各種類型存儲(chǔ)器的最佳應(yīng)用探討

對(duì)于所有基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)而言，存儲(chǔ)器都是其中的主要元件。例如，開(kāi)發(fā)人員需要足夠的RAM以存儲(chǔ)所有易失性變量、創(chuàng)建緩沖區(qū)以及管理各種應(yīng)用堆棧。RAM對(duì)于嵌入式系統(tǒng)相當(dāng)重要，同樣，開(kāi)發(fā)人員也需要一定空間用于存儲(chǔ)應(yīng)用代碼、非易失性數(shù)據(jù)和配置信息。

然而，問(wèn)題在于非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)不斷擴(kuò)展，選擇眾多，使選擇適合應(yīng)用的存儲(chǔ)器頗具挑戰(zhàn)性。

本文對(duì)各種存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)行了介紹，并以O(shè)N Semiconductor、Adesto Technologies、Renesas、ISSI、Cypress Semiconductor、Advantech、GigaDevice Semiconductor和Silicon Motion等供應(yīng)商推出的產(chǎn)品為例，幫助開(kāi)發(fā)人員了解各種存儲(chǔ)器類型的特性。此外，本文還探討了各種類型存儲(chǔ)器的最佳應(yīng)用，以便開(kāi)發(fā)人員有效使用。

嵌入式系統(tǒng)中的EEPROM和FRAM

EEPROM往往是開(kāi)發(fā)人員最先、最?？紤]用于嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器件。在嵌入式應(yīng)用中，這類非易失性存儲(chǔ)器通常用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置參數(shù)。例如，連接至CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可能會(huì)將CAN ID存儲(chǔ)于EEPROM。

EEPROM的以下特性使其成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的理想之選：

小封裝尺寸

相對(duì)實(shí)惠的價(jià)格

100kbps至1000kbps的典型比特率范圍

標(biāo)準(zhǔn)化電氣接口

通常支持I2C和SPI接口

目前，在Digi-Key網(wǎng)站上快速搜索EEPROM可以發(fā)現(xiàn)，共有9家EEPROM供應(yīng)商提供的5，800多款EEPROM。例如，ON Semiconductor的CAT24C32WI-GT3是一款32Kb（4KB） EEPROM器件，采用8引腳SOIC封裝，連接I2C總線時(shí)速度可達(dá)1MHz（圖1）。

值得注意的是，某些微控制器中也包含EEPROM。例如，Renesas的R7FS128783A01CFM＃AA1 32位微控制器，具有4KB板載EEPROM可供開(kāi)發(fā)人員使用。

因此，配置需求不能超過(guò)4KB，否則，開(kāi)發(fā)人員就需要使用外部存儲(chǔ)器件，或使用微控制器的閃存來(lái)模擬EEPROM以擴(kuò)展容量。

盡管EEPROM深受青睞，卻也存在一些潛在缺陷：

擦/寫(xiě)操作壽命通常為1，000，000次

寫(xiě)周期約為500ns

寫(xiě)入單個(gè)數(shù)據(jù)單元需要多條指令

數(shù)據(jù)保存期為10年以上（近期的產(chǎn)品可達(dá)100年以上）

易受輻射和高工作溫度影響

EEPROM適合的應(yīng)用眾多，但對(duì)于汽車、醫(yī)療或航天系統(tǒng)等可靠性要求較高的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員則希望使用FRAM等更可靠的存儲(chǔ)器解決方案。

FRAM是“鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”的縮寫(xiě)，相較于EEPROM存儲(chǔ)器，頗具優(yōu)勢(shì)：

速度更快（寫(xiě)周期小于50ns）

寫(xiě)操作壽命更長(zhǎng)（高達(dá)1萬(wàn)億次，EEPROM僅為100萬(wàn)次）

功率較低（工作電壓只需1.5V）

輻射耐受性更強(qiáng)

FRAM的存儲(chǔ)容量與EEPROM相當(dāng)。例如，Cypress Semiconductor的FRAM系列容量范圍從4Kb至4Mb。其中，F(xiàn)M25L16B-GTR容量為16Kb（圖2）。該器件采用8引腳SOIC封裝，工作頻率可達(dá)20MHz。

針對(duì)高端產(chǎn)品，Cypress Semiconductor推出CY15B104Q-LHXIT，容量為4Mb，支持的接口速度高達(dá)40MHz（圖3）。這款FRAM存儲(chǔ)器具有以下特性：

151年數(shù)據(jù)保存期

100萬(wàn)億次讀/寫(xiě)

直接替代串行閃存和EEPROM

正如您所猜想，F(xiàn)RAM的價(jià)格比EEPROM昂貴，因此選擇適合應(yīng)用的存儲(chǔ)器時(shí)，務(wù)必仔細(xì)權(quán)衡器件的各種工作環(huán)境因素。

嵌入式系統(tǒng)中的閃存、eMMC和SD卡

嵌入式系統(tǒng)中的閃存具有多種不同用途。首先，外部閃存可用于擴(kuò)展內(nèi)部閃存，從而增加應(yīng)用代碼的可用存儲(chǔ)器空間。常用解決方法是：使用GigaDevice Semiconductor的GD25Q80CTIGR等SPI閃存模塊（圖4）。如果微控制器支持SPI接口，則可通過(guò)該接口使用GD25Q80CTIGR將內(nèi)部存儲(chǔ)器擴(kuò)展8Mb。

其次，外部閃存可用于存儲(chǔ)配置信息或應(yīng)用數(shù)據(jù)，而非使用EEPROM或FRAM。為了降低BOM成本或擴(kuò)展內(nèi)部存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)，可以改用外部閃存芯片。微控制器外設(shè)和存儲(chǔ)器映射可以配置為加入該外部閃存，以便開(kāi)發(fā)人員能夠更輕松地進(jìn)行訪問(wèn)，而無(wú)需專門對(duì)所需的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行自定義調(diào)用，來(lái)連接EEPROM或FRAM。

Adesto Technologies的AT25SF161是一款適用于該用途的外部閃存器件范例（圖5）。該器件使用隊(duì)列式SPI （QSPI） 接口。QSPI是對(duì)常規(guī)SPI協(xié)議的擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量。對(duì)于單一事務(wù)需要存儲(chǔ)或檢索大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可留意這類器件。

QSPI免除了CPU對(duì)QSPI外設(shè)的干預(yù)，并將接口由標(biāo)準(zhǔn)的4引腳（MOSI、MISO、CLK和CS）變更為6引腳（CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3）。因此，其中4個(gè)引腳可用于輸入和輸出，而傳統(tǒng)SPI只用2個(gè)引腳。

最后，閃存可用于存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)和有效載荷信息。例如，GPS系統(tǒng)往往不會(huì)試圖將所有GPS地圖存儲(chǔ)于本地處理器，而是使用SD卡或eMMC器件等外部存儲(chǔ)器件。這些存儲(chǔ)介質(zhì)可通過(guò)SPI或?qū)Ｓ?a href="http://www.ttokpm.com/tags/sdi/" target="_blank">SDIO接口連接微控制器，從而有效連接外部存儲(chǔ)器件。

例如，ISSI推出的IS21ES04G-JCLI eMMC可直接連接微控制器的SDIO接口，為其擴(kuò)展32Gb的閃存（圖6）。

就電氣接口而言，SD卡與eMMC器件別無(wú)二致。換言之，二者雖采用不同的封裝，但都具有通用引腳可用于連接微控制器。不過(guò)，這兩種存儲(chǔ)器類型卻截然不同。相較于SD卡，eMMC通常具有以下差異：

更堅(jiān)固耐用，不易出現(xiàn)物理?yè)p壞

交互更快

價(jià)格更昂貴

須焊接至電路板，不可拆卸

如果用戶無(wú)需拆卸存儲(chǔ)器，那么使用eMMC可以提供更可靠的解決方案，但仍取決于最終應(yīng)用。無(wú)論哪種情況下，開(kāi)發(fā)人員都需要仔細(xì)選擇存儲(chǔ)器，因?yàn)槊靠畲鎯?chǔ)器的特性各不相同。

例如，車載子系統(tǒng)可能要求存儲(chǔ)器經(jīng)過(guò)可靠性驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)往往高于標(biāo)準(zhǔn)閃存器件。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員需要選擇通過(guò)汽車級(jí)鑒定的存儲(chǔ)器，例如Silicon Motion的SM668GE4-AC 4GB eMMC模塊。

選購(gòu)SD卡時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須慎重考慮，因?yàn)榕ceMMC一樣，每款SD卡的特性各不相同。開(kāi)發(fā)人員需仔細(xì)檢查存儲(chǔ)卡的速度等級(jí)和工作溫度。例如，多數(shù)SD卡的額定溫度范圍為0至70 ℃，適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

此外，每款存儲(chǔ)卡都具有相關(guān)速度等級(jí)，用于描述預(yù)期最大接口速度。例如，在需要存儲(chǔ)圖像的應(yīng)用中，使用Class 2存儲(chǔ)卡則速度較慢，遠(yuǎn)不如專為高清視頻設(shè)計(jì)的Class 10存儲(chǔ)卡，例如Advantech推出的SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4GB microSD卡。

存儲(chǔ)器選擇技巧與訣竅

為嵌入式產(chǎn)品選擇合適的存儲(chǔ)器類型和接口頗具挑戰(zhàn)性。選擇適合應(yīng)用的存儲(chǔ)器時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以參考以下“技巧與訣竅”：

明確存儲(chǔ)器工作條件，例如：

預(yù)期擦/寫(xiě)次數(shù)

溫度、振動(dòng)和輻射等環(huán)境條件和因素

數(shù)據(jù)加載要求

記錄應(yīng)用中存儲(chǔ)器正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率

選擇最接近記錄中所需比特率的存儲(chǔ)器接口類型

對(duì)于汽車或航天系統(tǒng)等惡劣環(huán)境條件，須選擇通過(guò)汽車級(jí)鑒定或輻射耐受性較強(qiáng)的存儲(chǔ)器

使用分線板將所選存儲(chǔ)器件連接至微控制器開(kāi)發(fā)套件以測(cè)試其性能

上述技巧有助于確保開(kāi)發(fā)人員找到適合嵌入式應(yīng)用的存儲(chǔ)器。

總結(jié)

如今，可供開(kāi)發(fā)人員選擇的非易失性存儲(chǔ)器件種類繁多，可用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，從應(yīng)用代碼到配置信息，不一而足。如上所述，開(kāi)發(fā)人員需仔細(xì)評(píng)估應(yīng)用需求，慎重選擇存儲(chǔ)器類型和接口，以期取得這些需求與成本之間的平衡。

原文標(biāo)題：EEPROM、FRAM、eMMC、SD卡……嵌入式開(kāi)發(fā)中，存儲(chǔ)器應(yīng)該如何選？

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