MCU存储系统的基本知识

只看该作者 · 2021-9-29 10:35

这一篇主要讲讲ROM\RAM\Flash的一些零碎知识点，网上也能找到很多资料。

1 ROM

1.1概述

只读存储器（Read-only memory, ROM），当然从广义上来讲，也有一些器件，例如Flash，EPROM等等，通过某种手段可以编程的，也属于ROM的范畴的。ROM一般用在一些程序的存储和数据的存储，这里程序多半是比较固定的程序（Firmware，固件，一种跟硬件强相关的程序，例如驱动等等），这里的数据多半是固化的表项，查找表等等不会怎么改变的表项。

1.2基本原理

HDL设计中，对于小ROM，深度和位宽都不大，一般使用组合逻辑就可以做一个ROM。如果数据比较大，比如1K*4B这种，就换一种ROM，使用标准单元Mask ROM，来做存储，如下图所示。百度百科对MASK ROM的定义，是制造商为了要大量生产，事先制作一颗有原始数据的ROM或EPROM当作样本，然后再大量生产与样本一样的 ROM，这一种做为大量生产的ROM样本就是MASK ROM，而烧录在MASK ROM中的资料永远无法做修改。

1.3分类

一种是真的写了就没法改的ROM；一种是可以写一次的ROM（one-time Programmable read-only memory），使用的高压反熔丝技术；一种是可擦出的能、能写多次的ROM（Erasable programmable read only memory），使用紫外线擦除；一种是电擦除的EEPROM（Electrically Erasable programmable read only memory，EEPROM），再到后来东芝搞的Flash。工业界第一种ROM和最后一种的Flash用的比较多。

2 Flash

1.1原理

非遗失性的存储，是在ROM的基础上演进出来的。目前主流是NAND和NOR。模拟的团队来做flash。可以任意地址访问。对于连续地址读访问，NAND和NOR的带宽差距不大。NAND是存储块访问，NOR可以Byte访问。总的来说，NOR特点就是比较细的访问，基本启动程序放NOR中，稳定性和可靠性也稍微高一些；NAND访问数据块比较好，通常数据放NAND中，而且成本也较低。

图： NOR Flash的时序

ale: address lock enable；一般Flash不会直接集成到芯片中，如果集成在芯片外面，IO数量增加，NOR解决办法就是数据和地址复用，当ale为高的时候，addr上走的是地址，当ale为低且csn为低的时候，addr上走的是数据。

wen：write enable；用于指示读还是写。

rdy：对于芯片和FLash分离，因为是异步接口，所以使用rdy信号用来握手。对于MCU来讲，如果把小的NOR flash集成到芯片内部，就可以直接使用同步接口，也就是SRAM的接口。

图：NAND Flash时序

CLE：Chip Lock Enable；

可以看到NAND也是数据和地址线复用的。NAND可以大块的数据读写，多了些Command。NAND Flash在MCU中的比较少。Flash跟ROM和RAM不同，不想数字的可以直接用工具生成，这个需要模拟团队自己做。

3 RAM

1.1基本概念

StaTIc Random Access Memory，静态的，随机的访问。静态的，不用刷新，不像DRAM需要随时刷新，但是SRAM没有DRAM的集成度高，面积比较大。另外，速度和功耗比DRAM好一些。

图：存储一个bit的SRAM的结构

6个CMOS管子组成一个SRAM单元，Q1和Q3组成反相器，Q2和Q4组成反相器，两个反相器组成一个环路，这样，只要不掉电，这个逻辑环就不会变，跟触发器原理有点类似。Q5用于控制输入，Q6用于控制输出，两个管子相当于输入和输出的开关。

1.2 分类

single port SRAM：不会发生读写冲突，因为之后一个端口，要么读，要么写；尽量做到先写后读，或者初始化再度，否则读出来的数据有可能不对（原因是SRAM的软失效）。对于软失效，可以加一个ECC校验，例如寸10bir，其中2bit是校验位。

Two port SRAM：FOGA的读写冲突允许，但是ASIC不可以，在同一个时刻，读地址和写地址不要一样。FIFO一般是TP SRAM。

Dual port SRAM：也是两个端口A、B，可以A读B写，也可以A写B读，不在局限于只能谁读谁写。可靠性，面积和率都不是很好。

工程上，使用两个SRAM，做乒乓操作，实现TP SRAM的功能，一个读的时候，另外一个写。两个SRAM加起来面积可能比TP SRAM小一些。对于几百几K的bit位，直接用D触发器来存储比较好。

1.3 接口

SRAM有一个需要注意下，就是Redundancy接口，用于扩展SRAM的，在比较的大的memory中会用，例如cache，这个接口可选的。用法的话，举个例子这个就是说，当SRAM中有一块坏掉了，这个时候就在尾部在接一块SRAM存储，就把坏块的地址映射到新加的存储块中，这个时候就要用的Redundancy了。

1.4 时序

对于Single port SDRAM的时序，如下图：

读是在一个时钟周期完成，如果是连续写，红点处，write enable是可以一直拉低的；读的话，是要在下一个时刻才能采到数据，注意下。