C的电压；刷新放大器灵敏度高，将读得的电压放大整形成逻辑“0”或“1”的电平；对列地址进行译码产生列选信号，列选信号将被选行中该列的基本存储电路内容读出送到芯片的数据I/O线上。写操作

相应行、列选择线为“1”，数据I/O线上的信息经刷新放大器驱动后再通过T管加到电容C上。刷新在读／写过程中，某条行选线为“1”，该行上所有基本存储电路都被选通，由刷新放大器读取电容C上电压；对非写的存储电路，刷新放大器读出、放大、驱动之后又立即对之重写，进行刷新(又称再生)，维持电容C上的电荷，保持该存储电路中的内容（即状态）不变；电容C是MOS管的极间电容，容量很小，读出时电容C上的电荷被寄生的分布电容分泄，因此读出后原来C上的电压变得极小，是破坏性读出，读后必须重写RAMDRAM结构 由单管存储元件组成的DRAM存储矩阵简图，共有16384个存储单元，每个存储单元只有一个存储元件，故存储容量为16K×1。它需要14位地址码。分成X地址码（7位）和Y地址译码（7位）来共同选择所需的存储单元RAMDRAM特点

DRAM的速度比SRAM慢，但是由于结构比SRAM简单，所以相同容量的DRAM体积比SRAM小，所以价格便宜。一个DRAM单元由一个晶体管和一个小电容组成。晶体管通过小电容的电压来保持断开、接通状态。当小电容有电时，晶体管接通表示l；当小电容没电时，晶体管断开表示0。所以DRAM中存储的数据需要不断地刷新。存取速度相对SRAM较慢。

RAMDRAM用途

早期主要用于显卡，声卡，硬盘等作为缓存，也用于PC系统作为主内存，由于速度和容量的原因，现在已经淘汰。RAMSDRAM特点

SDRAM(SynchronousDRAM：同步DRAM)是广泛应用于计算机中的高速大容量存储器，在相当长时期内是存储器市场的主流。前述的DRAM是非同步存取存储器，在存取数据时必须等待若干时钟周期才能接受和发送数据，如FPMDRAM和EDODRAM须分别等待3个和2个时钟周期。这种等待限制了存储器的数据传输速率，DRAM的速率不能超过66MHz。

SDRAM在同步脉冲控制下工作，和微处理器共享一个时钟周期，在理论上可与微处理器外频同步。多数SDRAM搭配运行的时钟频率为66MHz～133MHz，存取时间为15ns～7nsRAMSDRAMW981216芯片结构

4组存储体，每组为2Mx16，因此128Mb呈现2M×16位×4组的形式

RAMSDRAM用途

SDRAM以前也曾经作为PC系统的主内存和显卡、声卡等的缓存，现在也同样因为速度、带宽等不能满足需要而逐步被PC系统淘汰。但是在嵌入式系统中目前应用非常广泛，是目前嵌入式系统的首选存储类型。

RAMDDRSDRAM特点

DDR从它的英文名称DoubleDataRate上面就能看出他的含义，简单的说就是双倍传输速率的SDRAM。普通SDRAM内存的工作方式是在一个时钟周期的上升沿触发进行工作。也就是说在一个时钟周期内，内存将工作一次。而DDR的技术使得内存可以在每一个时钟周期的上升沿和下降沿分别触发一次，这样就使得在一个时钟周期内内存可以工作两次，这样就使得DDR内存在相同的时间内能够完成普通内存两倍的工作量。 利用时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据（一般的SDRAM仅允许在上升沿传输数据），这样DDRSDRAM就可以在一个时钟周期传输两次数据，所以理论上具有SDRAM内存两倍的带宽。实际工作时，DDR并不会比SDRAM快整整两倍。在现阶段的系统条件下，DDR内存通常比SDRAM内存快5％，而在一些与内存带宽密切相关的软件应用中DDR才能够发挥作用，增加的效能可能达到30％之多RAMDDRSDRAM芯片结构

RAMDDRSDRAM用途

DDRSDRAM目前已经普遍用于桌面PC系统作为主要内存使用，对速度和性能要求较高的嵌入式系统也开始采用DDRSDRAM作为内存。比如网络设备，音视频处理设备等。RAMRAM芯片的选型和组合应用

RAM的选型

需要根据处理器支持的类型和软件需要的空间来确定内存芯片具体参数。一般主要考虑以下几方面： 确定处理器支持哪些类型的RAM，比如飞利浦的很多处理器只能支持外接SRAM作为内存，而三星公司的一般都可以支持SRAM、SDRAM等类型。如果应用程序很小，可以选择可外接SRAM的处理器，从而简化硬件设计。而如果应用程序很大，需要很多的内存，则采用SRAM的成本就很高，此种情况就需要采用可外接SDRAM或DDRSDRAM的处理器和内存芯片。 确定系统总线的数据位数。根据系统的数据处理能力，PCB空间和成本进行综合考虑。如果对系统运行速度要求不高，可以采用16位接口的单片芯片来完成（相对于32位的处理器），这样可以节约大量的PCB空间用于其他用途。如果系统对性能要求很高，则可以选择32位接口芯片或采用两片16位芯片进行组合。 确定所需的RAM容量。根据程序运行的空间需求进行选择，比如2MB，4MB，8MB等。RAMRAM芯片的选型和组合应用RAM的组合应用单片16位SRAM组成16位数据宽度

RAMRAM芯片的选型和组合应用RAM的组合应用两片16位SRAM组成32位数据宽度

RAMRAM芯片的选型和组合应用RAM的组合应用单片16位SDRAM组成16位数据宽度

RAMRAM芯片的选型和组合应用RAM的组合应用两片16位SDRAM组成32位数据宽度

主要内容RAM的分类及特点

ROM的分类及特点

电子存储器介绍微硬盘介绍ROMNORFlash工作原理ROMNORFlash特点

NORflash不需要改变电压就可以进行擦除，通常通过WP（Writeprotect，写保护）信号进行操作。具有EEPROM和RAM的特点，读写速度快，写入数据后断电不丢失。ROMNORFlash芯片结构

ROMNORFlash应用

NORflash因为可以直接执行代码，而且存取速度很快，一般用于嵌入式系统中存放引导程序和应用程序。

NORflash的组合应用与RAM类似，也可以根据系统需要，将8位的flash组合为16位或者32位使用。ROMNANDFlash内部结构ROMNANDFlash特点

优点：硬件接口简单，总共只需要10几根信号线，容量大，目前单片可以达到几个Gb，远远超过NORflash，价格便宜，读写速度快。 缺点：必须处理器的专用接口才能作为引导器件，存取方式相对复杂，芯片容易存在缺陷，一般需要采用ECC算法进行校验。

ROMNANDFlash读操作

在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令寄存器，接着写入3个地址(1个列地址，2个行地址)来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。 写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线R/B的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙”;为高电平，说明器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据寄存器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续RE脉冲信号的控制下，从I/O口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。ROMNANDFlash写操作

K9F1208UOB的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。 页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令(80h)，然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元。 串行数据写入完成后，需要写入“页写入确认”指令10h，这条指令将初始化器件的内部写入操作。如果单独写入10h而没有前面的步骤，则10h不起作用。10h写入之后，K9F1208UOB的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序，这时系统控制器就可以去做其他的事了。 内部写入操作开始后，器件自动进入“读状态寄存器”模式。在这一模式下，当RE和CE为低电平时，系统可以读取状态寄存器。可以通过检测R/B的输出，或读状态寄存器的状态位(I/O6)来判断内部写入是否结束。在器件进行内部写入操作时，只有读状态寄存器指令和复位指令会被响应。当页写入操作完成，应该检测写状态位(I/O0)的电平。 内部写校验只对没有成功地写为0的情况进行检测。指令寄存器始终保持着读状态寄存器模式，直到其他有效的指令写入指令寄存器为止。ROMNANDFlash块擦除

擦除操作是以块为单位进行的。擦除的启动指令为60h，块地址的输入通过两个时钟周期完成。这时只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13则被忽略。块地址载入之后执行擦除确认指令D0h，它用来初始化内部擦除操作。擦除确认命令还用来防止外部干扰产生擦除操作的意外情况。器件检测到擦除确认命令输入后，在WE的上升沿启动内部写控制器开始执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后，检测写状态位(I/O0)，从而了解擦除操作是否有错误发生。

ROMNANDFlash读状态寄存器

K9F1208UOB包含一个状态寄存器，该寄存器反应了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在CE或RE的下降沿处送出至I/O端口。 器件一旦接收到读状态寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态寄存器读操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。ROMNANDFlash读器件ID K9F1208UOB器件具有一个产品鉴定识别码(ID)，系统控制器可以读出这个ID，从而起到识别器件的作用。读ID的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h。在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至I/O口。 同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其他的指令为止。ROMNANDFlash复位

器件提供一个复位(RESET)指令，通过向指令寄存器写入FFh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当WP为高时，状态寄存器被清为C0h。ROMNANDFlash应用

NANDflash因为其容量大，成本低，目前已广泛用于嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘、以及固态硬盘等产品中。ROMNANDflash和NORflash的性能、可靠性对比ROMNORFlash的原理及特点NANDFlash的原理及特点EPROM原理及特点EEPROM原理及特点FRAM原理及特点ROMEPROM内部结构

输入的地址信号在芯片内部被分为X，Y两块，分别对应存储矩阵的行和列，用于选中唯一的一个地址单元，然后在CE和OE的驱动下从O0-O7输出相应数据。ROMEPROM特点

EPROM（ErasableProgrammableROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12—24V，随不同的芯片型号而定）。ROMEPROM应用

EPROM早期主要作为处理器的外部扩展存储器以及PC上的BIOS存储器，但是因为要用紫外线通过特殊设备才能擦除，所以后续逐渐被EEPROM所取代。ROMEEPROM工作原理

EEPROM的写入过程是利用了隧道效应，即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。量子力学认为物理尺寸与电子自由程相当时，电子将呈现波动性，这里就是表明物体要足够的小。就pn结来看，当p和n的杂质浓度达到一定水平时，并且空间电荷极少时，电子就会因隧道效应向导带迁移。电子的能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”，较低的能带称为价带，较高的能带称为导带。

ROMEEPROM特点

EEPROM可以在系统进行编程，也可以根据需要进行多次擦除和修改，数据写入之后即使断电也不会丢失。一般可反复擦写10万次左右。ROMEEPROM应用

因为容量不是很大，所以EEPROM主要用于系统中存放引导程序、配置参数、需要修改的数据等。ROMFRAM工作原理

铁电存储器（FRAM）是近年来新出现的一种读写速度非常快的存储器，它可以兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。 当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。ROMFRAM芯片结构

128x32FRAM阵列数据锁存器地址锁存器计数器串并转换器控制逻辑8SDASCLWPA1A2ROMFRAM特点 铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。铁电存储器在性能方面与EEPRON和Flash相比有三点优势之处： 首先，铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器写入时几乎不需要等待时间，而EEPROM一般需要几毫秒。读的速度同样也很快，和写操作在速度上几乎没有太大的区别。 其次，FRAM存储器几乎可以无限次擦写，而EEPROM则一般只能进行几十万次到100万次的擦写。ROMFRAM应用

FRAM主要用于对反复擦写次数要求高，读写速度快的场合。应用领域也越来越广泛，比如仪器仪表、汽车、通信等。主要内容RAM的分类及特点

ROM的分类及特点

电子存储器介绍

微硬盘介绍电子存储器CF卡介绍

CompactFlash的诞生比较早，由最大的FlashMemory卡厂商之一美国的SanDisk于1994年首次推出。CompactFlash的大小仅为43mm×36mm×3.3mm（火柴盒般大小），体积只有PCMCIA卡的1/4，看起来就像是PCMCIA卡的缩小版。

CompactFlash提供了完整的PCMCIA-ATA功能而且通过ATA/ATAPI-4兼容TrueIDE。和68针接口的PCMCIA卡不同，同样遵从ATA协议的CompactFlash的接口只有50针

目前CF的最大容量是32GB，最高传输速率为20MB/s。

电子存储器CF卡缺点

由于CF采用IDE接口，信号引脚多，体积大（有火柴盒大小），所以限制了其在小型设备上，如mp3，手机，相机等的使用。电子存储器MMC卡介绍

MMC（MultiMediaCard）卡由西门子公司和首推CF的SanDisk于1997年推出。1998年1月十四家公司联合成立了MMC协会（MultiMediaCardAssociation简称MMCA），现在会员已经有超过210家，主要包括了主机系统、卡、部件和连接器等的制造商。其会员分为两大类：执行会员(具有投票表决的权利)和普通会员。

MMC的发展目标主要是针对数码影像、音乐、手机、PDA、电子书、玩具等产品，以前MMC卡号称是目前世界上最小的FlashMemory存贮卡，尺寸只有32mmx24mmx1.4mm。虽然比SmartMedia厚，但整体体积却比SmartMedia小，而且也比SmartMedia轻，只有1.5克。MMC也是把存贮单元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC保证兼容性和灵活性 目前MMC卡的最大容量为4GB，传输速率最高为6MB/s电子存储器SD卡介绍

SD（SecureDigital）卡由松下电器、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月被首次发布。2000年2月1日成立了SD协会（SDA），成员公司超过90个，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、SamsungElectronics，ToyotaMotor等国际知名的半导体厂商。电子存储器SD卡特点 目前SD卡的容量最大为32GB，最高传输速率为20MB/sSD卡miniSD卡microSD卡电子存储器SD卡应用

SD卡最大的特点就是通过加密功能，保证数据资料的安全保密。SD卡在售价方面要高于同容量的MMC卡。

SD卡多用于MP3随身听、数码摄像机、数码相机等，由于SD卡的体积要比CF卡小很多，并且它在容量、性能和价格上和CF卡的差距越来越小，目前正迅速在上述市场领域获得很大的普及。电子存储器SM卡介绍

SM（SmartMedia）卡是由东芝公司ToshibaAmericaElectronicComponents（TAEC）在1995年11月发布的FlashMemory存储卡，三星公司在1996年购买了生产和销售许可，这两家公司成为主要的SmartMedia厂商。 为了推动SmartMedia成为工业标准，1996年4月成立了SSFDC论坛（SSFDC即SolidStateFloppyDiskCard，实际上最开始时SmartMedia被称为SSFDC，1996年6月改名为SmartMedia，并成为东芝的注册商标）。SSFDC论坛有超过150个成员，同样包括不少大厂商，如Sony、Sharp、JVC、Philips、NEC、SanDisk等厂商。SmartMedia卡也是市场上常见的微存储卡，一度在MP3播放器上非常地流行

电子存储器SM卡缺点 由于SM卡的控制电路是集成在数码产品当中，这使得产品的兼容性容易受到影响，所以目前新推出的数码相机中都已经没有采用SM存储卡的产品了。

电子存储器xD卡介绍

xD卡全称为XD-PICTURECARD，是由富士和奥林巴斯联合推出的专为数码相机使用的小型存储卡。xD取自于“ExtremeDigital”，是“极限数字”的意思

电子存储器xD卡特点袖珍的外形尺寸，为20mm×25mm×1.7mm，约为2克重优秀的兼容性，采用单面18针接口，配合各式的读卡器，可以方便地与个人电脑连接存储容量大，其理论的最大容量可达8GB

电子存储器xD卡缺点

奥林巴斯虽然在数码单反机型中支持CF卡，但是DC产品中几乎全系列采用xD卡。刚开始xD卡具有一定程度上的优势，但是随着其它类型存储卡的发展，在速度、容量以及价格的竞争下，xD卡已经明显没有了优势，有时候甚至在市场上难以找到一个xD卡的读卡器。在这样的情况下，消费者在选择相机时，必然会考虑存储介质的问题。所以xD卡目前也逐步淡出了存储卡市场 电子存储器Memorystick介绍

1997年7月Sony宣布开发MemoryStick，即记忆棒。MemoryStick被很多人称为口香糖存储卡，因为其尺寸确实像一条香口胶：50mm×21.5mm×2.8mm，重4克。

Memorystick采用精致醒目的蓝色外壳（新的MS为白色），并具有写保护开关。 电子存储器Memo