科普 | 电子设备中存储的秘密

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？

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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。

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。

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96KB的ROM和128KB的RAM。

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：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 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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