开发板中的存储

日常生活离不开各类电子产品，我们常见的电子产品通常以电路板作为载体，包含信息采集，信息处理，存储，执行等功能。

对于工程师来说，比起电路板，说开发板可能更亲切一些。由于工程师在研发初期，大都在开发板上验证功能，可以说开发板是所有电子设备最原始的状态。开发板与存储之间有什么样的关联呢？

开发板：MCU类VS Linux类  不同的存储方式

根据处理器类型，开发板一般分为两类：MCU类和  Linux 类。它们二者的存储方式还是有很大的差异的。

首先是MCU类开发板，MCU就是工程师口中的单片机，采用MCU的系统一般仅需要简单的操作或者控制，比如接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

下图就是一个MCU系统的主要组成部分： 

可以很明显的看出来MCU类的开发板它的存储功能靠内部存储就足够了。

内部存储分为ROM和RAM两大类，存储空间大小在几十到几百KB不等。如果不运行操作系统和图形系统，MCU控制指令和代码就会相对简单，内部ROM和RAM可以满足大多数应用的系统存储要求。

另外一类是Linux类开发板，这类开发板的处理器我们最常见的有Arm Cortex A系列。

目前主流Linux开发板运行的是Linux系统，采用的多是Arm Cortex A系列的处理器。同Windows操作系统一样，Linux是一种开放源代码，功能强大、可靠、稳定性强、灵活而且具有极大的伸缩性的操作系统。

从下图可以看出，Arm Cortex A处理器的内部存储有96KB的ROM和128KB的RAM。

如果不跑操作系统，做一些简单的输入输出控制，代码量不多的话，自带的内部存储ROM和RAM是够用的。但是Arm Cortex A处理器的运算资源很强大，通常是使用在嵌入式产品上，嵌入式产品的软件是需要跑Linux操作系统的。

它的软件方面主要分为两大块：Linux内核和用户应用程序。如果Linux使用比较轻量级的busybox来做文件系统，使用版本比较低的内核kernel 3.2最终编译完后，Linux内核镜像大小在4-10M，最精简的文件系统就在16M左右，除此之外，用户另外用户肯定会在这个系统之上搭建自己的复杂的业务逻辑，要想支撑起比较复杂的用户应用程序，仅靠处理器的内部存储空间显然是不够的。

大家看看手边的Linux开发板，不难发现他们都额外增加了独立的存储芯片：SDARM和FLASH。

Linux开发板上的外部存储芯片

典型的Linux开发板，比如大家都很熟悉的树莓派4，使用的外部存储芯片就是美光的8GB LPDDR4 SDRAM。

或许有人就疑惑了：为什么是外接存储芯片，而不是直接在处理器芯片内置大容量Flash和RAM?

原因有很多，比如成本问题。如果单纯的加大RAM会占用很多硅片面积，这也会直接导致芯片价格的增加。在同样的硅片上，占用硅片面积大会使得切割出来的芯片晶圆数量减少。再者，RAM的工艺繁杂，RAM所占硅片的面积大，就会容易产生缺陷，导致芯片的整体良品率下降。

外部存储芯片如何与处理器进行工作的呢？

把Linux开发板看成一个大工厂，处理器是加工车间，外部的存储芯片则相当于仓库。为了提升工厂的产能，一是提高处理器的性能，这样可以提升加工车间的效率；二是缩短原材料从仓库到加工车间的时间，中间的临时小仓库，堆放目前专门生产的产品的原材料，可以大大缩短制造时间。小仓库相当于存储芯片中的DDR SDRAM，大仓库则相当于存储芯片中的Flash。

开发板上的DDR SDRAM用来保存用户程序在运行时使用到的数据。而Flash，负责存储应用程序等，就如电脑中的硬盘作用。

处理器，DDR SDRAM和Flash之间是如何进行数据传输的？

以运行用户程序为例，程序会以二进制码的形式存在Flash中。当想要运行某个用户程序时，处理器会先从Flash中读取待运行的程序放入DDR中。处理器与DDR实时进行数据传输，保证运行的速度。

 开发板上的DDR SDRAM用来保存用户程序在运行时使用到的数据。

以美光的MT41K128M16JT-125 芯片（DDR3芯片）为例，速度可达800MHz的2GB DDR3 SDRAM。DDR3芯片的管脚较为复杂，不过大体上可以分成5类：电源线，时钟线地址线，数据线，控制线（在不同的容量芯片当中地址线和数据线的数目是变化的）。

下图的DRAM_ADDR[0:15]，这是16根地址线，让处理器可以准确的访问DDR3芯片。然后是DRAM_DATA[0:15]，我们可以看到16位的并行数据线，用于DDR3和处理器之间的数据传输。

 开发板上的Flash，负责存储应用程序等，就如电脑中的硬盘作用，直接与处理器相连。

以美光的MT29F2G08ABAEAWP芯片为例，这是一颗Nand Flash芯片虽然有48个管脚，但是实际上使用到的管脚也就十多个，比如有：

复用的数据管脚，用于数据、地址、命令等信息；CLE：命令锁存使能，在输入命令之前，先要拉高CLE；ALE：地址锁存使能，在输入地址之前，先要拉高ALE；CE#：芯片使能，在操作Nand Flash之前，先要拉低CE#；RE#：读使能，在读取数据之前，先要拉低RE#；WE#：写使能,在写取数据之前，先要拉低WE#；WP#：写保护,拉低WP之后，将无法对芯片进行写操作；R/B#：Ready/Busy Output,平时R/B为高电平状态，但当NAND进行编程、随机读或擦除操作时变为低电平状态，操作完成后又变为高电平状态。

处理器与Nand Flash芯片通过8 bit的并行总线进行连接，操作CLE和ALE,可以实现对8个IO管脚的数据类型复用。这样做有一个好处，就是可以大大简化的硬件电路的设计，避免了繁琐的硬件连线。同时，为了加强处理器对Nand Flash读写操作的稳定性，图中CE,R/B和WP三个控制管脚被电阻上拉到高电平。

NAND Flash的操作通过一系列的命令来完成。命令一共分成9大类，包括复位操作、识别操作、配置操作、状态操作、地址操作、读操作、写（编程）操作、擦除操作以及写回操作。

最先进的DDR5时代已来

工程师们执着于增加电子产品的运行速度及存储空间，使得开发板上的存储芯片容量正不断增加。决定电子设备性能的核心除了处理器之外，存储芯片的读取速度也成为一个非常重要的因素。

迄今为止技术上最为先进的 DDR5 ，比上一代DDR4提升至少 85%，已经出现在工程师的手中了。

　　审核编辑：汤梓红