電子設(shè)備中MCU類VS Linux類 不同的存儲(chǔ)方式
日常生活離不開各類電子產(chǎn)品，我們常見的電子產(chǎn)品通常以電路板作為載體，包含信息采集，信息處理，存儲(chǔ)，執(zhí)行等功能。
對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，比起電路板，說(shuō)開發(fā)板可能更親切一些。由于工程師在研發(fā)初期，大都在開發(fā)板上驗(yàn)證功能，可以說(shuō)開發(fā)板是所有電子設(shè)備最原始的狀態(tài)。開發(fā)板與存儲(chǔ)之間有什么樣的關(guān)聯(lián)呢？
開發(fā)板：MCU類VS Linux類 不同的存儲(chǔ)方式
根據(jù)處理器類型，開發(fā)板一般分為兩類：MCU類和 Linux 類。它們二者的存儲(chǔ)方式還是有很大的差異的。
首先是MCU類開發(fā)板，MCU就是工程師口中的單片機(jī)，采用MCU的系統(tǒng)一般僅需要簡(jiǎn)單的操作或者控制，比如接收按鈕或按鍵的輸入信號(hào)，按照事先編好的程序，指揮馬達(dá)和LCD的外圍功能電路動(dòng)作。
下圖就是一個(gè)MCU系統(tǒng)的主要組成部分：
可以很明顯的看出來(lái)MCU類的開發(fā)板它的存儲(chǔ)功能靠?jī)?nèi)部存儲(chǔ)就足夠了。
內(nèi)部存儲(chǔ)分為ROM和RAM兩大類，存儲(chǔ)空間大小在幾十到幾百KB不等。如果不運(yùn)行操作系統(tǒng)和圖形系統(tǒng)，MCU控制指令和代碼就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)部ROM和RAM可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)存儲(chǔ)要求。
另外一類是Linux類開發(fā)板，這類開發(fā)板的處理器我們最常見的有Arm Cortex A系列。
目前主流Linux開發(fā)板運(yùn)行的是Linux系統(tǒng)，采用的多是Arm Cortex A系列的處理器。同Windows操作系統(tǒng)一樣，Linux是一種開放源代碼，功能強(qiáng)大、可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活而且具有極大的伸縮性的操作系統(tǒng)。
從下圖可以看出，Arm Cortex A處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)有96KB的ROM和128KB的RAM。
如果不跑操作系統(tǒng)，做一些簡(jiǎn)單的輸入輸出控制，代碼量不多的話，自帶的內(nèi)部存儲(chǔ)ROM和RAM是夠用的。但是Arm Cortex A處理器的運(yùn)算資源很強(qiáng)大，通常是使用在嵌入式產(chǎn)品上，嵌入式產(chǎn)品的軟件是需要跑Linux操作系統(tǒng)的。
它的軟件方面主要分為兩大塊：Linux內(nèi)核和用戶應(yīng)用程序。如果Linux使用比較輕量級(jí)的busybox來(lái)做文件系統(tǒng)，使用版本比較低的內(nèi)核kernel 3.2最終編譯完后，Linux內(nèi)核鏡像大小在4-10M，最精簡(jiǎn)的文件系統(tǒng)就在16M左右，除此之外，用戶另外用戶肯定會(huì)在這個(gè)系統(tǒng)之上搭建自己的復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，要想支撐起比較復(fù)雜的用戶應(yīng)用程序，僅靠處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)空間顯然是不夠的。
大家看看手邊的Linux開發(fā)板，不難發(fā)現(xiàn)他們都額外增加了獨(dú)立的存儲(chǔ)芯片：SDARM和FLASH。
Linux開發(fā)板上的外部存儲(chǔ)芯片
典型的Linux開發(fā)板，比如大家都很熟悉的樹莓派4，使用的外部存儲(chǔ)芯片就是美光的8GB LPDDR4 SDRAM。
或許有人就疑惑了：為什么是外接存儲(chǔ)芯片，而不是直接在處理器芯片內(nèi)置大容量Flash和RAM？
原因有很多，比如成本問題。如果單純的加大RAM會(huì)占用很多硅片面積，這也會(huì)直接導(dǎo)致芯片價(jià)格的增加。在同樣的硅片上，占用硅片面積大會(huì)使得切割出來(lái)的芯片晶圓數(shù)量減少。再者，RAM的工藝繁雜，RAM所占硅片的面積大，就會(huì)容易產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致芯片的整體良品率下降。
外部存儲(chǔ)芯片如何與處理器進(jìn)行工作的呢？
把Linux開發(fā)板看成一個(gè)大工廠，處理器是加工車間，外部的存儲(chǔ)芯片則相當(dāng)于倉(cāng)庫(kù)。為了提升工廠的產(chǎn)能，一是提高處理器的性能，這樣可以提升加工車間的效率；二是縮短原材料從倉(cāng)庫(kù)到加工車間的時(shí)間，中間的臨時(shí)小倉(cāng)庫(kù)，堆放目前專門生產(chǎn)的產(chǎn)品的原材料，可以大大縮短制造時(shí)間。小倉(cāng)庫(kù)相當(dāng)于存儲(chǔ)芯片中的DDR SDRAM，大倉(cāng)庫(kù)則相當(dāng)于存儲(chǔ)芯片中的Flash。
開發(fā)板上的DDR SDRAM用來(lái)保存用戶程序在運(yùn)行時(shí)使用到的數(shù)據(jù)。而Flash，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)應(yīng)用程序等，就如電腦中的硬盤作用。
處理器，DDR SDRAM和Flash之間是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模?/strong>
以運(yùn)行用戶程序?yàn)槔绦驎?huì)以二進(jìn)制碼的形式存在Flash中。當(dāng)想要運(yùn)行某個(gè)用戶程序時(shí)，處理器會(huì)先從Flash中讀取待運(yùn)行的程序放入DDR中。處理器與DDR實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證運(yùn)行的速度。
? 開發(fā)板上的DDR SDRAM用來(lái)保存用戶程序在運(yùn)行時(shí)使用到的數(shù)據(jù)。
以美光的MT41K128M16JT-125 芯片（DDR3芯片）為例，速度可達(dá)800MHz的2GB DDR3 SDRAM。DDR3芯片的管腳較為復(fù)雜，不過大體上可以分成5類：電源線，時(shí)鐘線地址線，數(shù)據(jù)線，控制線（在不同的容量芯片當(dāng)中地址線和數(shù)據(jù)線的數(shù)目是變化的）。
下圖的DRAM_ADDR［0:15］，這是16根地址線，讓處理器可以準(zhǔn)確的訪問DDR3芯片。然后是DRAM_DATA［0:15］，我們可以看到16位的并行數(shù)據(jù)線，用于DDR3和處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。
? 開發(fā)板上的Flash，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)應(yīng)用程序等，就如電腦中的硬盤作用，直接與處理器相連。
以美光的MT29F2G08ABAEAWP芯片為例，這是一顆Nand Flash芯片雖然有48個(gè)管腳，但是實(shí)際上使用到的管腳也就十多個(gè)，比如有：
復(fù)用的數(shù)據(jù)管腳，用于數(shù)據(jù)、地址、命令等信息；CLE：命令鎖存使能，在輸入命令之前，先要拉高CLE；ALE：地址鎖存使能，在輸入地址之前，先要拉高ALE；CE#：芯片使能，在操作Nand Flash之前，先要拉低CE#；RE#：讀使能，在讀取數(shù)據(jù)之前，先要拉低RE#；WE#：寫使能，在寫取數(shù)據(jù)之前，先要拉低WE#；WP#：寫保護(hù)，拉低WP之后，將無(wú)法對(duì)芯片進(jìn)行寫操作；R/B#：Ready/Busy Output，平時(shí)R/B為高電平狀態(tài)，但當(dāng)NAND進(jìn)行編程、隨機(jī)讀或擦除操作時(shí)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，操作完成后又變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。
處理器與Nand Flash芯片通過8 bit的并行總線進(jìn)行連接，操作CLE和ALE，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)IO管腳的數(shù)據(jù)類型復(fù)用。這樣做有一個(gè)好處，就是可以大大簡(jiǎn)化的硬件電路的設(shè)計(jì)，避免了繁瑣的硬件連線。同時(shí)，為了加強(qiáng)處理器對(duì)Nand Flash讀寫操作的穩(wěn)定性，圖中CE，R/B和WP三個(gè)控制管腳被電阻上拉到高電平。
NAND Flash的操作通過一系列的命令來(lái)完成。命令一共分成9大類，包括復(fù)位操作、識(shí)別操作、配置操作、狀態(tài)操作、地址操作、讀操作、寫（編程）操作、擦除操作以及寫回操作。
最先進(jìn)的DDR5時(shí)代已來(lái)
工程師們執(zhí)著于增加電子產(chǎn)品的運(yùn)行速度及存儲(chǔ)空間，使得開發(fā)板上的存儲(chǔ)芯片容量正不斷增加。決定電子設(shè)備性能的核心除了處理器之外，存儲(chǔ)芯片的讀取速度也成為一個(gè)非常重要的因素。
迄今為止技術(shù)上最為先進(jìn)的 DDR5 ，比上一代DDR4提升至少 85%，已經(jīng)出現(xiàn)在工程師的手中了。
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