arm架構(gòu)的芯片memory及智能機(jī)存儲(chǔ)部件簡(jiǎn)述

處理器系統(tǒng)中可能包含多種類型的存儲(chǔ)部件，如Flash、SRAM、SDRAM、ROM以及用于提高系統(tǒng)性能的Cache等等。剛剛接觸芯片開(kāi)發(fā)的工程師常常被各式各樣的存儲(chǔ)和存儲(chǔ)管理弄得暈頭轉(zhuǎn)向，因此本文簡(jiǎn)單對(duì)ARM架構(gòu)和基于ARM架構(gòu)處理器系統(tǒng)中可能包含多種類型的存儲(chǔ)部件，如Flash、SRAM、SDRAM、ROM以及用于提高系統(tǒng)性能的Cache等等。剛剛接觸芯片開(kāi)發(fā)的工程師常常被各式各樣的存儲(chǔ)和存儲(chǔ)管理弄得暈頭轉(zhuǎn)向，因此本文簡(jiǎn)單對(duì)ARM架構(gòu)和基于ARM架構(gòu)的處理器上的內(nèi)存及內(nèi)存管理做一個(gè)簡(jiǎn)單的匯總和整理。文章首先闡述了內(nèi)存的分類，其次ARM920T為例描述了ARM芯片包含的存儲(chǔ)部件和存儲(chǔ)管理單元，最后簡(jiǎn)單闡述了智能機(jī)中的存儲(chǔ)部件。

一，存儲(chǔ)部件的分類

1，RAM(Random Access Memory)-隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

RAM在任何時(shí)候都可以被讀寫(xiě)，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行程序的臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)(內(nèi)存，掉電后RAM不能保留數(shù)據(jù)。RAM有SRAM、DRAM兩大類。

SRAM(Static RAM/SRAM)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)不會(huì)消失，直到下次寫(xiě)入或掉電，是目前讀寫(xiě)最快的存儲(chǔ)設(shè)備，價(jià)格昂貴，只用于要求苛刻的地方，如Cache。

DRAM(Dynamic RAM/DRAM)保留數(shù)據(jù)時(shí)間短，速度比SRAM慢，但快于其他任何ROM，比SRAM便宜很多，常用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存。DRAM種類很多，常見(jiàn)的有FPRAM/FastPage、EDORAM、RDRAM、SGRAM、SDRAM、DDR RAM等。

SDRAM(Synchronous DRAM)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，是一種改善了結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型DRAM。SDRAM的接口相對(duì)復(fù)雜，需要相應(yīng)的控制器支持，但由于容量大、價(jià)格便宜、訪問(wèn)速度快，所以常用在對(duì)內(nèi)存容量和處理速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，在這種場(chǎng)合中，相應(yīng)的處理器(CPU)都自帶有SDRAM控制器。

DDR RAM(Date-Rate RAM)也稱作DDR SDRAM，是目前電腦中用得最多的內(nèi)存，這種改進(jìn)型的RAM和SDRAM是基本一樣的，但是它數(shù)據(jù)傳輸速率加倍了，一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)可以進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)書(shū)讀寫(xiě)。

2，ROM(Read Only Memory)--只讀存儲(chǔ)器

ROM可在任何時(shí)候讀取，斷電后能保留數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一但旦寫(xiě)入只能用特殊方法更改或無(wú)法更改。因此ROM相當(dāng)于PC機(jī)上的硬盤(pán)，用來(lái)存儲(chǔ)和保存數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)中ROM常用來(lái)存放可執(zhí)行文件映像。RAM和ROM相比，兩者的最大區(qū)別是RAM在斷電以后保存在上面的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)消失，而ROM就不會(huì)。隨著ROM存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)展，應(yīng)用中經(jīng)常提到的有ROM、PROM、EPROM、2PROM。

ROM:Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器。ROM中內(nèi)容只能讀不能改，在工廠里通過(guò)特殊的方法將數(shù)據(jù)燒錄進(jìn)去。

PROM:Programmable ROM，可編程ROM?？赏ㄟ^(guò)專用的編程器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入，但是只可寫(xiě)一次，一旦寫(xiě)入再無(wú)法修改。

EPROM：Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM。芯片寫(xiě)入要用專用的編程器，可重復(fù)擦除和寫(xiě)入，擦除通過(guò)紫外線照射實(shí)現(xiàn)。

EEPROM：Electrically Erasable Programmable ROM，

電可擦除可編程ROM。價(jià)格高，寫(xiě)入慢。但其寫(xiě)入、擦除不需借助其它設(shè)備，電子信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)。用廠商提供的專用刷新程序并利用一定的編程電壓就可以輕而易舉地改寫(xiě)內(nèi)容。手機(jī)軟件一般放在EEPROM中，我們打電話，有些最后撥打的號(hào)碼，暫時(shí)是存在SRAM中的，不是馬上寫(xiě)入通過(guò)記錄(通話記錄保存在EEPROM中)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)有很重要工作(通話)要做，如果寫(xiě)入，漫長(zhǎng)的等待是讓用戶忍無(wú)可忍的。

3，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器(閃存)

FLASH結(jié)合了ROM和RAM的長(zhǎng)處，不僅具備電子可擦出可編程(EEPROM)的性能，斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)數(shù)據(jù)可以快速讀取，U盤(pán)和MP3以及現(xiàn)在的智能手機(jī)里用的就是這種存儲(chǔ)器。過(guò)去，嵌入式系統(tǒng)一直采用ROM(EPROM)作存儲(chǔ)設(shè)備，近年來(lái)Flash則將其全面代替，被用來(lái)存儲(chǔ)Bootloader、操作系統(tǒng)或者程序代碼。目前Flash主要有兩種：NOR Flash和Nand Flash 。

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。 NOR Flash的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，用戶可以直接運(yùn)行裝載在NOR FLASH里面的代碼，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR Flash的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能，同時(shí)成本較高。

NAND Flash沒(méi)有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以塊的形式來(lái)進(jìn)行，通常一個(gè)塊大小為512個(gè)字節(jié)，Nand Flash比較廉價(jià)，用戶不能直接運(yùn)行NAND Flash上的代碼。應(yīng)用NAND的困難還在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口，它使用復(fù)雜的I/O口來(lái)串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。

Nand Flash一般采用兩種不同的類型。一種叫做SLC(Single Level Cell)，單層單元閃存;第二種叫做MLC(Multi Level Cell)，多層單元閃存。兩者的主要區(qū)別是SLC每一個(gè)單元儲(chǔ)存一位數(shù)據(jù)，而MLC通過(guò)使用大量的電壓等級(jí)，每一個(gè)單元儲(chǔ)存兩位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度比較大。SLC成本較高，但性能優(yōu)、能耗低、重復(fù)擦寫(xiě)次數(shù)多。

嵌入式開(kāi)發(fā)中，因?yàn)镹OR Flash多用來(lái)存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量的用NAND FLASH。

4，SD/MMC

MMC(MultiMedia Card)卡，是一種快閃存儲(chǔ)器卡標(biāo)準(zhǔn)。在1997年由西門子及SanDisk共同開(kāi)發(fā)，技術(shù)基于東芝的NAND快閃記憶技術(shù)。SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環(huán)境等各方面的需求而設(shè)計(jì)的一種新型存儲(chǔ)器件，在MMC卡基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。SD/MMC的存儲(chǔ)介質(zhì)就是NAND FLASH。

二，ARM架構(gòu)上的內(nèi)存和內(nèi)存管理部件

嵌入式開(kāi)發(fā)中常常使用多種類型的組合實(shí)現(xiàn)來(lái)降低成本、提高效率。如Rom+RAM+Nand Flash的組合，基本的引導(dǎo)代碼放在ROM中，系統(tǒng)加電即自動(dòng)從Rom初始地址開(kāi)始執(zhí)行，而后分階段(一階段或兩階段)將bootloader代碼、RTOS和應(yīng)用程序代碼復(fù)制至RAM中執(zhí)行。程序代碼之類一定是放在一種可以掉電不失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備中，籠統(tǒng)的將之稱為ROM。傳統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)中由于代碼量和數(shù)據(jù)量很少，一般內(nèi)部EEROM即夠用。后來(lái)由于代碼量、數(shù)據(jù)量太大，EERom存不下來(lái)，就出現(xiàn)了Flash。由于Flash不能直接與CPU交換數(shù)據(jù)或交換很慢，所以在程序運(yùn)行后，需要將Flash內(nèi)部的某一要運(yùn)行的程序，“搬移”到能夠和處理器直接交換數(shù)據(jù)的RAM中去執(zhí)行。當(dāng)程序被搬運(yùn)(也許只搬運(yùn)了部分)到ram中后，就開(kāi)始從ram的首地址開(kāi)始運(yùn)行程序。為了提高利用率，一般會(huì)將向量表之類的需要快速響應(yīng)的部分放到ram中;當(dāng)然若ram夠大，也可以將所有的代碼放到RAM中。芯片中，存儲(chǔ)部件間程序和數(shù)據(jù)的“搬移”、CPU core與主存間通信就是通過(guò)處理器的各種內(nèi)存管理單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

芯片上所有的片內(nèi)、片外存儲(chǔ)都統(tǒng)一管理，存在一個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器分配映射，其不僅是存儲(chǔ)器塊可用地址和I/O設(shè)備可使用地址的反映，也是系統(tǒng)中硬件存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備描述的反映。它反映了不同存儲(chǔ)單元ROM、RAM、Flash和I/O設(shè)備等的存在性，每種存儲(chǔ)部件有各自的開(kāi)始和結(jié)束地址;也反映了定位器對(duì)程序、數(shù)據(jù)、I/O操作的存儲(chǔ)器分配。不同的存儲(chǔ)單元之間存在著空間間隔以方便擴(kuò)展，擴(kuò)展時(shí)只需改動(dòng)軟件程序即可。

如下圖是ARM920T的邏輯框圖

1，寄存器

對(duì)于寄存器，它不是ram，可以理解成ram，寄存器的速度是最快的，是處理器運(yùn)算的臨時(shí)空間，內(nèi)存的數(shù)據(jù)和信息都是經(jīng)過(guò)它來(lái)參加CPU內(nèi)邏輯運(yùn)算單元或算術(shù)運(yùn)算單元的。

2，Cache

高速緩存存儲(chǔ)器是一個(gè)硬件部件，SRAM，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的。Cache與主存以Cache Line為單位交換數(shù)據(jù)。Cache的地址映像和變換方法有三種：直接相聯(lián)、全相聯(lián)和組相聯(lián)映像。Cache與一些寫(xiě)回、寫(xiě)通技術(shù)結(jié)合來(lái)提高系統(tǒng)效率的同時(shí)保持Cache和主存數(shù)據(jù)的一致性。

在ARM920T有16K的數(shù)據(jù)Cache和16K的指令Cache，這兩個(gè)Cache是基本相同的，數(shù)據(jù)Cache多了一些寫(xiě)回內(nèi)存的機(jī)制，后面我們以數(shù)據(jù)Cache為例來(lái)介紹Cache的基本原理。我們已經(jīng)知道，Cache中的存儲(chǔ)單位是Cache Line，ARM920T的一個(gè)Cache Line是32字節(jié)，因此16K的Cache由512條Cache Line組成。

多核心的架構(gòu)下，每個(gè)處理器都會(huì)有自己的L1Cache，并共享一個(gè)L2 Cache。ARM采用CacheCoherence機(jī)制保證Cache的同步。

3，MMU(Memory Management Unit)- 內(nèi)存管理單元

MMU負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址的映射，并提供硬件機(jī)制的內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限檢查。MMU使得每個(gè)用戶進(jìn)程擁有自己獨(dú)立的地址空間，并通過(guò)內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限的檢查保護(hù)每個(gè)進(jìn)程所用的內(nèi)存不被其他進(jìn)程破壞。

ARM CPU地址轉(zhuǎn)換涉及三種地址：虛擬地址(VA，Virtual Address)、變換后的虛擬地址(MVA，Modified Virtual Address)、物理地址(PA，Physical Address)。MMU沒(méi)有使能時(shí)，CPU核心、cache、MMU、外設(shè)等所有部件使用的都是物理地址。啟動(dòng)MMU后，CPU核心對(duì)外發(fā)出虛擬地址VA，VA被轉(zhuǎn)換為MVA供cache、MMU使用，在MMU里MVA被轉(zhuǎn)換成PA，最后使用PA讀取實(shí)際設(shè)備。

從MVA到PA的轉(zhuǎn)換需要訪問(wèn)多次內(nèi)存，轉(zhuǎn)譯查找緩存(Translation Lookaside Buffers，TLB)用來(lái)改進(jìn)CPU訪問(wèn)內(nèi)存的性能。由此，通過(guò)使用這樣一個(gè)高速、容量相對(duì)較小的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)近期用到的頁(yè)表?xiàng)l目(段、大頁(yè)、小頁(yè)、極小頁(yè)描述符)，避免每次地址轉(zhuǎn)換都到主存中查找，這樣就大幅提高性能。這個(gè)存儲(chǔ)器用來(lái)幫助快速地進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，成為當(dāng)CPU發(fā)出一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU首先訪問(wèn)TLB。如果TLB中含有能轉(zhuǎn)換這個(gè)虛擬地址的描述符，則直接利用此描述符進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換和權(quán)限檢查，否則MMU訪問(wèn)頁(yè)表找到描述符后再進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換和權(quán)限檢查，并將這個(gè)描述符填入TLB中，下次再使用這個(gè)虛擬地址時(shí)就直接使用TLB用的描述符。

使用TLB需要保證TLB中的內(nèi)容與頁(yè)表一致，在啟動(dòng)MMU之前，頁(yè)表中的內(nèi)容發(fā)生變化后，尤其要注意。一般的做法是在啟動(dòng)MMU之前使整個(gè)TLB無(wú)效，改變頁(yè)表時(shí)，使所涉及的虛擬地址對(duì)應(yīng)的TLB中條目無(wú)效。

4，協(xié)處理器CP15

在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器常用協(xié)處理器CP15完成存儲(chǔ)單元的大部分管理工作。例如通過(guò)專用指令寫(xiě)CP15控制寄存器相應(yīng)位來(lái)使能和控制內(nèi)存管理單元MMU和Cache。

5，Nand Flash controller和Flash

操作NAND Flash時(shí)，先傳輸命令，然后傳輸?shù)刂?，最后讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，這個(gè)期間要檢查Flash的狀態(tài)。

NAND Flash的讀寫(xiě)操作次序如下：

①設(shè)置NFCONF配置NAND Flash

②向NFCMD寄存器寫(xiě)入命令

③向NFADDR寄存器寫(xiě)入地址

④讀寫(xiě)數(shù)據(jù)：通過(guò)寄存器NFSTAT檢測(cè)NAND Flash的狀態(tài)，在啟動(dòng)某個(gè)操作后，應(yīng)該檢測(cè)R/nB信號(hào)以確定該操作是否完成、是否成功。

Flash相當(dāng)于PC的硬盤(pán)，用于永久存放數(shù)據(jù)，可以將部分引導(dǎo)程序、可執(zhí)行映像存放在Flash中，在系統(tǒng)加電后通過(guò)Bootloader加載至RAM。

6，DMA(Direct Memory Access)- 直接存儲(chǔ)器存取

DMA用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)須CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)DMA快速地移動(dòng)，這就節(jié)省了CPU的資源。

7，ROM(內(nèi)部Rom和外部Rom)，用于存放系統(tǒng)啟動(dòng)和初始化代碼、RTOS等。

8，RAM(分內(nèi)部IRAM和外部RAM)，相當(dāng)于PC的主存，用于任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)、代碼存儲(chǔ)和堆棧。執(zhí)行頻率高的代碼、數(shù)據(jù)存于IRAM。系統(tǒng)啟動(dòng)后ROM中的影像端copy至RAM并執(zhí)行。

9，I/O端口和設(shè)備地址空間：該地址由處理器根據(jù)硬件配置分配，包括控制/數(shù)據(jù)/狀態(tài)寄存器。

三，智能機(jī)應(yīng)用處理器AP和無(wú)線路由器CP的存儲(chǔ)部件配置

下面兩幅圖是ARM提供的當(dāng)前典型的ARM架構(gòu)的無(wú)線modem和 應(yīng)用處理器AP的邏輯示意圖

圖中的ROM、RAM組合用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)代碼的存放和啟動(dòng)、運(yùn)行。另外一些應(yīng)用場(chǎng)景中(如功能機(jī))modem需要額外的存儲(chǔ)部件，即通過(guò)Static Memory Controller外接Flash等實(shí)現(xiàn)。

TCM是一個(gè)固定大小的RAM，緊密地耦合至處理器內(nèi)核，提供與cache相當(dāng)?shù)男阅?，相比于cache的優(yōu)點(diǎn)是，程序代碼可以精確地控制什么函數(shù)或代碼放在那兒(RAM里)。當(dāng)然TCM永遠(yuǎn)不會(huì)被踢出主存儲(chǔ)器，因此，他會(huì)有一個(gè)被用戶預(yù)設(shè)的性能，而不是象cache那樣是統(tǒng)計(jì)特性的性能提高。

AP示意圖中列出了當(dāng)下流行的存儲(chǔ)部件和存儲(chǔ)控制器組合，實(shí)際上這些控制部件不一定同時(shí)存在于一顆AP上。當(dāng)我們談到智能機(jī)的“內(nèi)存”時(shí)，實(shí)質(zhì)上指的往往是應(yīng)用處理器的存儲(chǔ)配置。下文會(huì)簡(jiǎn)述智能機(jī)中的存儲(chǔ)部件組合。

手機(jī)的Memory由兩大塊組成，俗稱RAM與ROM。RAM也叫運(yùn)行內(nèi)存，其大小決定手機(jī)后臺(tái)能運(yùn)行多少程序;ROM的大小則決定手機(jī)中能安裝多少程序、放多少歌曲、電影、小說(shuō)等。RAM則是上面提到的DRAM，對(duì)智能手機(jī)的性能影響最大、價(jià)格也貴，特別是目前新一代的LPDDR2的價(jià)格，同等容量時(shí)比電腦中采用的PC DDR3的價(jià)格貴一倍左右。今年底，下一代LPDDR3也將被一些高端平臺(tái)采用，價(jià)格將更昂貴。ROM實(shí)質(zhì)上是Nand Flash閃存，用來(lái)永久存儲(chǔ)智能手機(jī)中的各種數(shù)據(jù)。而RAM與ROM如何結(jié)合、如何封裝則是目前手機(jī)廠商在選擇平臺(tái)時(shí)最為糾結(jié)的地方，因?yàn)樯婕暗?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB的布線和空間位置，不僅如此，還涉及到后面物流采購(gòu)的可行性與價(jià)格的波動(dòng)，因?yàn)椴煌问降腗emory價(jià)格波動(dòng)也不一樣。目前主流的形式有MCP、eMCP、POP(Package on Package)以eMMC+LPDDR2的分商方式，手機(jī)采用哪一種形式往往是由手機(jī)選擇的主芯片平臺(tái)來(lái)決定，而容量則由手機(jī)廠商根據(jù)市場(chǎng)需求和自己的產(chǎn)品定義來(lái)決定。有些手機(jī)廠商在將其它配置都定義得較高，為了省成本選擇了512MB的RAM，這對(duì)用戶是一種不負(fù)責(zé)的態(tài)度。目前512MB的RAM與2GB的RAM價(jià)格差了十幾美元。

低端機(jī)一般是一顆主芯片(與AP集成的SoC)配一個(gè)Flash+DRAM。Flash與DRAM封一起，稱為ND MCP。這里Flash是NandFlash，一般采用的SLC目前主要的配置有兩種：一種是ND 4Gb+2Gb;另一種是ND4Gb+4Gb。前者也即廠商通俗所稱的512MB ROM+2RAM，目前價(jià)格約為4.2-4.5美元;后者也即廠商所報(bào)的512MB ROM+4RAM，目前報(bào)價(jià)約為7-7.5美元?，F(xiàn)在主流低端智能機(jī)已采用第二種了。低端機(jī)的512MB ROM不能支持Android 4.0。

中端智能機(jī)是由一顆主芯片(AP與集成)配一個(gè)eMMC和一顆DRAM。所謂eMMC是集成了閃存控制器，eMMC=NAND Flash+閃存控制芯片+標(biāo)準(zhǔn)接口封裝，這樣的最大好處是BB/CPU主控IC不需要再面對(duì)不同廠商的閃存的兼容性問(wèn)題，以及閃存技術(shù)不斷升級(jí)帶來(lái)的接口兼容性問(wèn)題，當(dāng)然，F(xiàn)lash與控制器集成還有很多好處，這里就不一一描述了，昌旭在去年曾寫(xiě)過(guò)一文專門談eMMC的好處。并且，由于目前智能手機(jī)PCB上占位面積有限，三星等廠商將eMMC與DRAM封在一起，稱為eMCP。

今天主要談價(jià)格。目前的中端智能機(jī)(1500元-1999元)的主要配置也有兩種：一種是4GB eMMC+4Gb DRAM(注意，這時(shí)是大寫(xiě)GB，且閃存采用了MLC)

最后，再看看蘋(píng)果三星這種高端配置的手機(jī)。這種手機(jī)一般采用與AP分離的方式，eMMC供與AP，上不再需要NOR Flash，而AP上還需要堆疊一顆DRAM(目前主要是LPDDR2)。所以，eMMC與DRAM也是分開(kāi)的。eMMC的配置主流有16/32/64GB。