外部存储芯片（详细说明）

前言

苔花若米小,也学牡丹开.

这里是各种存储芯片的简单描述，如有问题，敬请指正！

存储芯片简介

为什么需要外部的存储原器件

STM32控制芯片内部有一定大小的
SRAM以及Flash做为内存和程序存储器,
一般来说, 这个内部存储器是足够的, 但当程序较大的时候, 内存装不下的时候, 就需要在STM32芯片的外部扩展外存(外部扩展存储器).

例如, 你本来只有100毫升的水, 我用桶装绰绰有余, 但是一旦你有100升的水, 我的桶就装不下了, 就需要外部再加一个或者多个更大的桶来把水全部装进去.

存储数据只是外部芯片的一种应用，还有一种用途就是充当一个间界的缓存。

存储芯片是什么

存储芯片是由各类存储器的统称.
而存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件

• 许多存储单元的集合, 按单元号顺序排列. 每个单元由若干二进制位(8位 16位 32位)构成, 以表示存储单元中存放的数值.
• 存储器的单元地址只有一个, 固定不变, 而存储在其中的数据可以改变.

以上的概念非常好理解, 就拿一个例子来举例吧, 你面前有一排柜子, 每个柜子的外面都有对应的序号, 每个柜子里面都可以装一定大小的东西, 至于装多大, 还得看你柜子里面的空间有多大.
这里的柜子就可以看成存储芯片, 序号就是对应的单元号, 用来寻找不同地方的内存, 而柜子里面的空间就可以看成位数, 8位就可以存放2⁸, 16位就可以存放2¹⁶, 32位就可以存放2³².

这个有点类似于数组的东西, 数组的下标就是序号, 数组的元素的大小取决于位数, 一般电脑的int 型数组就是32位的.

为什么众厂商选择的是SDRAM

我的单片机是安富莱的f429的芯片, 它上板载的外部存储芯片是SDRAM芯片, 我查阅了众家(如野火, 正点原子等)板子上的外部存储芯片, 无一不是选用了SDRAM 芯片,为什么会有这样的情况,是什么原因导致的, 下面我将带来对于这个问题的分析…

难道是因为只有SDRAM芯片吗?

上面是我在cubemx中截的图, 从图中我们可以看出fmc配置中, 有很多种的存储类芯片可以选择,有下面几种():

1. NOR Flash
2. NAND Flash
3. Compact Flash
4. SDRAM

为什么这么多中的芯片, 最后却选择了SDRAM, 这背后定有其原因所在, 于是我打算从各个芯片的特点, 找到他们的异同, 做为我们的突破点.

突破点：存储芯片的类与别

首先芯片分为两个大类, 一种是易失性存储器,另一种是非易失性存储器.
其中易不易失的标准在于, 断电之后芯片是否还能保存原来的数据, 直白说就是, 易失就是断电之后数据就会丢失, 不易失就是芯片掉电之后数据还能保存.
既然, 都有非易失存储器了, 那我们还要易失存储器干嘛?
有句话说的好 : " 存在即合理. "
相对于非易失存储器, 易失存储器的存取速度快, 可以即拿即用, 而非易失存储器, 只能作为不易失的仓库使用了.

非易失存储器

有以下几种

1. ROM
2. Flash
3. 光盘
4. 软盘
5. 机械硬盘

后三种我们不做讨论, 我们只用看前两种

ROM

ROM是Read Only Memory的缩写, 意思是只读存储器, 为什么叫这个名字, 这就要翻一翻ROM的历史了。

第一阶段 : ROM

在很久以前最古老的ROM是, 只能写入不可以读出的, ROM的数据通常都是在装机之前, 把内容写好固定死的, 之后就没办法改动了.

第二阶段 : PROM

后来为了方便用户自己的使用, 发展出了PROM, 这个芯片可以由用户编程一次, 之后的内容就是固定死了, 不可更改的了.

第三阶段 : EPROM

再后来, 只可编程一次的芯片也满足不了用户的需求了, 就发明出了EPROM, 可擦除可编程只读存储器, 可以多次写入内容, 在写入内容之前,必须先擦除，用紫外线光源和脉冲点流将原来的信息擦除。 缺点, 擦除太麻烦。

第四阶段: EEPROM

这个时候就发明出了至今为止最通用的一版ROM了, 就是EEPROM, 是一种随时可写入而无须擦除原先内容的存储器，其写操作比读操作时间要长得多，EEPROM把不易丢失数据和修改灵活的优点组合起来，修改时只需使用普通的控制、地址和数据总线.

---

Flash

Flash是快速闪存存储器 Flash memory 的简称，Flash容量大，速度高，价格便宜，擦除时，一般以多字节位单位，Flash内部是浮栅晶体管或浮栅MOSFET（FGMOS），MOSFET是用于放大或切换电子信号的晶体管。浮栅晶体管是电气隔离的，也就是说，浮栅晶体管的控制端和输出端没有直接相连，至于为什么不相连，这里会进行说明，

对于下图的MOS来说，当晶体管的控制端（g的地方）这边要求输出端（s的地方）那边输出一个高电平，就会给g一个高电平，给d一个高电平，一但给g一个电平，P型半导体的电子通过电势能都汇集到了，两个N型半导体中间，形成一个电子通路，从而把d的电压传递到s那边的输出端去,根据图示，就会在s那边输出一个高点平。

• 这里的g是栅极，s是源极，d是漏极。
• 很好理解，g是门栅，控制开关；d要往外输出能量，要漏出去；s是输出极，对于外面就是能源。

Flash又分为NOR Flash 和 NAND Flash

1. NOR Flash

NOR Flash是Intel于1988年开发出来的第一代Flash，一经出现就打破了原先EPROM和EEPROM一统天下的局面。
NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。

2. NAND Flash

1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。
NAND的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理需要特殊的系统接口。

3. NOR 和NAND的比较

通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多。

4. CF(Compact Flash)卡

其实除了以上两种Flash，还有一种从NAND Flash延申出来的Flash，CF卡（Compact Flash）最初是一种用于便携式电子设备的数据存储设备。初期的CF卡确实是NAND Flash 规格的，经过后来的发展逐渐有了自己的的规格，如CF+规格。CF卡现今主要用作于摄像头的存储芯片。

---

易失存储器

先介绍一波RAM，
–> RAM(Random Access Memory)随机访问存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

RAM有两大分类，一个是SRAM（Static RAM） 静态的随机访问存储器，一个是DRAM（Dynamic RAM）动态的随机访问存储器。

1. SRAM

利用双稳态电路进行存储。即使有干扰对稳态电路也没影响，所以有双稳态性，“静态”是指只要不掉电，存储在SRAM中的数据就可以一直保存，只要有电，SRAM中的数据就不会有变化。加电情况下，不需要一直刷新，数据不会丢失，SRAM 的存储单元以锁存器来存储数据，种电路结构不需要定时刷新充电，就能保持状态。

双稳态，意味着可以稳定的状态有两种。
锁存，意味着可以一直保持一个状态，直到下次刷新才能改变。

---

2. DRAM

需要不断的刷新，才能保存数据。主要的作用原理，是利用电容中存储电荷的多少来判断，是二进制中的0还是1。但是由于电荷会有漏电的现象，导致数据的失真，所以需要不断给电容周期性的充电，否则无法长期保持记忆。
DRAM的另外一个特性就是，读取DRAM的电平，会导致单元行的电容的快速漏电，也就是说我们当前的读取会使下次读取不出正确的数据，所以一般对于DRAM的行读取操作后，会把行数据重新写回读取行中，这个写回的操作叫预充电，是行上的最后一项操作，完成这个操作之后，才能访问新的行，这一操作叫做，关闭打开的行。

DRAM的一种 --> SDRAM

SDRAM是DRAM的一种，也就是Synchronous DRAM，同步的DRAM。

他在时钟的上升沿表示有效数据，如图所示。

• 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；
• 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。

有的SDRAM是只有行地址，直接找到行地址，就可以直接把数据存入。
而有的SDRAM的存储，是通过存储矩阵来存储的，你可以把他想象成一个表格。我们在向这个表格中写入数据的时候，需要先指定一个行地址，然后指定一个列地址，就可以精确的找到目标单元格的位置，从而把数据存储进去。

SDRAM的容量计算

SDRAM由几个Bank组成，每个Bank有固定的大小。

只有行地址的情况：
Bank数 * 2^行数 * 存储单元容量

行列矩阵的情况：
Bank数 * 2^行数 * 2^列数 * 存储单元容量

混杂的情况：
只有行Bank数 * 2^行数 * 存储单元容量 + 行列都有Bank数 * 2^行数 * 2^列数 * 存储单元容量

拿安富莱的STM32F429的板子上面的SDRAM （MT48LC4M32B2）来举例：
大小为16MB = 4 * 2¹² * 2⁸ * 32bit = 128Mbit = 16MB

SDRAM的刷新时间对于CPU时钟周期的要求计算

刷新速率 = SDRAM自动刷新时间 / 2^行数

CPU时钟周期 = 刷新速率 * CPU运行频率

可靠运行的CPU时钟周期 = CPU时钟周期 - 20

拿安富莱的STM32F429的板子上面的SDRAM （MT48LC4M32B2）来举例：
这里设置CPU为（180MHz / 2） = 90MHz

刷新速率 = 64ms / 2¹² = 15.625us

CPU时钟周期 = 15.625us * 90MHz = 1406.25

可靠运行的CPU时钟周期 = 1406.25 - 20 = 1386.25

最后后向下取整 = 1386

SRAM与DRAM比较

SRAM的速度非常快，在快速读取和刷新时能够保 持数据完整性。SRAM内部采用的是双稳态电路的形式来存储数据。所以SRAM的电路结构非常复杂。制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多。正因为如此，才使其发展受到了限制。因此目前SRAM基本上只用于CPU 内部的一级缓存以及内置的二级缓存。

总结比较

由于各个开发板厂商，用外部的芯片主要使用来传输数据，不是用来存储数据的，所以快的RAM比慢的ROM好，Flash的使用需要擦除浪费时间，所以用RAM，而DRAM比SRAM提供更高的存储空间且加个低廉，所以选用DRAM，而SDRAM因为其同步的时钟信号，可以保证数据传输的可靠，所以选择了SDRAM。

参考文档

FMC—扩展外部 SDRAM

SDRAM、DRAM及DDR FLASH ROM概念详解

什么是MOS管？结构原理图解

NOR Flash

MT48LC4M32B2中文数据手册

总结