嵌入式系统存储器

存储器概述：

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等;在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

存储器简介：

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制码才能存储和操作。

存储器：存放程序和数据的器件

存储位：存放一个二进制数位的存储单元，是存储器最小的存储单位，或称记忆单元

存储字：一个数(n位二进制位)作为一个整体存入或取出时，称存储字

存储单元：存放一个存储字的若干个记忆单元组成一个存储单元

存储体：大量存储单元的集合组成存储体

存储单元地址：存储单元的编号

字编址：对存储单元按字编址

字节编址：对存储单元按字节编址

寻址：由地址寻找数据，从对应地址的存储单元中访存数据。

以存储体(大量存储单元组成的阵列)为核心，加上必要的地址译码、读写控制电路，即为存储集成电路;再加上必要的I/O接口和一些额外的电路如存取策略管理，则形成存储芯片，比如手机中常用的存储芯片。得益于新的IC制造或芯片封装工艺，现在已经有能力把DRAM和FLASH存储单元集成在单芯片里。存储芯片再与控制芯片(负责复杂的存取控制、存储管理、加密、与其他器件的配合等)及时钟、电源等必要的组件集成在电路板上构成整机，就是一个存储产品，如U盘。从存储单元(晶体管阵列)到存储集成电路再到存储设备，都是为了实现信息的存储，区别是层次的不同。

存储器构成：

构成存储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有地址码存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的由20位二进制数(即5位十六进制)组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

存储器工作原理：

这里只介绍动态存储器(DRAM)的工作原理。

动态存储器每片只有一条输入数据线，而地址引脚只有8条。为了形成64K地址，必须在系统地址总线和芯片地址引线之间专门设计一个地址形成电路。使系统地址总线信号能分时地加到8个地址的引脚上，借助芯片内部的行锁存器、列锁存器和译码电路选定芯片内的存储单元，锁存信号也靠着外部地址电路产生

当要从DRAM芯片中读出数据时，CPU首先将行地址加在A0-A7上，而后送出RAS锁存信号，该信号的下降沿将地址锁存在芯片内部。接着将列地址加到芯片的A0-A7上，再送CAS锁存信号，也是在信号的下降沿将列地址锁存在芯片内部。然后保持WE=1，则在CAS有效期间数据输出并保持，当需要把数据写入芯片时，行列地址先后将R存储器芯片 AS和CAS锁存在芯片内部，然后，WE有效，加上要写入的数据，则将该数据写入选中的存贮单元。

由于电容不可能长期保持电荷不变，必须定时对动态存储电路的各存储单元执行重读操作，以保持电荷稳定，这个过程称为动态存储器刷新。PC/XT机中DRAM的刷新是利用DMA实现的。首先应用可编程定时器8253的计数器1，每隔1⒌12μs产生一次DMA请求，该请求加在DMA控制器的0通道上。当DMA控制器0通道的请求得到响应时，DMA控制器送出到刷新地址信号，对动态存储器执行读操作，每读一次刷新一行

存储器的分类：

按存贮介质

半导体存储器：用半导体器件组成的存储器

磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器

按存储方式

随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存储，且存取时间和存储单元的物理位置无关。

顺序存储器：只能按照某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有

按读写功能

只读存储器：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存

随机读写存储器：既能读出又能写入的半导体存储器。

按信息保存性

非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。

永久记忆的存储器：断电后仍能保存信息的存储器。

按用途

根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

存储器用途特点：

高速缓存器：cache高速存取指令和数据，存取速度快，但存储容量小

主存储器：内存存放计算机运行期间的大量程序和数据，存取速度较快，存储容量不大。

外存储器：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库，存储容量大，位成本低

存储器原理分类：

按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器(简称主存)，属于主机的组成部分;外存储器又常称为辅助存储器(简称辅存)，属于外部设备。CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。在80386以上的高档微机中，还配置了高速缓冲存储器(cache)，这时内存包括主存与高速缓存器两部分。对于低档微机，主存即为内存。

把存储器分为几个层次主要基于下述原因：

1、合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。半导体存储器速度快，但价格高，容量不宜做得很大，因此仅用作与CPU频繁交流信息的内存储器。磁盘存储器价格较便宜，可以把容量做得很大，但存取速度较慢，因此用作存取次数较少，且需存放大量程序、原始数据(许多程序和数据是暂时不参加运算的)和运行结果的外存储器。计算机在执行某项任务时，仅将与此有关的程序和原始数据从磁盘上调入容量较小的内存，通过CPU与内存进行高速的数据处理，然后将最终结果通过内存再写入磁盘。这样的配置价格适中，综合存取速度则较快。

为解决高速的CPU与速度相对较慢的主存的矛盾，还可使用高速缓存。它采用速度很快、价格更高的半导体静态存储器，甚至与微处理器做在一起，存放当前使用最频繁的指令和数据。当CPU从内存中读取指令与数据时，将同时访问高速缓存与主存。如果所需内容在高速缓存中，就能立即获取;如没有，再从主存中读取。高速缓存中的内容是根据实际情况及时更换的。这样，通过增加少量成本即可获得很高的速度。

2 使用磁盘作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便

存储器的选用：

存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能，因此存储器的选择是一个非常重要的决策。无论系统是采用电池供电还是由市电供电，应用需求将决定存储器的类型(易失性或非易失性)以及使用目的(存储代码、数据或者两者兼有)。另外，在选择过程中,存储器的尺寸和成本也是需要考虑的重要因素。对于较小的系统，微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求，而较大的系统可能要求增加外部存储器。为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本

ARM的存储器体系结构：

三级存储结构：按照与CPU的接近程度分为：第一级：寄存器组、cache 第二级：主存储器 第三级：辅助存储器

寄存器组：是封装在CPU内部，用于存放运算器运算的操作数和结果值的存储介质。ARM有37个32位长的寄存器，cortex体系结构下有40个32位长的寄存器

Cache:高速缓存器，CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分，以便快速地向CPU提出指令和数据。

主存储器：可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。

辅助存储器：设置在主机外部，CPU不能直接访问，用来存放战时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存