内存

内存是计算机中用于存储和读取数据的设备，它由一系列连续的存储单元组成，每个存储单元都有一个唯一的地址。内存可以分为主存和辅助存储器两种类型。主存是计算机中直接与CPU进行数据交换的部分，通常是指随机访问存储器（RAM，Random Access Memory）。辅助存储器则是用于长期存储数据的设备，如机械硬盘、固态硬盘（SSD，solid-state drive）等。当计算机执行程序时，需要将程序和相关数据加载到内存中，CPU通过读取内存中的指令和数据来进行计算和操作。  

嵌入式平台具有多层次的存储器结构，即不同类型存储器的集合，各类存储器具有不同的速度、容量和用途（如下图）。

寄存器

寄存器（Register）是计算机中的一种小型存储器件，用于存储处理器（CPU）需要快速访问的数据，通常被集成在处理器芯片中。寄存器是计算机中最快的存储器件之一，它们的访问速度比主存储器和辅助存储器要快得多，因此可以极大提升计算机的性能。常见的寄存器有以下几类：

1）程序计数器

程序计数器是一种特殊的寄存器，用于存储正在执行的程序的地址。当处理器执行程序时，它会不断地从程序计数器中读取指令并执行它们。

2）指令寄存器

指令寄存器用于存储当前正在执行的指令。处理器从指令寄存器中读取指令并执行它们。

3）状态寄存器

状态寄存器用于存储处理器的状态信息。状态寄存器中的位表示了处理器的不同状态，如进位标志、零标志、负数标志等。

4）通用寄存器

通用寄存器是一种通用的寄存器，用于存储处理器需要快速访问的数据。它们可以用于存储函数调用时的参数和返回值，以及存储中间计算结果等。

Cache

Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术，一般分为一级缓存 L1 Cache、二级缓存 L2 Cache、三级缓存 L3 Cache。在现在的系统中，处理器需要上百个时钟周期才能从主存中取到数据，如果没有cache，处理器在等待数据的大部分时间内将会停滞不动。

• 位于内存和CPU之间，是一个读写速度比内存更快的存储器

• 当CPU向内存中读写数据时，这些数据也会被读写入高速缓冲存储器中，如果 Cache 中没有，CPU会去读内存中的数据

• 每次被访问的主存块，一定会被立即调入Cache

• 为了进一步提升性能，引入多级Cache，与CPU离得最近的是L1，L1后面连接L2，L2和主存之间连接L3，等级越高，速度越慢（相比主存依然很快），容量越大

• L1和L2往往都是SRAM
  

（1）L1 Cache

• 一级缓存，与CPU离得最近的Cache，通常是32-64KB大小，一级缓存L1 Cache的容量是最小的

• 一般来说，一级缓存可以分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache）和一级指令缓存（Instruction Cache，I-Cache），二者分别用来处理数据和对这些这些数据的指令进行及时解码，而且二者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能

• 目前大多数CPU的一级数据缓存和一级指令缓存具有相同的容量

• L1 cache一般工作在CPU的时钟频率，要求的就是够快，可以在2-4时钟周期内取到数据

（2）L2 Cache

• L2 cache相对来说是为提供更大的容量而优化的，因此比L1更便宜、省电，容量更大

• 虽然L1和L2往往都是SRAM，但构成存储单元的晶体管并不一样

• L1是为了更快的速度访问而优化过的，它用了更多/更复杂/更大的晶体管，从而更加昂贵和更加耗电

• L2相对来说是为提供更大的容量优化的，用了更少/更简单的晶体管，从而相对便宜和省电

• L2通常是256KB-2MB大小，一般从L2开始指令和数据就不分开了，可以在10-20个时钟周期内取到数据

  
  

（3）L3 Cache

• 三级缓存，位于L2和主存之间，大小通常为8-80MB，20-50个时钟周期的访问时间

• 在有一些CPU设计中，也会用DRAM实现大容量的L3 cache

备注：这里所说的时钟周期都是指的CPU的时钟周期。一般L2和L3的工作时钟频率要比CPU的低，这个时钟周期是折算后的数值。

RAM

随机访问存储器（RAM，Random Access Memory），通常也称为主存储器，是内存中最重要的一种，既可以读取数据，也可以写入数据，但是当机器掉电时，数据就会丢失。RAM根据信息存储的机理不同可以分为SRAM和DRAM。

（1）SRAM

静态随机访问存储器（SRAM，Static RAM），半导体存储器，存取速度比DRAM快，是目前读写速度最快的存储设备。

• SRAM存储单元由基于晶体管的触发器电路组成，通过电流在电路中一对相反的门电路上双向切换来保存数据

• 不需要刷新电路保存数据，只要电源不被切断，数据存入后不会消失

• 集成度比较低，不适合做容量大的内存，相同容量成本比DRAM高的多

• 主要用于CPU内部的一级缓存（L1 Cache）以及二级（L2）缓存

• 通过三组信号线与外部打交道：地址线、数据线、控制线，一般行列地址不复用

  
  

（2）DRAM

动态随机访问存储器（DRAM，Dynamic RAM），同样属于半导体存储器。由于栅极会漏电，所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷，并且每读出一次数据之后也需要补充电荷，这个就叫动态刷新，所以称其为动态随机存储器。

• DRAM存储单元是具有电容器的电路，电容以存储电荷的方式存储数据（有电荷代表1，无电荷代表0）

• 电容无法保存电荷（数据），因此需要对电容定期进行一次刷新动作（若电量大于满电量的1／2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1／2，则认为其代表0，并把电容放电），来保持数据的连续性

• DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM相对慢一些，不过还是比任何的ROM都要快

• 由于只使用一个MOS管来存信息，所以集成度很高，容量能够做的很大

• 支持行列地址复用，从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多

• DRAM分为很多种，常见的主要有SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM、MDRAM、EDRAM、FRAM等

下面将介绍两种常见的DRAM：SDRAM、DDR（DDR SDRAM）。

SDRAM

同步动态随机存储器（SDRAM，Synchronous DRAM），比DRAM多了一个时钟同步，即数据的读写需要时钟来同步。同步是指其时钟频率和CPU前端总线的系统时钟相同，并且内部命令的发送与数据的传输都以它为基准。

• 存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失

• 其存储单元不是按线性排列的，是分页的，因此数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写

• DRAM和SDRAM容量较SRAM大，但是读写速度不如SRAM

• 一般的嵌入式产品里面的内存都是用的SDRAM

DDR

双倍数据速率同步随机存储器（DDR-SDRAM，Double Data Rate SDRAM），DDR是一种技术，使用了DDR技术的SDRAM是常见的计算机内存类型，用于存储数据和指令。

• 可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了

• 广泛应用于个人电脑、服务器和其他计算设备中，很多高端的显卡上，也配备了高速DDR来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力

• DDR分类主要根据其数据传输速率和代号来进行区分

• DDR1：DDR1是第一代DDR内存，数据传输速率相对于传统的SDRAM有所提升。它的数据传输速率相对较低，通常在200MHz到400MHz之间。DDR1内存模块有184个引脚。DDR1内存的代号通常以PC开头，如PC1600、PC2100等。

• DDR2：DDR2是第二代DDR内存，相比DDR1有更高的数据传输速率和更低的功耗。通常在400MHz到1066MHz之间。DDR2内存模块有240个引脚。如PC2-3200、PC2-5300等。

• DDR3：DDR3是第三代DDR内存，它的数据传输速率更高，通常在800MHz到2133MHz之间。DDR3内存模块有240个引脚。如PC3-8500、PC3-12800等。

• DDR4：DDR4是第四代DDR内存，相比DDR3，它的数据传输速率更高，通常在2133MHz到3200MHz之间。DDR4内存模块有288个引脚。如PC4-17000、PC4-24000等。

• DDR5：DDR5是最新一代的DDR内存，通常在3200MHz以上。DDR5内存模块有288个引脚。如PC5-3200、PC5-6400等。

ROM

只读存储器（ROM，Read Only Memory），一般只能用于数据的读取，不能写入，主要用于保存嵌入式系统中的永久性数据。通常不由系统主电源直接供电，而是由独立的小型板级电池供电。传统的ROM具备以下特点：

• 一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺一次性制造，其中的代码与数据将永久保存(除非坏掉)，掉电不丢失，不能进行修改

• 一般在大批量生产时才会使用

• 优点是成本低，但风险比较大，产品设计时，如果调试不彻底，很容易造成几千片的废片 

（1）PROM

可编程只读存储器（PROM，Programmable Red-Only Memory），产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)

• PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0

• 部分的PROM在出厂时数据全为0，则用户可以将其中的部分单元写入1， 以实现对其“编程”的目的

• PROM的典型产品是“双极性熔丝结构“，如果我们想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流并维持一定的时间，原先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果

• 另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，还是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可

（2）EPROM

可擦写可编程只读存储器（EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory）由MOS管组成， 可将高强度的短波紫外线照射进其内建透明窗口，从而实现数据擦除并进行多次编程。

• 特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程

• 缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间

• 这一类芯片特别容易识别，其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住， 以防止遭到阳光直射

（3）EEPROM

电可擦除可编程只读存储器（EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）同EPROM一样，也可以多次擦除和重编程。

• 最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入

• 擦除和重写是在字节（Byte）级别进行的
  

• 缺点是价格很高，写入时间长，写入速度慢

EEPROM不能取代RAM的原因是其工艺复杂， 耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。

（4）Flash Memory

闪存也是一种非易失性的内存（NVM），属于EEPROM的改进产品，综合了RAM和ROM的优势，即不会断电丢失数据，同时还可以快速读取数据（NVRAM的优势）。

• 用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码

• 最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家产品规格不同)， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节

• 广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级，另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而Flash做不到

目前Flash主要被分成两类：NOR Flash和NAND Flash。

Nor Flash

NOR型闪存，由Intel于1988年首次开发，以编码应用为主，其功能多与运算相关，读写数据时不容易出错。

• 采用并行接口，有独立的地址线和数据线

• 芯片内执行，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

• 成本相对较高，容量较小，常见有128KB，256KB，1MB，2MB等
  

NAND Flash

NAND型闪存，由东芝发表于1989年，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级，主要功能是存储资料，如数码相机中所用的记忆卡。

• 采用串行接口，地址线和数据线是共用的I/O线，类似电脑硬盘

• CPU从里面读取数据的速度很慢，所以一般用NAND做闪存的话就必须把NAND里面的数据先读到内存里面，然后CPU才能够执行

• 无法寻址和直接运行程序，只能存储数据

• NAND FLASH非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法

• 成本相对较低，容量较大，常见有1GB，2GB甚至8GB等

  
  

eMMC

嵌入式多媒体卡（eMMC，embedded MultiMediaCard）是一种嵌入式、非易失的存储系统，主要由闪存（一般是Nand Flash）、闪存控制器（对内部的Nand Flash进行操作和管理）和eMMC协议接口等组成（如下图所示），以BGA的形式封装在一起。

• 目前eMMC的版本包括：eMMC 5.1/5.0/4.5/4.41，版本越高，支持更高的时钟频率（200MHz max）和更快的数据传输速度（400MB/s Max）

• eMMC只能由主机发起操作（主机为CPU的外设，由CPU进行配置操作），主机与eMMC之间通过命令交互

• 采用8位（bit）并行接口，eMMC和主机之间只能进行半双工通信