如何选择嵌入式产品中的存储器类型？
摘要：Flash存储器是一种非易失性内存，其作为数据、系统存储的关键介质，在嵌入式系统中扮演着重要角色。常见的Flash有NAND Flash 、Nor Flash、eMMC等，本文将简单介绍不同Flash的区别及应用场景。
图1 HD6Q-CORE ARM核心板板载Flash
1. NAND Flash
按照接口区分，NAND Flash分为串行和并行两种，串行就是每次传输1 bit，并行就是每次传输多位。下图的并行Flash采用8bit的数据位宽，并配合RE/WE等读写信号进行数据的读写。串行Flash管脚较少，多采用SPI或者QSPI接口进行通信。一般来讲，并行Flash的容量要高于串行Flash。
图2 并行NAND Flash接口
图3 串行NAND Flash接口
按照颗粒密度区分，并行NAND Flash可以分为SLC、MLC、TLC、QLC等，其中SLC、MLC颗粒较为常用。
图4 SLC、MLC、TLC、QLC
第一代SLC（Single-Level Cell）每单元可存储1比特数据(1bit/cell)，性能好、寿命长，可经受10万次编程/擦写循环，但容量低、成本高，市场上用的比较少；第二代MLC（Multi-Level Cell）每单元可存储2比特数据(2bits/cell)，性能、寿命、容量、成各方面比较均衡，可经受1万次编程/擦写循环，目前主流的核心板厂商大都配置该类型的存储；第三代TLC（Trinary-Level Cell）每单元可存储3比特数据(3bits/cell)，性能、寿命变差，只能经受3千次编程/擦写循环，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，大多数固态硬盘的选择；第四代QLC（Quad-Level Cell）每单元可存储4比特数据(4bits/cell)，性能、寿命进一步变差，只能经受1000次编程/擦写循环，但是容量更容易提升，成本也继续降低。2.Nor Flash
NOR Flash是一种非易失闪存技术，是Intel在1988年创建。是市场上两种主要的非易失闪存技术之一。按照接口区分, Nor Flash也可以分为并行和串行两种。由于并行Nor Flash易存在兼容性问题，现已逐渐淘汰，目前常用的Nor Flash通常指串行Flash，即SPI Flash，其接口定义和图3一致。
与NAND Flash相比，Nor Flash容量较低，且读写速度和擦写速度较慢。不同于NAND Flash的是，NOR Flash支持Execute ON Chip，程序可以直接在Flash片内执行，因此很适合作为嵌入式系统中的程序启动介质。
表1 NAND Flash &Nor Flash 存储介质对比表
eMMC
eMMC 本质上还是Nand flash ，数据接口支持1bit、4bit和8bit三种。eMMC=Nand flash +闪存控制芯片+标准接口封装，其内部集成的闪存控制器具有读写协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能，极大降低了Nand-flash的使用难度。
图5 eMMC架构
在嵌入式系统中，Flash除了用来存放数据，还有一个重要的功能就是存放uboot启动程序。一般来讲，系统可以直接从Nor Flash启动，而不能直接从NAND Flash启动。系统要从NAND Flash启动，则需要先将NAND Flash低4K的代码拷贝到CPU内部的SRAM中，然后从SRAM中驱动。再将FLASH剩下的代码拷贝到SDRAM中，从SDRAM开始执行main函数，启动流程如下图所示。
图6 NAND Flash启动方式
一般来讲，当主控制所需搭配的存储容量较低时（如256M、512M），通常选择Nand flash。当主控制所需搭配的存储容量较高时（如4GB、8GB甚至32GB），选择eMMC将更具性价比。
嵌入式(1)：ROM、RAM和FLASH傻傻分不清，搞懂存储介质与启动顺序
硬件的存储介质配置决定了整体的启动流程。运行介质都会在CPU的地址空间上，占用地址空间的一部分。CPU可以根据寻址地址从运行介质中读取一条指令或者一条数据。RAM属于随机访问存储器，ROM和Flash等属于非易失性存储器。
ROM
ROM(Read Only Memory)，只读存储器。ROM数据不能随意更新，但是在任何时候都可以读取。主要用于存放一些固定的不需要修改的代码或者数据。掉电之后，数据还可以保存。IROM则是指集成于芯片内部的ROM。
ROM
ROM主要有Mask ROM、EPROM、EEPROM和Flash ROM。
Mask ROM (掩膜ROM)，一次性由厂家写入数据的ROM，用户无法修改。
PROM 只允许用户利用专门的设备(编程器)将自己的程序写入一次，一旦写入后，其内容将无法改变。所以也叫做一次可编程只读存储器(One Time Programming ROM)。
EPROM (可擦除可编程ROM)，分为UVEPROM(紫外线擦除)和EEPROM(电擦除)。EPROM虽然即可读又可“写”，但它不能取代RAM。因为EPROM的编程次数是有限的；而且它写入的时间较长，即使对于EEPROM，擦除一个字节需要约10ms，写入一个字节大约需要10us，比SRAM或DRAM的时间长100~1000倍。
EEPROM 不但可以利用电压的高低来写入数据，还可以利用电压的高低清除EEROM所存储的数据。EEPROM在数据清除时还可以针对个别的存储单元进行清除操作，比起EPROM需要整个清除数据方便许多。EEPROM的数据存储保持能力可以长达10年，而数据清除再被规划的次数可以达到一万次以上。
Flash ROM 见NOR Flash部分。
RAM
RAM有两个大类，静态RAM和动态RAM。
板载RAM
SRAM(Static Random Access Memory) ，即静态随机存取存储器(六个晶体管存储一位数据，功耗大，密面积大)。它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。优点，速度快(目前读写速度最快的存储设备)，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。初始化简单。缺点，集成度低，掉电不能保存数据，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率(一、二级缓存)。
DRAM( Dynamic Random Access Memory) ，动态随机存储器(一个晶体管和一个电容存储一位数据，便宜简单，需要刷新)，动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。
DRAM有很多种，主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等。
其中SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)，同步动态随机存储器，同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；相对于SRAM来说，体积较小且价格便宜。由General SDRAM and Controller进行控制，通常只能工作在133MHz主频。
其中DDRAM(Double Data Rate SDRAM，双倍速率随机存储器)，DDRAM依靠一种叫做双倍预取(2n-prefetch)的技术，即在内存芯片内部的数据宽度是外部接口数据宽度的2倍，使峰值的读写速度达到输入时钟速率的2倍，并且DDRAM允许在时钟脉冲上升沿或下降沿传输数据，这样不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度，并具有SDRAM多一倍的传输速率和内存带宽。同时为了保证在高速运行时的信号完整性，DDRAM技术还采用了差分输入的方式。总的来说DDRAM采用更低的电压、差分输入和双倍数据速率输出等技术。
Flash
又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势)，U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位。
U盘、SD大小卡
Flash有两种：NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash(读慢、写快)一般用来存储少量的代码，适合小容量固件的启动内存。NADN Flash一般用在高数据存储密度方案(固态硬盘、u盘等)。
NOR Flash 的读取和我们常见的SRAM的读取是一样，不需要再把代码读到系统RAM中运行，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代。NOR Flash的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但很低的擦除和写入速度大大影响了它的性能。
NAND Flash 没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。NAND Flash不能像RAM那样，直接对目标地址进行总线操作，比如执行一次写操作，它必须输入一串特殊的指令(NOR Flash)，或者完成一段时序（NAND Flash）才能将数据写入到Flash Memory中，因此用户不能直接运行NAND Flash上的代码，好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还配上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。
SPI Flash使用SPI总线接口的Nand Flash。
eMMC是Nand Flash和闪存控制器集成在同一芯片封装。
SD和eMMC相似，区别就是eMMC焊接在主板上，而SD卡是可以拔插的。
TF(Trans Flash),也称为Micro SD卡，本质和SD卡是一个东西。
TF卡
SSD(solid-state drive)固态硬盘，与eMMC类似，区别是SSD是有多个闪存芯片，eMMC通常是一个闪存芯片，SSD使用SATA、PCIe、M2等接口，传输速度比eMMC的SPI接口更快，eMMC常用于移动设备中，SSD常用于PC。
三星870pro SSD
启动顺序
在uboot启动过程中有三个步骤，即BL0、BL1和BL2。因为BL0是上电启动代码，固定不变的，所以将其固化在IROM中运行。因为SRAM是集成在平台内部，BL0阶段之后可以直接使用，但是size比较小。而SDRAM需要根据外围DDR进行初始化，BL0之后还无法使用，需要在BL1中进行初始化之后才能使用。故BL0放在IROM中运行，BL1放在SRAM中运行，BL2放在SDRAM中运行。
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