內(nèi)存

內(nèi)存是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)的設(shè)備，它由一系列連續(xù)的存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的地址。內(nèi)存可以分為主存和輔助存儲(chǔ)器兩種類型。主存是計(jì)算機(jī)中直接與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的部分，通常是指隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory）。輔助存儲(chǔ)器則是用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備，如機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤（SSD，solid-state drive）等。當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，需要將程序和相關(guān)數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，CPU通過讀取內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算和操作。  

嵌入式平臺(tái)具有多層次的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，即不同類型存儲(chǔ)器的集合，各類存儲(chǔ)器具有不同的速度、容量和用途（如下圖）。

寄存器

寄存器（Register）是計(jì)算機(jī)中的一種小型存儲(chǔ)器件，用于存儲(chǔ)處理器（CPU）需要快速訪問的數(shù)據(jù)，通常被集成在處理器芯片中。寄存器是計(jì)算機(jī)中最快的存儲(chǔ)器件之一，它們的訪問速度比主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器要快得多，因此可以極大提升計(jì)算機(jī)的性能。常見的寄存器有以下幾類：

1）程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是一種特殊的寄存器，用于存儲(chǔ)正在執(zhí)行的程序的地址。當(dāng)處理器執(zhí)行程序時(shí)，它會(huì)不斷地從程序計(jì)數(shù)器中讀取指令并執(zhí)行它們。

2）指令寄存器

指令寄存器用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。處理器從指令寄存器中讀取指令并執(zhí)行它們。

3）狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器用于存儲(chǔ)處理器的狀態(tài)信息。狀態(tài)寄存器中的位表示了處理器的不同狀態(tài)，如進(jìn)位標(biāo)志、零標(biāo)志、負(fù)數(shù)標(biāo)志等。

4）通用寄存器

通用寄存器是一種通用的寄存器，用于存儲(chǔ)處理器需要快速訪問的數(shù)據(jù)。它們可以用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)和返回值，以及存儲(chǔ)中間計(jì)算結(jié)果等。

Cache

Cache是一種高速緩沖存儲(chǔ)器，是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項(xiàng)重要技術(shù)，一般分為一級(jí)緩存 L1 Cache、二級(jí)緩存 L2 Cache、三級(jí)緩存 L3 Cache。在現(xiàn)在的系統(tǒng)中，處理器需要上百個(gè)時(shí)鐘周期才能從主存中取到數(shù)據(jù)，如果沒有cache，處理器在等待數(shù)據(jù)的大部分時(shí)間內(nèi)將會(huì)停滯不動(dòng)。

• 位于內(nèi)存和CPU之間，是一個(gè)讀寫速度比內(nèi)存更快的存儲(chǔ)器

• 當(dāng)CPU向內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)也會(huì)被讀寫入高速緩沖存儲(chǔ)器中，如果 Cache 中沒有，CPU會(huì)去讀內(nèi)存中的數(shù)據(jù)

• 每次被訪問的主存塊，一定會(huì)被立即調(diào)入Cache

• 為了進(jìn)一步提升性能，引入多級(jí)Cache，與CPU離得最近的是L1，L1后面連接L2，L2和主存之間連接L3，等級(jí)越高，速度越慢（相比主存依然很快），容量越大

• L1和L2往往都是SRAM
  

（1）L1 Cache

• 一級(jí)緩存，與CPU離得最近的Cache，通常是32-64KB大小，一級(jí)緩存L1 Cache的容量是最小的

• 一般來說，一級(jí)緩存可以分為一級(jí)數(shù)據(jù)緩存（Data Cache，D-Cache）和一級(jí)指令緩存（Instruction Cache，I-Cache），二者分別用來處理數(shù)據(jù)和對(duì)這些這些數(shù)據(jù)的指令進(jìn)行及時(shí)解碼，而且二者可以同時(shí)被CPU訪問，減少了爭(zhēng)用Cache所造成的沖突，提高了處理器效能

• 目前大多數(shù)CPU的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和一級(jí)指令緩存具有相同的容量

• L1 cache一般工作在CPU的時(shí)鐘頻率，要求的就是夠快，可以在2-4時(shí)鐘周期內(nèi)取到數(shù)據(jù)

（2）L2 Cache

• L2 cache相對(duì)來說是為提供更大的容量而優(yōu)化的，因此比L1更便宜、省電，容量更大

• 雖然L1和L2往往都是SRAM，但構(gòu)成存儲(chǔ)單元的晶體管并不一樣

• L1是為了更快的速度訪問而優(yōu)化過的，它用了更多/更復(fù)雜/更大的晶體管，從而更加昂貴和更加耗電

• L2相對(duì)來說是為提供更大的容量?jī)?yōu)化的，用了更少/更簡(jiǎn)單的晶體管，從而相對(duì)便宜和省電

• L2通常是256KB-2MB大小，一般從L2開始指令和數(shù)據(jù)就不分開了，可以在10-20個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)取到數(shù)據(jù)

  
  

（3）L3 Cache

• 三級(jí)緩存，位于L2和主存之間，大小通常為8-80MB，20-50個(gè)時(shí)鐘周期的訪問時(shí)間

• 在有一些CPU設(shè)計(jì)中，也會(huì)用DRAM實(shí)現(xiàn)大容量的L3 cache

備注：這里所說的時(shí)鐘周期都是指的CPU的時(shí)鐘周期。一般L2和L3的工作時(shí)鐘頻率要比CPU的低，這個(gè)時(shí)鐘周期是折算后的數(shù)值。

RAM

隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory），通常也稱為主存儲(chǔ)器，是內(nèi)存中最重要的一種，既可以讀取數(shù)據(jù)，也可以寫入數(shù)據(jù)，但是當(dāng)機(jī)器掉電時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。RAM根據(jù)信息存儲(chǔ)的機(jī)理不同可以分為SRAM和DRAM。

（1）SRAM

靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（SRAM，Static RAM），半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存取速度比DRAM快，是目前讀寫速度最快的存儲(chǔ)設(shè)備。

• SRAM存儲(chǔ)單元由基于晶體管的觸發(fā)器電路組成，通過電流在電路中一對(duì)相反的門電路上雙向切換來保存數(shù)據(jù)

• 不需要刷新電路保存數(shù)據(jù)，只要電源不被切斷，數(shù)據(jù)存入后不會(huì)消失

• 集成度比較低，不適合做容量大的內(nèi)存，相同容量成本比DRAM高的多

• 主要用于CPU內(nèi)部的一級(jí)緩存（L1 Cache）以及二級(jí)（L2）緩存

• 通過三組信號(hào)線與外部打交道：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線，一般行列地址不復(fù)用

  
  

（2）DRAM

動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（DRAM，Dynamic RAM），同樣屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。由于柵極會(huì)漏電，所以每隔一定的時(shí)間就需要一個(gè)刷新機(jī)構(gòu)給這些柵電容補(bǔ)充電荷，并且每讀出一次數(shù)據(jù)之后也需要補(bǔ)充電荷，這個(gè)就叫動(dòng)態(tài)刷新，所以稱其為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。

• DRAM存儲(chǔ)單元是具有電容器的電路，電容以存儲(chǔ)電荷的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（有電荷代表1，無(wú)電荷代表0）

• 電容無(wú)法保存電荷（數(shù)據(jù)），因此需要對(duì)電容定期進(jìn)行一次刷新動(dòng)作（若電量大于滿電量的1／2，則認(rèn)為其代表1，并把電容充滿電；若電量小于1／2，則認(rèn)為其代表0，并把電容放電），來保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性

• DRAM保留數(shù)據(jù)的時(shí)間很短，速度也比SRAM相對(duì)慢一些，不過還是比任何的ROM都要快

• 由于只使用一個(gè)MOS管來存信息，所以集成度很高，容量能夠做的很大

• 支持行列地址復(fù)用，從價(jià)格上來說DRAM相比SRAM要便宜很多

• DRAM分為很多種，常見的主要有SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM、MDRAM、EDRAM、FRAM等

下面將介紹兩種常見的DRAM：SDRAM、DDR（DDR SDRAM）。

SDRAM

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SDRAM，Synchronous DRAM），比DRAM多了一個(gè)時(shí)鐘同步，即數(shù)據(jù)的讀寫需要時(shí)鐘來同步。同步是指其時(shí)鐘頻率和CPU前端總線的系統(tǒng)時(shí)鐘相同，并且內(nèi)部命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)。

• 存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失

• 其存儲(chǔ)單元不是按線性排列的，是分頁(yè)的，因此數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫

• DRAM和SDRAM容量較SRAM大，但是讀寫速度不如SRAM

• 一般的嵌入式產(chǎn)品里面的內(nèi)存都是用的SDRAM

DDR

雙倍數(shù)據(jù)速率同步隨機(jī)存儲(chǔ)器（DDR-SDRAM，Double Data Rate SDRAM），DDR是一種技術(shù)，使用了DDR技術(shù)的SDRAM是常見的計(jì)算機(jī)內(nèi)存類型，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。

• 可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了

• 廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、服務(wù)器和其他計(jì)算設(shè)備中，很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR來提高帶寬，這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力

• DDR分類主要根據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸速率和代號(hào)來進(jìn)行區(qū)分

• DDR1：DDR1是第一代DDR內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)于傳統(tǒng)的SDRAM有所提升。它的數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，通常在200MHz到400MHz之間。DDR1內(nèi)存模塊有184個(gè)引腳。DDR1內(nèi)存的代號(hào)通常以PC開頭，如PC1600、PC2100等。

• DDR2：DDR2是第二代DDR內(nèi)存，相比DDR1有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的功耗。通常在400MHz到1066MHz之間。DDR2內(nèi)存模塊有240個(gè)引腳。如PC2-3200、PC2-5300等。

• DDR3：DDR3是第三代DDR內(nèi)存，它的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，通常在800MHz到2133MHz之間。DDR3內(nèi)存模塊有240個(gè)引腳。如PC3-8500、PC3-12800等。

• DDR4：DDR4是第四代DDR內(nèi)存，相比DDR3，它的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，通常在2133MHz到3200MHz之間。DDR4內(nèi)存模塊有288個(gè)引腳。如PC4-17000、PC4-24000等。

• DDR5：DDR5是最新一代的DDR內(nèi)存，通常在3200MHz以上。DDR5內(nèi)存模塊有288個(gè)引腳。如PC5-3200、PC5-6400等。

ROM

只讀存儲(chǔ)器（ROM，Read Only Memory），一般只能用于數(shù)據(jù)的讀取，不能寫入，主要用于保存嵌入式系統(tǒng)中的永久性數(shù)據(jù)。通常不由系統(tǒng)主電源直接供電，而是由獨(dú)立的小型板級(jí)電池供電。傳統(tǒng)的ROM具備以下特點(diǎn)：

• 一種線路最簡(jiǎn)單半導(dǎo)體電路，通過掩模工藝一次性制造，其中的代碼與數(shù)據(jù)將永久保存(除非壞掉)，掉電不丟失，不能進(jìn)行修改

• 一般在大批量生產(chǎn)時(shí)才會(huì)使用

• 優(yōu)點(diǎn)是成本低，但風(fēng)險(xiǎn)比較大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，如果調(diào)試不徹底，很容易造成幾千片的廢片 

（1）PROM

可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM，Programmable Red-Only Memory），產(chǎn)品只允許寫入一次，所以也被稱為“一次可編程只讀存儲(chǔ)器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)

• PROM在出廠時(shí)，存儲(chǔ)的內(nèi)容全為1，用戶可以根據(jù)需要將其中的某些單元寫入數(shù)據(jù)0

• 部分的PROM在出廠時(shí)數(shù)據(jù)全為0，則用戶可以將其中的部分單元寫入1， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)其“編程”的目的

• PROM的典型產(chǎn)品是“雙極性熔絲結(jié)構(gòu)“，如果我們想改寫某些單元，則可以給這些單元通以足夠大的電流并維持一定的時(shí)間，原先的熔絲即可熔斷，這樣就達(dá)到了改寫某些位的效果

• 另外一類經(jīng)典的PROM為使用“肖特基二極管”的PROM，出廠時(shí)，其中的二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，還是用大電流的方法將反相電壓加在“肖特基二極管”，造成其永久性擊穿即可

（2）EPROM

可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory）由MOS管組成， 可將高強(qiáng)度的短波紫外線照射進(jìn)其內(nèi)建透明窗口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擦除并進(jìn)行多次編程。

• 特點(diǎn)是具有可擦除功能，擦除后即可進(jìn)行再編程

• 缺點(diǎn)是擦除需要使用紫外線照射一定的時(shí)間

• 這一類芯片特別容易識(shí)別，其封裝中包含有“石英玻璃窗”，一個(gè)編程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干膠紙蓋住， 以防止遭到陽(yáng)光直射

（3）EEPROM

電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）同EPROM一樣，也可以多次擦除和重編程。

• 最大優(yōu)點(diǎn)是可直接用電信號(hào)擦除，也可用電信號(hào)寫入

• 擦除和重寫是在字節(jié)（Byte）級(jí)別進(jìn)行的
  

• 缺點(diǎn)是價(jià)格很高，寫入時(shí)間長(zhǎng)，寫入速度慢

EEPROM不能取代RAM的原因是其工藝復(fù)雜， 耗費(fèi)的門電路過多，且重編程時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)其有效重編程次數(shù)也比較低。

（4）Flash Memory

閃存也是一種非易失性的內(nèi)存（NVM），屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品，綜合了RAM和ROM的優(yōu)勢(shì)，即不會(huì)斷電丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以快速讀取數(shù)據(jù)（NVRAM的優(yōu)勢(shì)）。

• 用作存儲(chǔ)Bootloader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼

• 最大特點(diǎn)是必須按塊(Block)擦除(每個(gè)區(qū)塊的大小不定，不同廠家產(chǎn)品規(guī)格不同)， 而EEPROM則可以一次只擦除一個(gè)字節(jié)

• 廣泛用在PC機(jī)的主板上，用來保存BIOS程序，便于進(jìn)行程序的升級(jí)，另外一大應(yīng)用領(lǐng)域是用來作為硬盤的替代品，具有抗震、速度快、無(wú)噪聲、耗電低的優(yōu)點(diǎn)，但是將其用來取代RAM就顯得不合適，因?yàn)镽AM需要能夠按字節(jié)改寫，而Flash做不到

目前Flash主要被分成兩類：NOR Flash和NAND Flash。

Nor Flash

NOR型閃存，由Intel于1988年首次開發(fā)，以編碼應(yīng)用為主，其功能多與運(yùn)算相關(guān)，讀寫數(shù)據(jù)時(shí)不容易出錯(cuò)。

• 采用并行接口，有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線

• 芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中

• 成本相對(duì)較高，容量較小，常見有128KB，256KB，1MB，2MB等
  

NAND Flash

NAND型閃存，由東芝發(fā)表于1989年，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)，主要功能是存儲(chǔ)資料，如數(shù)碼相機(jī)中所用的記憶卡。

• 采用串行接口，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的I/O線，類似電腦硬盤

• CPU從里面讀取數(shù)據(jù)的速度很慢，所以一般用NAND做閃存的話就必須把NAND里面的數(shù)據(jù)先讀到內(nèi)存里面，然后CPU才能夠執(zhí)行

• 無(wú)法尋址和直接運(yùn)行程序，只能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

• NAND FLASH非常容易出現(xiàn)壞區(qū)，所以需要有校驗(yàn)的算法

• 成本相對(duì)較低，容量較大，常見有1GB，2GB甚至8GB等

  
  

eMMC

嵌入式多媒體卡（eMMC，embedded MultiMediaCard）是一種嵌入式、非易失的存儲(chǔ)系統(tǒng)，主要由閃存（一般是Nand Flash）、閃存控制器（對(duì)內(nèi)部的Nand Flash進(jìn)行操作和管理）和eMMC協(xié)議接口等組成（如下圖所示），以BGA的形式封裝在一起。

• 目前eMMC的版本包括：eMMC 5.1/5.0/4.5/4.41，版本越高，支持更高的時(shí)鐘頻率（200MHz max）和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度（400MB/s Max）

• eMMC只能由主機(jī)發(fā)起操作（主機(jī)為CPU的外設(shè)，由CPU進(jìn)行配置操作），主機(jī)與eMMC之間通過命令交互

• 采用8位（bit）并行接口，eMMC和主機(jī)之間只能進(jìn)行半雙工通信