嵌入式系统的存储器系统

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1、,第二级,第三级,第四级,第五级,第4章 嵌入式系统的存储器系统,嵌入式系统设计,嵌入式系统设计,基于ARM9微处理器S3C2410A,第4章 嵌入式系统的存储器系统,南阳师范学院张帅,4.1 存储器系统概述,4.1.1 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6个层次的金字塔形的层次结构，如图所示：,S0,层为,CPU,内部寄存器,S1,层为芯片内部的高速缓存（,cache,）,S2,层为芯片外的高速缓存（,SRAM,、,DRAM,、,DDRAM,）,S3,层为主存储器（,Flash,、,PROM,、,EPROM,、,EEPROM,）,S4,层为外部存储器（磁盘、光盘、,CF,、

2、,SD,卡）,S5,层为远程二级存储（分布式文件系统、,Web,服务器）,图4.1.1 存储器系统层次结构,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。,CPU,寄存器就是,cache,的高速缓存，寄存器保存来自,cache,的字；,cache,又是内存层的高速缓存，从内存中提取数据送给,CPU,进行处理，并将,CPU,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,Flash,等主存储器中提取出来，放到内存中，从而加快了,CPU,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,CF,、,SD,卡等外部存储器用来保存大信息量的数

3、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他系统中被存储数据的高速缓存。,4.2.1 常见的嵌入式系统存储设备,1RAM（随机存储器）,RAM可以被读和写，地址可以以任意次序被读。常见RAM的种类有,SRAM,（Static RAM，静态随机存储器）、,DRAM,（Dynamic RAM，动态随机存储器）、,DDRAM,（Double Data Rate SDRAM，双倍速率随机存储器）。其中，SRAM比DRAM运行速度快，SRAM比DRAM耗电多，DRAM需要周期性刷新。,2ROM（只读存储器）,ROM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

4、，适合存储需长期保留的不变数据。在嵌入式系统中，ROM用固定数据和程序。,4.2 嵌入式系统存储设备分类,3Flash Memory,Flash memory（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，掉电后数据不会丢失。但在使用Flash Memory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。,Flash Memory是一种非易失性存储器，根据结构的不同可以将其分成NOR Flash和NAND Flash两种。,Flash Memory在物理结构上分成若干个区块，区块之间相互独立。NOR Flash把整个存储区分成若干个扇区（Sector）

5、，而NAND Flash把整个存储区分成若干个块（Block），可以对以块或扇区为单位的内存单元进行擦写和再编程。,NAND和NOR性能比较,NOR,和,NAND,是现在市场上两种主要的非易失闪存技术,NOR,的读速度比,NAND,稍快一些,NAND,的写入速度比,NOR,快很多,NAND,的擦除速度远比,NOR,的快,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,NAND和NOR,接口差别,NOR flash,带有,SRAM,接口，线性寻址,，可以很容易地存取其内部的每一个字节,NAND flash,使用,复用接口和控制,I/O,多次寻址存取数据,NAND,

6、读和写操作采用,512,字节的块，这一点有点像硬盘管理，此类操作易于取代硬盘等类似的块设备,NAND和NOR,容量和成本,NAND flash,生产过程更为简单，成本低,常见的,NOR flash,为,128KB,16MB,，而,NAND flash,通常有,512MB,2GB,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,NAND和NOR,可靠性和耐用性,在,NAND,中每块的最大擦写次数是,100,万次，而,NOR,的擦写次数是,10,万次,

7、位交换的问题,NAND flash,中更突出，需要,ECC,纠错,NAND flash,中坏块随机分布，需要通过软件标定,产品量产的问题,应用程序可以直接在,NOR Flash,内运行,，不需要再把代码读到系统,RAM,中运行。,NOR Flash,的传输效率很高，在,1,4MB,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 Flash,结构可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，应用,NAND Flash,的困难在于需要特殊的系统接口。,在,NOR Flash,上运行代码不需要任何的软件支持。在,NAND Flash,上进行同样操作时，通常需要

8、驱动程序，也就是内存技术驱动程序（,MTD,）。,NAND Flash,和,NOR Flash,在进行写入和擦除操作时都需要,MTD,。在,NAND Flash,中每个块的最大擦写次数是一百万次，而,NOR Flash,的擦写次数是十万次。,NAND Flash,除了具有,10:1,的块擦除周期优势，典型的,NAND Flash,块尺寸要比,NOR,型闪存小,8,倍，每个,NAND Flash,的内存块在给定的时间内删除次数要少一些。,NAND和NOR,软件支持,4标准存储卡（Compact Flash，CF卡）,5安全数据卡（Secure Digital Card，SD卡）,6硬盘存储器,最

9、常见的硬盘接口是IDE（ATA）和SCSI两种，一些移动硬盘采用PCMCIA或USB接口。,4.4 NAND Flash接口电路,4.4.1 S3C2410A NAND Flash控制器,1S3C2410A NAND Flash控制器特性,目前,Nor Flash价格较高，而SDRAM和 Nand Flash存储器相对经济，这样促使一些用户,在NAND Flash上执行启动代码，在 SDRAM 上执行主程序。,S3C2410A可以在一个外部NAND Flash存储器上执行启动代码，用来实现这一想法。为了支持NAND Flash的启动装载（boot loader），S3C2410A配置了一个叫做

10、“,Steppingstone,”的内部SRAM缓冲器。当系统启动时，,NAND Flash存储器的前4KB将被自动加载到Steppingstone中,，然后系统自动执行这些载入的启动代码。,在一般情况下，启动代码将复制NAND Flash的内容到SDRAM中。使用S3C2410A内部硬件ECC功能可以对NAND Flash的数据的有效性进行检查。在复制完成后，将在SDRAM中执行主程序。,NAND Flash控制器具有以下特性：,NAND Flash,模式：支持读擦除编程,NAND Flash,存储器。,自动启动模式：复位后，启动代码被传送到,Steppingstone,中。传送完毕后，启动

11、代码在,Steppingstone,中执行。,具有硬件,ECC,产生模块（硬件生成校验码和通过软件校验）。,在,NAND Flash,启动后，,Steppingstone 4KB,内部,SRAM,缓冲器可以作为其他用途使用。,NAND Flash,控制器不能通过,DMA,访问，可以使用,LDM/STM,指令来代替,DMA,操作。,2,S3C2410A NAND Flash,控制器结构,NAND Flash,控制器的内部结构方框图如图,所示。,NAND Flash,的工作模式如图,所示。,图4.4.1 NAND Flash控制器内部结构方框图,图4.4.2 NAND Flash的操作模式,自动启

12、动模式的时序如下：,（1）完成复位；,（2）当自动启动模式使能时，首先将NAND Flash存储器的前4 KB内容自动复制到Steppingstone 4 KB内部缓冲器中；,（3）Steppingstone映射到,nGCSO,；,（4）CPU开始执行在Steppingstone 4 KB内部缓冲器中的启动代码。,注意：在自动启动模式，不进行ECC检测。因此，,应确保NAND Flash的前4 KB不能有位错误。,NAND Flash模式配置：,利用,NFCONF,寄存器设置,NAND Flash,配置；,写,NAND Flash,命令到,NFCMD,寄存器；,写,NAND Flash,地址到

13、,NFADDR,寄存器；,在检查,NAND Flash,状态时，利用,NFSTAT,寄存器读写数据。在读操作之前或者编程操作之后应该检查,R/,nB,信号。,在复制NAND FLASH的前4KB到Steppingstone的过程中，ECC不会被检查，这就必须保证所用NAND的前4KB没有坏位。如果使用三星的NAND FLASH，这一点是完全可以保证的，三星NAND FLASH的,Block0,是没有坏位的，访问时不用进行错误校验。使用其他品牌的NAND FLASH要看数据手册，确认其Block0在出厂时保证无错，方可与S3C2410配合使用，进行NAND方式的启动。,2410的手册上明白写着2

14、410的NAND控制器可以自动LOAD 4K CODE到RAM，只是必须保证这4K FLASH 没坏块。nand FLASH手册，block0是保证出厂不是坏的，其他块就不保证了,在NAND FLASH用户手册中，三星NAND FLASH对于坏块已经做了很详细的说明：,The 1st block,which is placed on 00h block address,is fully guaranteed to be a valid block,does not require Error Correction.,NAND Flash控制器的引脚配置如表所列。,表4.4.1 NAND Fla

15、sh控制器的引脚配置,引脚,配置,D7:0,数据/命令/地址输入/输出端口（与数据总线共享）,CLE,命令锁存使能（输出）,ALE,地址锁存使能（输出）,nFCE,NAND Flash芯片使能（输出）,nFRE,NAND Flash读使能（输出）,nFWE,NAND Flash写使能（输出）,R/nB,NAND Flash准备就绪/忙使能（输出）,BOOT（启动）和NAND Flash配置如下：,（1）OM1:0=00b：使能NAND Flash控制器为自动启动模式；,（2）NAND Flash存储器的页面大小应该为512字节；,（3）NCON：NAND Flash存储器寻址步选择。,0为3步

16、寻址；1为4步寻址,。,相关寄存器：,NAND Flash,配置寄存器,NFCONF,地址,0 x4E000000,NAND,Flash,命令设置寄存器,NFCMD,地址,0 x4E000004,NAND,Flash,地址设置寄存器,NFADDR,地址,0 x4E000008,NAND,Flash,数据寄存器,NFDATA,地址,0 x4E00000C,NAND,Flash,操作状态寄存器,NFSTAT,地址,0 x4E000010,NAND,Flash ECC,寄存器,NFECC,地址,0 x4E000014,4.4.2 NAND Flash的物理组成,正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又分为若干扇区，一块Nand flash也分为若干block，每个block分为如干page。一般而言，block、page之间的关系随着芯片的不同而不同，典型的分配是这样的：,1block=32page,1page=512bytes(datafield)+16bytes(oob),NandFlash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照k9f1208的组织方式可以分四类地址：,Column