嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)

第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),第4章 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于ARM9微處理器S3C2410A,第4章 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器系統(tǒng),南陽(yáng)師范學(xué)院張帥,4.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述,4.1.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器被組織成一個(gè)6個(gè)層次的金字塔形的層次結(jié)構(gòu)，如圖所示：,S0,層為,CPU,內(nèi)部寄存器,S1,層為芯片內(nèi)部的高速緩存（,cache,）,S2,層為芯片外的高速緩存（,SRAM,、,DRAM,、,DDRAM,）,S3,層為主存儲(chǔ)器（,Flash,、,PROM,、,EPROM,、,EEPROM,）,S4,層為外部存儲(chǔ)器（磁盤(pán)、光盤(pán)、,CF,、,SD,卡）,S5,層為遠(yuǎn)程二級(jí)存儲(chǔ)（分布式文件系統(tǒng)、,Web,服務(wù)器）,圖4.1.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),在這種存儲(chǔ)器分層結(jié)構(gòu)中，上面一層的存儲(chǔ)器作為下一層存儲(chǔ)器的高速緩存CPU,寄存器就是,cache,的高速緩存，寄存器保存來(lái)自,cache,的字；,cache,又是內(nèi)存層的高速緩存，從內(nèi)存中提取數(shù)據(jù)送給,CPU,進(jìn)行處理，并將,CPU,的處理結(jié)果返回到內(nèi)存中；,內(nèi)存又是主存儲(chǔ)器的高速緩存，它將經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)從,Flash,等主存儲(chǔ)器中提取出來(lái)，放到內(nèi)存中，從而加快了,CPU,的運(yùn)行效率。

嵌入式系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器容量是有限的，磁盤(pán)、光盤(pán)或,CF,、,SD,卡等外部存儲(chǔ)器用來(lái)保存大信息量的數(shù)據(jù)在某些帶有分布式文件系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，外部存儲(chǔ)器就作為其他系統(tǒng)中被存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高速緩存4.2.1 常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備,1RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）,RAM可以被讀和寫(xiě)，地址可以以任意次序被讀常見(jiàn)RAM的種類(lèi)有,SRAM,（Static RAM，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、,DRAM,（Dynamic RAM，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、,DDRAM,（Double Data Rate SDRAM，雙倍速率隨機(jī)存儲(chǔ)器）其中，SRAM比DRAM運(yùn)行速度快，SRAM比DRAM耗電多，DRAM需要周期性刷新2ROM（只讀存儲(chǔ)器）,ROM在燒入數(shù)據(jù)后，無(wú)需外加電源來(lái)保存數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不丟失，但速度較慢，適合存儲(chǔ)需長(zhǎng)期保留的不變數(shù)據(jù)在嵌入式系統(tǒng)中，ROM用固定數(shù)據(jù)和程序4.2 嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備分類(lèi),3Flash Memory,Flash memory（閃速存儲(chǔ)器）是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分，用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失但在使用Flash Memory時(shí)，必須根據(jù)其自身特性，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

Flash Memory是一種非易失性存儲(chǔ)器，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分成NOR Flash和NAND Flash兩種Flash Memory在物理結(jié)構(gòu)上分成若干個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立NOR Flash把整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)分成若干個(gè)扇區(qū)（Sector），而NAND Flash把整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)分成若干個(gè)塊（Block），可以對(duì)以塊或扇區(qū)為單位的內(nèi)存單元進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程N(yùn)AND和NOR性能比較,NOR,和,NAND,是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù),NOR,的讀速度比,NAND,稍快一些,NAND,的寫(xiě)入速度比,NOR,快很多,NAND,的擦除速度遠(yuǎn)比,NOR,的快,大多數(shù)寫(xiě)入操作需要先進(jìn)行擦除操作,NAND,的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少,NAND和NOR,接口差別,NOR flash,帶有,SRAM,接口，線性尋址,，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié),NAND flash,使用,復(fù)用接口和控制,I/O,多次尋址存取數(shù)據(jù),NAND,讀和寫(xiě)操作采用,512,字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤(pán)管理，此類(lèi)操作易于取代硬盤(pán)等類(lèi)似的塊設(shè)備,NAND和NOR,容量和成本,NAND flash,生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，成本低,常見(jiàn)的,NOR flash,為,128KB,16MB,，而,NAND flash,通常有,512MB,2GB,NOR,主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，,NAND,適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),NAND,在,CompactFlash,、,Secure Digital,、,PC Cards,和,MMC,存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大,NAND和NOR,可靠性和耐用性,在,NAND,中每塊的最大擦寫(xiě)次數(shù)是,100,萬(wàn)次，而,NOR,的擦寫(xiě)次數(shù)是,10,萬(wàn)次,位交換的問(wèn)題,NAND flash,中更突出，需要,ECC,糾錯(cuò),NAND flash,中壞塊隨機(jī)分布，需要通過(guò)軟件標(biāo)定,產(chǎn)品量產(chǎn)的問(wèn)題,應(yīng)用程序可以直接在,NOR Flash,內(nèi)運(yùn)行,，不需要再把代碼讀到系統(tǒng),RAM,中運(yùn)行。

NOR Flash,的傳輸效率很高，在,1,4MB,的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能NAND Flash,結(jié)構(gòu)可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快，應(yīng)用,NAND Flash,的困難在于需要特殊的系統(tǒng)接口在,NOR Flash,上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持在,NAND Flash,上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序（,MTD,）NAND Flash,和,NOR Flash,在進(jìn)行寫(xiě)入和擦除操作時(shí)都需要,MTD,在,NAND Flash,中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數(shù)是一百萬(wàn)次，而,NOR Flash,的擦寫(xiě)次數(shù)是十萬(wàn)次NAND Flash,除了具有,10:1,的塊擦除周期優(yōu)勢(shì)，典型的,NAND Flash,塊尺寸要比,NOR,型閃存小,8,倍，每個(gè),NAND Flash,的內(nèi)存塊在給定的時(shí)間內(nèi)刪除次數(shù)要少一些NAND和NOR,軟件支持,4標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)卡（Compact Flash，CF卡）,5安全數(shù)據(jù)卡（Secure Digital Card，SD卡）,6硬盤(pán)存儲(chǔ)器,最常見(jiàn)的硬盤(pán)接口是IDE（ATA）和SCSI兩種，一些移動(dòng)硬盤(pán)采用PCMCIA或USB接口。

4.4 NAND Flash接口電路,4.4.1 S3C2410A NAND Flash控制器,1S3C2410A NAND Flash控制器特性,目前,Nor Flash價(jià)格較高，而SDRAM和 Nand Flash存儲(chǔ)器相對(duì)經(jīng)濟(jì)，這樣促使一些用戶(hù),在NAND Flash上執(zhí)行啟動(dòng)代碼，在 SDRAM 上執(zhí)行主程序S3C2410A可以在一個(gè)外部NAND Flash存儲(chǔ)器上執(zhí)行啟動(dòng)代碼，用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一想法為了支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載（boot loader），S3C2410A配置了一個(gè)叫做“,Steppingstone,”的內(nèi)部SRAM緩沖器當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，,NAND Flash存儲(chǔ)器的前4KB將被自動(dòng)加載到Steppingstone中,，然后系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行這些載入的啟動(dòng)代碼在一般情況下，啟動(dòng)代碼將復(fù)制NAND Flash的內(nèi)容到SDRAM中使用S3C2410A內(nèi)部硬件ECC功能可以對(duì)NAND Flash的數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢查在復(fù)制完成后，將在SDRAM中執(zhí)行主程序NAND Flash控制器具有以下特性：,NAND Flash,模式：支持讀擦除編程,NAND Flash,存儲(chǔ)器自動(dòng)啟動(dòng)模式：復(fù)位后，啟動(dòng)代碼被傳送到,Steppingstone,中。

傳送完畢后，啟動(dòng)代碼在,Steppingstone,中執(zhí)行具有硬件,ECC,產(chǎn)生模塊（硬件生成校驗(yàn)碼和通過(guò)軟件校驗(yàn)）在,NAND Flash,啟動(dòng)后，,Steppingstone 4KB,內(nèi)部,SRAM,緩沖器可以作為其他用途使用NAND Flash,控制器不能通過(guò),DMA,訪問(wèn)，可以使用,LDM/STM,指令來(lái)代替,DMA,操作2,S3C2410A NAND Flash,控制器結(jié)構(gòu),NAND Flash,控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖,所示NAND Flash,的工作模式如圖,所示圖4.4.1 NAND Flash控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖,圖4.4.2 NAND Flash的操作模式,自動(dòng)啟動(dòng)模式的時(shí)序如下：,（1）完成復(fù)位；,（2）當(dāng)自動(dòng)啟動(dòng)模式使能時(shí)，首先將NAND Flash存儲(chǔ)器的前4 KB內(nèi)容自動(dòng)復(fù)制到Steppingstone 4 KB內(nèi)部緩沖器中；,（3）Steppingstone映射到,nGCSO,；,（4）CPU開(kāi)始執(zhí)行在Steppingstone 4 KB內(nèi)部緩沖器中的啟動(dòng)代碼注意：在自動(dòng)啟動(dòng)模式，不進(jìn)行ECC檢測(cè)因此，,應(yīng)確保NAND Flash的前4 KB不能有位錯(cuò)誤。

NAND Flash模式配置：,利用,NFCONF,寄存器設(shè)置,NAND Flash,配置；,寫(xiě),NAND Flash,命令到,NFCMD,寄存器；,寫(xiě),NAND Flash,地址到,NFADDR,寄存器；,在檢查,NAND Flash,狀態(tài)時(shí)，利用,NFSTAT,寄存器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)在讀操作之前或者編程操作之后應(yīng)該檢查,R/,nB,信號(hào)在復(fù)制NAND FLASH的前4KB到Steppingstone的過(guò)程中，ECC不會(huì)被檢查，這就必須保證所用NAND的前4KB沒(méi)有壞位如果使用三星的NAND FLASH，這一點(diǎn)是完全可以保證的，三星NAND FLASH的,Block0,是沒(méi)有壞位的，訪問(wèn)時(shí)不用進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)使用其他品牌的NAND FLASH要看數(shù)據(jù)手冊(cè)，確認(rèn)其Block0在出廠時(shí)保證無(wú)錯(cuò)，方可與S3C2410配合使用，進(jìn)行NAND方式的啟動(dòng)2410的手冊(cè)上明白寫(xiě)著2410的NAND控制器可以自動(dòng)LOAD 4K CODE到RAM，只是必須保證這4K FLASH 沒(méi)壞塊nand FLASH手冊(cè)，block0是保證出廠不是壞的，其他塊就不保證了,在NAND FLASH用戶(hù)手冊(cè)中，三星NAND FLASH對(duì)于壞塊已經(jīng)做了很詳細(xì)的說(shuō)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控制器的引腳配置如表所列。

表4.4.1 NAND Flash控制器的引腳配置,引腳,配置,D7:0,數(shù)據(jù)/命令/地址輸入/輸出端口（與數(shù)據(jù)總線共享）,CLE,命令鎖存使能（輸出）,ALE,地址鎖存使能（輸出）,nFCE,NAND Flash芯片使能（輸出）,nFRE,NAND Flash讀使能（輸出）,nFWE,NAND Flash寫(xiě)使能（輸出）,R/nB,NAND Flash準(zhǔn)備就緒/忙使能（輸出）,BOOT（啟動(dòng)）和NAND Flash配置如下：,（1）OM1:0=00b：使能NAND Flash控制器為自動(dòng)啟動(dòng)模式；,（2）NAND Flash存儲(chǔ)器的頁(yè)面大小應(yīng)該為512字節(jié)；,（3）NCON：NAND Flash存儲(chǔ)器尋址步選擇0為3步尋址；1為4步尋址,相關(guān)寄存器：,NAND Flash,配置寄存器,NFCONF,地址,0 x4E000000,NAND,Flash,命令設(shè)置寄存器,NFCMD,地址,0 x4E000004,NAND,Flash,地址設(shè)置寄存器,NFADDR,地址,0 x4E000008,NAND,Flash,數(shù)據(jù)寄存器,NFDATA,地址,0 x4E00000C,NAND,Flash,操作狀態(tài)寄存器,NFSTAT,地址,0 x4E000010,NAND,Flash ECC,寄存器,NFECC,地址,0 x4E000014,4.4.2 NAND Flash的物理組成,正如硬盤(pán)的盤(pán)片被分為磁道，每個(gè)磁道又分為若干扇區(qū)，一塊Nand flash也分為若干block，每個(gè)block分為如干page。

一般而言，block、page之間的關(guān)系隨著芯片的不同而不同，典型的分配是這樣的：,1block=32page,1page=512bytes(datafield)+16bytes(oob),NandFlash以頁(yè)為單位讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)按照k9f1208的組織方式可以分四類(lèi)地址：,Column 。