第五章 存储器接口设计与应用

综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类 型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的 存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有 极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存 解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决 了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存 储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和 价格之间的矛盾。
5.2.2 SDRAM工作原理



SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据 及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址 0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程 序代码调入SDRAM中运行以提高系统的运行速度 ，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在 SDRAM中。 SDRAM存储一个位的消息只需要一只晶体管，但 是需要周期性地充电，才能使保存的信息不消失 。 SDRAM共用它的行、列地址线，行地址和列地址 的选通分别有行地址选通引脚CAS和列地址选通 引脚RAS来进行分时控制。
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5.1 存储器概述

存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程 序和数据。CPU执行指令，而存储器为CPU存放 指令和数据，从物理层面上来说，存储器系统是 一个线性的字节数组，而CPU可以访问每个存储 器位置。计算机中全部信息，包括插入的原始数 据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果 都保存在存储器中，它根据控制器指定的位置存 入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功 能，才能保证正常工作。



S5PV210的引导区分为两部分，分别是0x00000x1FFF_FFFF和0XD002_0000-0xD003_7FFF的空 间。系统上电后，从引导区开始执行Boot Loader 程序。 S5PV210的SROM分为6个Bank，每个Bank有 128MB。可以支持8/16位的NOR Flash、PROM和 SRAM存储器，并且支持8/16位的数据总线。 比较特殊的是Bank0，它只支持16位带宽，不能改 变。



现在内存架构是处于同一列的基本存储单元共用 一条列地址线，而处于同一行的基本存储单元共 用一条行地址线，组成一个基本存储单元构成的 矩阵架构。而这些矩阵架构构成一个内存Bank。 SDRAM将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在 一起，使得RAM和CPU能够共享一个时钟周期， 以相同的速度同步工作，从而解决了CPU和RAM 之间的速度不匹配问题，避免了在系统总线对异 步DRAM进行操作时同步所需的额外等待时间， 可加快数据的传输速度。 SDRAM具体工作过程如下。


2. Flash介质存储器 Flash也是一种非易失性存储器，擦写方便，访问速度快， 已大大取代了传统的EPROM的地位。由于它具有和ROM 一样掉电不会丢失的特性，称为Flash ROM。 目前Flash主要有两种NOR Flash 和NAND Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，可以在 芯片内容执行，用户可以直接运行装载在NOR Flash里面 的代码，这样可以减少SRAM的容量，从而节约了成本。 NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以 一次读取一块的形式来运行的，通常是一次读取512B，采 用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了 使用NAND Flash外，还搭载了一块小的NOR Flash来运行 启动代码。


SDRAM具体工作过程如下： 1. 启动初始化 同时启动设备核心电源VDD和设备I/O电源VDDQ。声明 并维持CKE引脚为高电平。等到VDD和VDDQ稳定后并且 CKE设为高电平，应用稳定时钟。等到200us执行空操作 命令。 Precharge:预充电命令。SDRAM执行一条预充电命令后， 要执行一条空操作指令，这两个操作会使所有的存储单元 进行一次预充电，从而使所有阵列中的器件处于待机状态 。引脚A10可以对预充电的模式进行选择，当A10=HIGH 时，给所有的Bank进行预充电。

另外它们的行、列地址线共用，由行地址选通、列地址选 通信号分时控制。基本存储单元是内存芯片中存储信息的 最小的单位，每个存储单元可以存储1bit的信息，并且有 一个由行地址和列地址共同定义的唯一的地址。我们都知 道8bit可以在一起组成1 byte，而字节时内存中最小的可寻 址的单元。虽然内容基本存储单元具有唯一的地址，但是 并不能进行独立的寻址，这将要求内存芯片有数以百计的 引脚同计算机通信，虽然这是不可能的。现在内容架构是 处于同一列的基本存储单元共用一条列地址线，组成一个 基本存储单元构成的矩阵架构。而这些矩阵架构构成一个 内容Bank，SDRAM内部以Bank为组织，可由行、列地址 寻址。另外为了保持内部数据还必须进行刷新。

SDRAM的一个存储单元结构如图所示。电容器的 状态决定了这个SDRAM单位的逻辑状态时1还是0 。一个电容器可以存储一定量的电子或者电荷。 一个充电的电容器被认为是逻辑上的1，而空的电 容器则是0。但是电容器被利用的这个特性也是它 的缺点。因为电容器不能持久地保持存储的电荷 ，所以内存需要不断定时刷新，才能保持暂存的 数据。



Auto-refresh:自刷新命令。SDRAM要执行两条自刷新命 令，每一条刷新命令之后，都需要执行一条空操作指令。 这些操作会使SDRAM内部的刷新及计数器进入正常运行 状态，以便为SDRAM模式寄存器编程做好准备。 load mode register: 设置模式寄存器。Mode Register一般 被用于定义SDRAM运行的模式，寄存器里一般设置了读 取延迟、burst长度、CAS、burst类型、操作模式，还有 是设置SDRAM是工作在单个读写操作还是burst模式下。 Mode Register通过load mode register命令进行编程，这组 信息将会一直保存在Mode Register中知道内存掉电才会消 失。 设置完模式寄存器之后就进入了正常读写操作模式。

图中所示的存储系统多级层次结构中，由上向下分三级， 其容量逐渐增大，速度逐级降低，成本则逐级减少。整个 结构又可以看成两个层次：主存-辅存层次、Cache-主存层 次。这个层次系统中的每一种存储器都不再是孤立的存储 器，而是一个有机的整体。它们在辅助硬件和计算机操作 系统的管理下，可把主存-辅存层次作为一个存储整体，形 成的可寻址存储空间比主存储器空间大得多。由于辅存容 量大、价格低，使得存储系统的整体平均价格降低。由于 Cache 的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故 Cache-主存层次可以缩小主存和CPU之间的速度差距，从 整体上提高存储器系统的存取速度，故Cache-主存层次可 以缩小主存和CPU之间的速度差距，从整体上提高存储器 系统的存取速度。尽管Cache成本高，但由于容量较小， 故不会使存储系统的整体价格增加多少。
5.1.2 存储器的层次结构

所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存 取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通 过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放 的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算 机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由 高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成。
5.1.1 存储器分类信息的保存 情况及其在微型计算机系统中的作用来区分，可 以有4种分类方法。 在嵌入式系统中，最常见的存储器主要有NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、EEPROM等。


1. ROM和RAM比较 按照读写功能来进行划分，存储器可分为ROM和RAM两 种，ROM和RAM都是半导体存储器。ROM是只读存储器 ，系统掉电仍然可以保持数据。RAM通常在掉电之后就丢 失数据，典型的RAM就是计算机的内存。 ROM有很多种，PROM是可编程的ROM，PROM和 EPROM两种区别是，PROM是一次性的，也就是软件灌 入后，就无法修改了，现在已经不可能使用了，而 EPROM是通过紫外线的照射擦除原先的程序，是一种通 用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦除，价格很 高，写入时间很长，写入很慢。
5.2 SDRAM内存管理

5.2.1 S5PV210地址空间 S5PV210的存储地址空间共分为7个部分，由下而 上分别是引导区、动态随机存储器区、静态只读 存储器区、Flash区、音频存储区、隔离ROM区， 以及特殊功能寄存器区。
S5PV210存储控制器的地址空间分布图
设备特定的地址空间

RAM可分为静态储器SRAM和动态存储器DRAM 。SRAM是利用双稳态触发器来保存信息的，只 要不掉电，信息是不会丢失的。DRAM是利用 MOS电容存储电荷来存储信息，因此必须通过不 停的给电容充电来维持信息。其各自的特性如表 所示。


从表中可以看出，DRAM的成本、集成度、功耗等明显优 于SRAM。SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设 备了，但是它也非常昂贵，所以旨在要求很苛刻的地方使 用，譬如CPU的一级缓冲、二级缓冲。DRAM保留数据的 时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM 都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多， 计算机内存就是DRAM。 通常说的SDRAM是DRAM的一种，它是同步动态随机存 取存储器。所谓同步，是指与CPU的系统工作频率一致， 利用单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使 用SDRAM不仅能提高系统表现，还能简化设计、提供高 速的数据传输，在嵌入式系统中经常使用。
5.1.3 ARM存储器系统



存储器系统直接关系到整个嵌入式系统的性能的高低， ARM存储系统中包含多种类型的嵌入式存储层次结构有机 的组合在一起。 通过Cache和Write Buffer技术缩小了处理器和存储系统速 度的差别，提高存储系统的性能。 SDRAM存取速度大大高于Flash存储器，且具有读写的属 性，因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数 据及堆栈区。 S5PV210芯片及其他一些ARM芯片在片内具有独立的 SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM接口。但某些 ARM芯片则没有SDRAM刷新控制逻辑，不能直接与 SDRAM接口，在进行系统设计时应注意这一点。SDRAM 是高速的动态随机存取存储器，它的同步接口和完全流水 线的内部结构使其拥有极大的数据速率，目前SDRAM时 钟频率已达100MHZ以上。