2.2　存儲器

存儲器主要可分類為只讀儲存器（ROM）、閃存（Flash）、隨機存取存儲器（RAM）、光/磁介質儲存器。

ROM還可再細分為不可編程ROM、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）和電可擦除可編程ROM（E2PROM），E2PROM完全可以用軟件來擦寫，已經非常方便了。

NOR（或非）和NAND（與非）是市場上兩種主要的Flash閃存技術。Intel于1988年首先開發出NOR Flash技術，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發表了NAND Flash結構，每位的成本被大大降低。

NOR Flash和CPU的接口屬于典型的類SRAM接口（如圖2.5所示），不需要增加額外的控制電路。NOR Flash的特點是可芯片內執行（eXecute In Place，XIP），程序可以直接在NOR內運行。而NAND Flash和CPU的接口必須由相應的控制電路進行轉換，當然也可以通過地址線或GPIO產生NAND Flash接口的信號。NAND Flash以塊方式進行訪問，不支持芯片內執行。

公共閃存接口（Common Flash Interface，CFI）是一個從NOR Flash器件中讀取數據的公開、標準接口。它可以使系統軟件查詢已安裝的Flash器件的各種參數，包括器件陣列結構參數、電氣和時間參數以及器件支持的功能等。如果芯片不支持CFI，就需使用JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council，電子電器設備聯合會）了。JEDEC規范的NOR則無法直接通過命令來讀出容量等信息，需要讀出制造商ID和設備ID，以確定Flash的大小。

與NOR Flash的類SRAM接口不同，一個NAND Flash的接口主要包含如下信號。

·I/O總線：地址、指令和數據通過這組總線傳輸，一般為8位或16位。

·芯片啟動（Chip Enable，CE#）：如果沒有檢測到CE信號，NAND器件就保持待機模式，不對任何控制信號做出響應。

·寫使能（Write Enable，WE#）：WE#負責將數據、地址或指令寫入NAND之中。

·讀使能（Read Enable，RE#）：RE#允許數據輸出。

·指令鎖存使能（Command Latch Enable，CLE）：當CLE為高電平時，在WE#信號的上升沿，指令將被鎖存到NAND指令寄存器中。

·地址鎖存使能（Address Latch Enable，ALE）：當ALE為高電平時，在WE#信號的上升沿，地址將被鎖存到NAND地址寄存器中。

·就緒/忙（Ready/Busy，R/B#）：如果NAND器件忙，R/B#信號將變為低電平。該信號是漏極開路，需要采用上拉電阻。

NAND Flash較NOR Flash容量大，價格低；NAND Flash中每個塊的最大擦寫次數是100萬次，而NOR的擦寫次數是10萬次；NAND Flash的擦除、編程速度遠超過NOR Flash。

由于Flash固有的電器特性，在讀寫數據過程中，偶然會產生1位或幾位數據錯誤，即位反轉，NAND Flash發生位反轉的概率要遠大于NOR Flash。位反轉無法避免，因此，使用NAND Flash的同時，應采用錯誤探測/錯誤更正（EDC/ECC）算法。

Flash的編程原理都是只能將1寫為0，而不能將0寫為1。因此在Flash編程之前，必須將對應的塊擦除，而擦除的過程就是把所有位都寫為1的過程，塊內的所有字節變為0xFF。另外，Flash還存在一個負載均衡的問題，不能老是在同一塊位置進行擦除和寫的動作，這樣容易導致壞塊。

值得一提的是，目前NOR Flash可以使用SPI接口進行訪問以節省引腳。相對于傳統的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6個引腳就能夠實現單I/O、雙I/O和4個I/O口的接口通信，有的SPI NOR Flash還支持DDR模式，能進一步提高訪問速度到80MB/s。

IDE（Integrated Drive Electronics）接口可連接硬盤控制器或光驅，IDE接口的信號與SRAM類似。人們通常也把IDE接口稱為ATA（Advanced Technology Attachment）接口，不過，從技術角度而言，這并不準確。其實，ATA接口發展至今，已經經歷了ATA-1（IDE）、ATA-2（Enhanced IDE/Fast ATA，EIDE）、ATA-3（FastATA-2）、Ultra ATA、Ultra ATA/33、Ultra ATA/66、Ultra ATA/100及Serial ATA（SATA）的發展過程。

很多SoC集成了一個eFuse電編程熔絲作為OTP（One-Time Programmable，一次性可編程）存儲器。eFuse可以通過計算機對芯片內部的參數和功能進行配置，這一般是在芯片出廠的時候已經設置好了。

以上所述的各種ROM、Flash和磁介質存儲器都屬于非易失性存儲器（NVM）的范疇，掉電時信息不會丟失，而RAM則與此相反。

RAM也可再分為靜態RAM（SRAM）和動態RAM（DRAM）。DRAM以電荷形式進行存儲，數據存儲在電容器中。由于電容器會因漏電而出現電荷丟失，所以DRAM器件需要定期刷新。SRAM是靜態的，只要供電它就會保持一個值，SRAM沒有刷新周期。每個SRAM存儲單元由6個晶體管組成，而DRAM存儲單元由1個晶體管和1個電容器組成。

通常所說的SDRAM、DDR SDRAM皆屬于DRAM的范疇，它們采用與CPU外存控制器同步的時鐘工作（注意，不是與CPU的工作頻率一致）。與SDRAM相比，DDR SDRAM同時利用了時鐘脈沖的上升沿和下降沿傳輸數據，因此在時鐘頻率不變的情況下，數據傳輸頻率加倍。此外，還存在使用RSL（Rambus Signaling Level，Rambus發信電平）技術的RDRAM（Rambus DRAM）和Direct RDRAM。

針對許多特定場合的應用，嵌入式系統中往往還使用了一些特定類型的RAM。

1.DPRAM：雙端口RAM

DPRAM的特點是可以通過兩個端口同時訪問，具有兩套完全獨立的數據總線、地址總線和讀寫控制線，通常用于兩個處理器之間交互數據，如圖2.6所示。當一端被寫入數據后，另一端可以通過輪詢或中斷獲知，并讀取其寫入的數據。由于雙CPU同時訪問DPRAM時的仲裁邏輯電路集成在DPRAM內部，所以需要硬件工程師設計的電路原理比較簡單。

DPRAM的優點是通信速度快、實時性強、接口簡單，而且兩邊處理器都可主動進行數據傳輸。除了雙端口RAM以外，目前IDT等芯片廠商還推出了多端口RAM，可以供3個以上的處理器互通數據。

2.CAM：內容尋址RAM

CAM是以內容進行尋址的存儲器，是一種特殊的存儲陣列RAM，它的主要工作機制就是同時將一個輸入數據項與存儲在CAM中的所有數據項自動進行比較，判別該輸入數據項與CAM中存儲的數據項是否相匹配，并輸出該數據項對應的匹配信息。

如圖2.7所示，在CAM中，輸入的是所要查詢的數據，輸出的是數據地址和匹配標志。若匹配（即搜尋到數據），則輸出數據地址。CAM用于數據檢索的優勢是軟件無法比擬的，它可以極大地提高系統性能。

3.FIFO：先進先出隊列

FIFO存儲器的特點是先進先出，進出有序，FIFO多用于數據緩沖。FIFO和DPRAM類似，具有兩個訪問端口，但是FIFO兩邊的端口并不對等，某一時刻只能設置為一邊作為輸入，一邊作為輸出。

如果FIFO的區域共有n個字節，我們只能通過循環n次讀取同一個地址才能將該片區域讀出，不能指定偏移地址。對于有n個數據的FIFO，當循環讀取m次之后，下一次讀時會自動讀取到第m+1個數據，這是由FIFO本身的特性決定的。

總結2.2節的內容，可得出如圖2.8所示的存儲器分類。