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2.2.1 程序存储器
13-01-09    奋斗的小年轻
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2.2  存储器

在基于处理器/控制器的嵌入式系统中,存储器是系统的重要部件。有些处理器/控制器含有内置式存储器,此类存储器称为片上存储器(on-chip memory)。有些处理器/控制器在芯片内部不含存储器,需要使用外部存储器连接到处理器/控制器上,以此来存储控制算法,此类存储器称为片外存储器(off-chip memory)。此外,在某些操作中,还需要使用工作存储器来临时保存数据。本节主要说明嵌入式系统应用中使用的各种不同类型的存储器。

2.2.1  程序存储器

嵌入式系统的程序存储器或代码存储器用于存储程序指令。根据图2-8所示的框图,程序存储器可以如下分类:


 

即使在电源关闭之后,程序存储器中的数据也不会发生改变,因此程序存储器也称为非易失性存储器。根据制造工艺、擦除与编程技术的不同,下面详细介绍各种类型的存储器。

1. 掩模型ROM

掩模型ROM(简称MROM)是一次性编程器件。掩模型ROM采用硬件技术来存储数据。在制造该器件时,厂家根据终端用户提供的数据,使用掩模和金属喷镀工艺进行编程。其主要优点在于,对于大批量生产的产品而言,其成本很低。掩模型ROM是成本最低的固态存储器。在ROM的掩模过程中,可以使用不同的工艺,比如:

(1) 使用沟道注入技术,生成增强型模式或损耗型模式的晶体管。

(2) 使用标准晶体管或者是高门限晶体管,创建存储器单元。在高门限模式中,晶体管导通所需的供电电压必须超过ROM IC的常规工作电压。从而确保在编程以前,晶体管总是处于截止状态,存储器单元的存储值总是逻辑0。

对于低成本嵌入式设备,掩模型ROM是存储嵌入式固件的合理选择。只要设计完成,固件测试完毕并且确定了版本,对应的二进制数据(对固件进行交叉编译或汇编,生成目标处理器指定格式的机器码)就可以提供给MROM厂商进行批量生产。当然,使用基于MROM的固件存储也存在严重的不足,那就是不能够更改设备的固件,固件无法升级。由于MROM的比特存储是永久不变的,因此其中的比特信息无法更改。

2. 可编程ROM

与掩模型ROM不同的是,可编程ROM(简称PROM)也称为OTP,并非由厂商来执行预编程操作;终端用户可以自己对该器件进行编程。在可编程存储器中,镍铬铁合金(nichrome)导线或者是多晶硅(polysilicon)导线以矩阵形式排列。从功能角度看,这些导线可以当做可熔断的金属丝(即熔丝)。PROM编程器根据用户设计的位存储模式,熔断相应的熔丝,完成存储器编程。没有熔断的熔丝表示逻辑1,熔断的熔丝则表示逻辑0;默认状态对应于逻辑1。在原型样品已经测试通过、程序代码版本最终确定的嵌入式系统商用产品开发中,OTP得到了广泛的使用。对于商用产品来说,OTP是低成本的解决方案;不过,OTP不能够重新编程。

3. 可擦除可编程ROM

对于系统开发而言,OTP的效率很低。在开发阶段,需要经常修改代码,每次都使用OTP载入代码是相当浪费的。可擦除可编程ROM(简称EPROM)则能够灵活地对同一个存储器芯片进行重新编程。通过对FET(Field Effect Transistor,场效应晶体管)的浮栅进行充电,EPROM可以存储比特信息。可以使用EPROM编程器,外加高电压给浮栅充电,从而实现比特信息的存储。EPROM上具有石英晶体窗口,可以通过该窗口擦除存储的信息。如果使用紫外线持续照射该窗口一段时间,就可以擦除存储器中的全部信息。尽管EPROM芯片具有可以重新编程的能力,带来了一定的灵活性,但是,由于该过程需要将芯片从电路板上取出,然后在紫外线擦除器中放置20~30分钟,因此是相当麻烦费时的过程。

4. 电可擦除可编程ROM

电可擦除可编程ROM(简称EEPROM)使用电信号修改其中包含的信息,其擦除范围可以精细到寄存器/字节级。此外,电可擦除可编程ROM可以直接在电路板上完成擦除和重新编程。此类芯片具有一种芯片擦除模式;在擦除模式中,只需要若干毫秒就能完成擦除。这为系统设计提供了更大灵活性。与标准ROM相比,电可擦除可编程ROM唯一的不足是其容量有限,通常只有几千字节。

5. FLASH

FLASH是最新的ROM技术,也是当前嵌入式设计中最常用的ROM技术。FLASH存储器技术源于EEPROM技术;FLASH存储器不仅具备EEPROM可重新编程的能力,还具有标准ROM的大容量存储空间。FLASH存储器内部分为若干个互不重叠的子空间,可以称这些子空间为扇区(sector)、块区(block)或页面(page)。在FLASH存储器中,信息存储在MOSFET晶体管的浮栅阵列中。可以选定扇区或页面,对存储器执行擦除操作,这不会影响其他扇区或页面。在对FLASH进行重新编程之前,必须擦除相应的扇区或页面。FLASH擦除所需时间的典型值是1000个指令周期。WINBOND公司生产的W27C512(参见www.winbond.com)就是一款64KB容量的FLASH存储器。

6. NVRAM

NVRAM是由电池支持的随机存取存储器。NVRAM包含基于静态RAM的存储器和小型电池;当外部电源切断的时候,电池可以给存储器供电。在NVRAM中,存储器和电池是封装在一起的,其生命周期大约是10年。Maxim/Dallas公司生产的DS1644就是一款32KB容量的NVRAM。

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