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科普 | 电子设备中存储的秘密

开发板与存储之间有什么样的关联呢?关注“Micron美光科技”微信公众号,看视频答题赢取树莓派4!
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  • 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?

    观看视频:https://www.bilibili.com/video/BV1tf4y1k7HY

    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ROMRAM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ROMRAM可以满足大多数应用的系统存储要求。

    另外一类是运行操作系统的开发板,如主流Linux开发板。这类开发板的处理器我们最常见的有Arm Cortex A系列。

    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。

    Linux系统的软件方面分为两大块:Linux内核和用户应用程序。如果Linux系统使用比较轻量级的文件系统,以及版本比较低的内核。Linux系统编译完后,内核镜像大小在4-10M,最精简的文件系统就在16M左右。正如在Windows系统上安装的各类应用软件一样,用户还会在这个系统之上搭建自己的复杂的业务逻辑。

    这么多文件系统,内核以及应用程序,在Linux开发板上该如何存储呢,还是存储在处理器内部吗?

    让我们来看看Arm Cortex A处理器的内部存储,从下图友商的处理器来看,可以看到内部有96KBROM128KBRAM

    显然,想要装的下Linux系统以及开发应用程序,仅靠处理器的内部存储空间是不够的。

    内部存储空间不够用,怎么解决呢?

    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:SDARMFLASH

     

    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FlashRAM?

    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?

    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。为了提高工厂的产能,一是提高处理器的性能,这样可以提升家加工车间的效率;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 SDRAMFlash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。当想用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。

    回归存储芯片上,处理器想要正确的读取或写入数据,不论是DDR还是Flash芯片需要的如下功能:

    1)地址线引脚:处理器可以准确的访问DDR或者Flash上的位置;

    2)数据线引脚:处理器与存储芯片互通的数据通道;

    3)读写状态引脚:告知存储芯片是读或者写;

    4)其他功能引脚。

     

    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 ,已经出现在工程师的手中了。

     

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