嵌入式存储器及系统结构PPT讲稿.ppt

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1、嵌入式存储器及系统结构第1页，共21页，编辑于2022年，星期六目录目录1.嵌入式存储器简介嵌入式存储器简介1.1 常用存储器简介第2页，共21页，编辑于2022年，星期六1.嵌入式系统存储器嵌入式系统存储器 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

2、用。(2)ROM类型ROM主要有掩膜ROM、PROM(一次可编程)、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

3、，其优点是外接电路简单。缺点是数据存取速度慢。第3页，共21页，编辑于2022年，星期六1.2 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

4、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

5、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NAND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。第4页，共21页，编辑于2022年，星期六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

6、，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 flash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

7、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

8、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。第5页，共21页，编辑于2022年，

9、星期六可*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

10、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。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

11、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NO

12、R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。第6页，共21页，编辑于2022年，星期六以下是

13、NandFlash与NorFlash典型电路图Nor Flash接原理图第7页，共21页，编辑于2022年，星期六从上图可以看出，该NorFlash采用并行地址和数据总线，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。第8页，共21页，编辑于2022年，星期六 以下为NandFlash的典型原理图。第9页，共21页，编辑于2022年，星期六从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

14、/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。第10页，共21页，编辑于2022年，星期六以下分别为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

15、为NandFlash读写流程图。第11页，共21页，编辑于2022年，星期六 写数据第12页，共21页，编辑于2022年，星期六读数据第13页，共21页，编辑于2022年，星期六事实上，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

16、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BootLoader，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andFl

17、ash存储器的系统。第14页，共21页，编辑于2022年，星期六2、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以及其它一些器件。如我们的碟机/数码相框的系统架构图如下：第15页，共21页，编辑于2022年，星期六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、

18、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。第16页，共21页，编辑于2022年，星期六现在就该系统分别举我们

19、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：第17页，共21页，编辑于2022年，星期六但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

20、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：第18页，共21页，编辑于2022年，星期六(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：MTK内部无ROM。上电时，对于8032而言，PC直接指向外部ROM（NorFlash）0 x000000

21、00。程序在执行时，将一部分程序从NorFlash Load到SDRAM中，并将程序指针跳转到主程序的入口处。32 bit RISC的执行机理也与此相同。在程序进行升级时，因为执行的是SDRAM中的程序，所以并不影响从CDROM或SD卡中读取程序并将程序写入NorFlash。当程序升级完毕后，程序指针跳转到用户程序起始位置，重新装载程序并执行。以上为仅为个人的推断。第19页，共21页，编辑于2022年，星期六(3)其它嵌入式系统简介以VxWorks为例VxWorks也有一个Boot Rom,用于存放BootLoader。不过该BootLoader可以通过网卡等调用Boot Image将Boot

22、Loader下载到Boot ROM中。系统运行时，先启动Boot，通过Boot调用BSP对硬件进行一系列初始化。然后Load OS和应用软件，并运行相应的程序。第20页，共21页，编辑于2022年，星期六（3）Boot的原理简介BootLoader为一独立于主程序的程序，但都被主MCU/MPU所支持，就像PC机的BIOS一样。该程序存放于内部或外部ROM中，其作用是引导主程序的执行，而主程序通常是不能直接被主CPU所寻址并执行的。通过BootLoader将主程序读取出来并装入主存的指定区域，将PC指针跳转到主程序入口处开始执行。如果主程序本身就在ROM中，则可以不用执行BootLoader，直接执行主程序。第21页，共21页，编辑于2022年，星期六