嵌入式存储器(ROM/RAM/Flash)知识梳理

作为嵌入式开发者，存储器是我们开发过程中最频繁的硬件组件之一。从微小的8位单片机到复杂的嵌入式Linux系统，每个设备都用到了各种类型的存储器。

概念

存储器主要分为ROM和RAM，RAM和ROM的最大区别是RAM在断电以后保存的数据会自动消失，ROM不会消失。

当然我们可以把所有的存储器按两种方式分类,易失性和功能用途。

按易失性划分（最核心分类）

• 非易失性

  • 典型代表: flash(NOR/NAND)、EEPROM、ROM、硬盘
  • 核心用途: 存储程序，配置信息，用户数据等长期保存的内容

• 易失性

  • 典型代表: RAM(SRAM/DRAM/SDRAM)
  • 核心用途: 运行程序、临时数据、堆栈

按功能划分

• 程序存储器: 用于存储可执行代码(ROM、NOR Flash)
• 数据存储器: 用于存储运行时的数据(RAM、EEPROM)
• 外部扩展: 存储大容量数据(NAND Flash、eMMC、SD卡)

非易失性存储器

非易失性存储器是负责保护系统断电后仍需保留的所有信息。

ROM只读存储器的进化史

ROM是最早的非易失存储器。

• 掩模ROM
  • 原理：芯片制造的时候通过掩模写入，永远无法修改
• PROM
  • 原理：通过熔断内部金属丝实现编程，只能写一次
• EPROM
  • 原理：通过紫外线照射擦除数据，电信号编程 上面提到的基本已经被EEPROM和Flash取代。

EEPROM-小容量存储

• 原理: 通过隧道效应实现电擦写，可字节级操作
• 特点: 可字节级擦除、读写速度慢、容量小（KB级别） 可以应用在存储设备校准参数、用户信息、运行状态。现在MCU都以集成内部EEPROM。

Flash存储器-主力军

Flash闪存是目前应用最广泛的非易失性存储器，结合了ROM的非易失性和灵活性。

• 基本原理(听过即可)
  • 写入: 通过隧道效应向浮栅注入电荷
  • 擦除: 通过隧道效应或热电子发射清除浮栅电荷
  • 读取: 通过检测浮栅电荷对沟道导通状态的影响判断数据

和EEPROM的核心区别

• Flash的擦除是以块为单位，而非字节
• Flash具有更高的存储密度
• Flash擦除次数比EEPOM高

NOR Flash

NOR Flash是一种支持随机访问的闪存类型

• 结构性能
  • 读取速度块
  • 擦写速度慢，尤其大容量擦写
  • 容量相对小(1MB - 256MB)
• 接口类型
  • 并行接口(Parallel NOR): 速度快，引脚多
  • SPI引脚(SPI NOR): 引脚少，布线简单
• 应用场景
  • 存储Bootloader和应用程序
  • 存储需要快速随机访问的配置数据
  • 支持 XIP
  • 作为代码存储器，支持CPU直接从NOR中读取

CPU直接从存储器中读取程序代码执行，不用再读到内存中，可以节省内存资源

NAND Flash

NAND Flash是一种高容量、高性价比的闪存

• 结构特点
  • 存储单元串联结构，类似NAND门
• 核心性能
  • 容量大
  • 擦写速度快
  • 随机读取慢
  • 存在坏块
• 接口类型
  • 传统NAND接口
  • 标准化NAND接口(ONFI接口)
• 应用场景
  • 存储大量数据
  • 作为文件系统的载体
  • 固件升级包存储

NOR闪存是由Intel公司开发的，是一种随机访问设备，具有专用的地址和数据线（和SRAM类似），以字节的方式进行读写，允许对存储器当中的任何位置进行访问。 而NAND闪存则没有专用的地址线，不能直接寻址，是通过一个间接的、类似I/O的接口来发送命令和地址来进行控制的，这就意味着NAND闪存只能够以页的方式进行访问。 NOR主要应用于代码存储介质中，而NAND则用于数据存储。

集成化存储

集成化存储即为将Flash与控制器集成的方案

eMMC

• 本质: NAND Flash + 控制器 + 标准接口的继承芯片
• 特点:
  • 采用标准MMC接口，简化硬件设计
  • 容量大(4GB~256GB)
  • 可靠性高

SD卡和MicroSD卡

• 本质: 可移动的eMMC类似物
• 特点: 支持热插拔,方便数据交换

易失性存储器

易失性虽然不能长期保存数据，但系统运行时也是必不可缺的。

RAM的概念

RAM的特点:

• 可以随机访问任何地址，读写速度快
• 断电后数据丢失
• 用于存储运行中的数据和数据
• 是CPU与外部世界交换数据的主要场所

SRAM(静态随机存储器)

• 工作原理: 触发器电路数据存储，不需要刷新
• 特点:
  • 速度快，纳秒访问时间
  • 功耗较高
• 应用场景：
  • CPU内部缓存
  • 对速度要求高的场景(RTOS)
  • 小型MCU的片内RAM

DRAM(动态随机存器器)

• 工作原理: 基于电容存储电荷，需要定期刷新
• 特点:
  • 速度比SRAM慢
  • 比静态功耗低
  • 成本较低
• 常见类型
  • SDRAM(同步DRAM): 与系统时钟同步
  • DDR SDRAM(双倍数据率 SDRAM)
    • DDR: 双倍数据率
    • DDR2: 更新频率
    • DDR3: 比DDR2更稳定，功耗更低
    • DDR4: 主流，更高带宽，更低电压
  • LPDDR SDRAM(低功耗DDR): 移动设备上

嵌入式系统中的RAM应用

• 片内RAM: 集成在MCU中，容量小，速度快，用于简单程序运行
• 外部扩展RAM: 当片内RAM不足是使用，特定接口(FSMC、LPDDR)

FSMC为可变静态存储控制器，是ST公司为STM32的MCU开发的

存储器在嵌入式系统的常见配置

• 8位/16位MCU: 片内 ROM（或 Flash） + 片内 RAM + 可选 EEPROM
• 32位MCU: 片内 Flash + 片内 RAM + 外部 NOR Flash + 可选外部 NAND Flash/SD 卡
• 嵌入式Linux: eMMC（或 NAND Flash） + DDR RAM + 可选 SD 卡 / SSD