嵌入式开发人员，那些SRAM、SDRAM等存储手艺，需要领会

如今嵌入式处置器中的RAM内存类型次要为SRAM与SDRAM，微型处置器如Cortex-M内核系列MCU的RAM根本上是内置的，以SRAM为主，容量大小根本上为几K至几百K级别；而基于Cortex-A内核系列处置器，应用RAM需要外置，根本上接纳SDRAM类型外部存储器，容量根本上到达几百M级别；而关于处置才能更强的电脑CPU，其内存以SRAM加SDRAM连系的体例，SRAM做为cache缓存（是CPU与SDRAM的中继），而SDRAM做为外部大容量的内存（如通用的DDR内存条）。

现代RAM存储手艺是在半导体手艺创造，出格是晶体管与MOS管创造下的产品，而在半导体手艺创造前，信息的存储手艺履历过多个开展阶段，早期前言记录（如纸张）、穿孔卡片、电子管手艺、磁手艺、半导体手艺等，见下表：

一、早期前言记录

人类在通过前言记录信息前，都是通过大脑记录信息，然后通过回忆来复原所需要的信息（人脑就是内存和硬盘），但是人脑容易遗忘，于是原始社会人类便起头了对信息存储的摸索和利用，好比下面就是早期常用的记录体例：

1、结绳记事的办法。

2、雕琢的办法，将信息记录在石头、龟甲等坚硬的物体外表保留信息。例如：万年前的史前洞窟壁画，公元前1300年前商朝的甲骨文，及春秋战国期间的竹简等。

3、古代帛书 ，西汉初期（公元前202年）造纸术的创造及东汉（105年）蔡伦对造纸术的改良，使得信息记录、传布和传承有了革命性的前进，那也极大促进了人类文明和文化传布。

公元四世纪，造纸术传到了高丽（今朝鲜）；

公元610年，造纸术传到日本；

公元10世纪，造纸手艺传到了阿拉伯地域，如如今叙利亚的大马士革、埃及的开罗和摩洛哥；

欧洲人是通过阿拉伯人领会造纸手艺的：

公元1150年，阿拉伯人将造纸术传到了西班牙；

公元1276年，意大利也有了造纸手艺；

公元1348年，法国巴黎也成立了造纸厂；

公元14世纪，德国通过法国得到了造纸手艺；

公元15世纪，英国因为与欧洲大陆有一海之隔，晚些才有造纸厂；

公元1573年，瑞典成立了最早的造纸厂；

公元1635年，丹麦也起头造纸；

公元1690年，挪威成立奥斯陆造纸厂；

到了17世纪欧洲各次要国度都有了本身的造纸业。

公元1690年，美国在独立之前，才在费城附近成立了第一家造纸厂。

二、穿孔卡片

纸的创造使得汗青信息可以被记录而且被传承，有了纸才有后面的穿孔卡片手艺。跟着18世纪工业革命的倡议，机械化消费起头取代了人类手工操做，穿孔纸片/卡片就是那时候起头呈现的，其操纵在纸张上打上小孔，来控造“法式化”的织机和其他工业机器。

穿孔纸片的思绪来源于织布机的原理，织布机是由两条以上彼此垂曲的丝线，在织机上根据必然规律彼此交错而构成的织物，纵向的纱线叫经纱，横向的纱线叫纬纱。

在织机上，经纱在经轴上逐根摆列，按照织物纹样的要求，部门经纱被抬起，另一部门经纱则连结不动 构成织口，纬纱从织口中引入，经纱抬起的规律差别以及纱线颜色的摆列变革，就会给织物带来差别的纹样。

基于此，穿孔纸带手艺起首起头应用于纺织行业，后面逐步应用于电报及电脑行业，如下所示：

1725年，法国人布乔（Basile Bouchon）创造了穿孔卡，用于控造纺织机绘造图案；

1801年，Joseph Marie Jacquard将那种设想的打孔卡根据必然挨次绑缚，应用于提花织机；

1846年，Alexander Bain创造了传实机和电传电报机，也利用了穿孔纸带来暗示指令，纸带上每一行代表一个字符，操纵二进造编码：带孔为1，无孔为0，颠末光电扫描输入电脑，如下图：

1890年，穿孔卡片由一位结业于哥伦比亚大学的年轻人 赫尔曼·霍尔瑞斯 （Herman Hollerith）普遍应用于生齿普查中的数据存储。

在 生齿普查中的穿孔卡片，一张卡片记录一个居民的信息，包罗国籍、人种、性别、生日等；好比在卡片上用了两个孔位，暗示男性就在此中一处打孔，暗示女性就在另一处打孔，暗示12个月就是12个孔位，那就是早期穿孔卡片记录信息的办法，该办法固然如今看起来很傻，但是那些在其时能够被机器识此外卡片是一个庞大的打破。通过穿孔有无来暗示信息，也是现代计算机二进造1、0来暗示数据的雏形。

1896 年前，霍尔瑞斯成立造表机公司，专注于穿孔卡片的改良与开展；1911 年，造表机公司与别的 3 家公司合并成立 CTR 公司；1924 年，CTR 改名为 国际贸易机器公司（International Business Machines Corporation），就是如今大名鼎鼎的 IBM 公司。

IBM公司在1928年创造的12行80列的穿孔卡片，在其时成为信息记录的支流，出格是用于记录法式代码，每张卡片记录一行代码，如下图所示（黑色框暗示已打孔）：

上图所示为12*80穿孔卡片，从上往下别离分为第12行，第11行，第10行（或者第0行），第1,2,...,9行；此中红色方框的数字1-80暗示80个列号。

如许一张的穿孔卡片能够暗示一行代码，每一列暗示一个数字或字母，一张卡片能够暗示80个数字或字母，规则如下：

举例申明，仍是以上图所示取5列申明每一列所代表的字母，如下图所示：

a.红色圈1是第2列，因为第12、11、10行没有打孔，只要第1行打黑色孔，代表数字1；

b.红色圈2是第3列，因为第12、11、10行没有打孔，只要第2行打黑色孔，代表数字2；

b.红色圈3是第7列，因为第11行打孔，第7也打孔，按照编码规则2，暗示字母P;

c.红色圈4是第9列，因为第12行打孔，第6也打孔，按照编码规则1，暗示字母F;

d.红色圈5是第18列，因为第10行打孔，第3也打孔，按照编码规则3，暗示字母T;

再举例一个，如下图所示，第1列至第36列的黑色打孔点，按照如上编码规则，别离暗示数字0到9，字母A到Z，共36个数字和字母。

穿孔卡片在其时应用十分普遍，20世纪初的IBM计算机，如IBM701就是利用穿孔卡片来保留法式数据，但阿谁年代的编程并非手动在那些卡片上打孔，有个叫键盘打孔器（keypunch）的设备能够专门用来打孔，键盘上输入1, 就在当前列的第1行打一个孔，然后到下一列。负责用键盘打孔器打孔的操做员凡是是女性，所以编程整体流程上是：

二、磁存储器

操纵穿孔卡形式的机械存储，信息的读取和写入，都依赖于纸带上孔的设想。跟着电磁学的开展，从机械主动化逐渐开展到电气主动化。存储核心是操纵两个形态二进造来表征数据信息。磁性质料，操纵磁矩的取向，也能够实现两态，从而替代机械打孔。而且表征每个形态的体积相关于机械孔而言，能够做到更小，从而能够实现更高的存储密度。后续呈现的磁带存储手艺，必然水平上还保留着打孔卡设想的影子。

磁性质料做为存储介量的存储类型有良多，包罗有磁带、磁鼓、磁芯、磁阻、以及后面应用于计算机的磁盘等等。

2.1、磁带存储

1928年，德国德雷斯诺工程师Fritz Pfleumer 创造了“会发声的纸”——灌音磁带。其根本工做原理是：将破坏的磁性颗粒用胶水粘在纸条上，造备成磁带。磁带在挪动过程中，跟着音频信号强弱，磁带被磁化水平也会发作变革，从而记录声音。操纵该纸带能够存储模仿信号，那是操纵磁性做为信息存储的最早记录。

1951年，磁带起头普遍用于计算机。

2.2、磁鼓存储器

1932年，IBM公司的奥天时裔工程师Gustav Tauschek创造了磁鼓存储器；它是操纵铝鼓筒外表涂覆的磁性质料来存储数据的，因为鼓筒扭转速度很高，因而加快了存取速度。曲到1953年，磁鼓存储器才起头应用于IBM701计算机，做为内存储器。

2.3、磁芯存储器

1948年，华裔王安创造了磁芯存储器，最后的磁芯存储器只要几百个字节的容量。

1.磁芯存储器的写入原理是：一个铁氧体磁芯中间穿过一根导线，当导线中的电流向下时，按照右手螺旋法例产生了顺时针标的目的的磁场。反之，电流向上时则会产生逆时针标的目的的磁场。那里，能够把顺时针的磁场记做0。假设磁芯中已经记录了0，只要反向电流够大，就能够擦除掉那个0从头写入1。

2. 磁芯存储器的读出原理是：假设我们不晓得某个磁芯中存储的是什么数据，那就强行向此中写入“0”。若是磁芯中记载的是1，电流会强迫写入逆向的磁场，同时激发出一个感应电流。操纵一根感应线路，就能够探测到那个感应电流。若是磁芯原来就记载着0，就不会产生电流。要想让磁芯存储数据，需要立即停止从头写入。

磁芯搭建内存需要将磁性排布成阵列，早期的线选法凡是和3度4线法（3D4W）共同，它需要利用四根线路。别离是互相垂曲的x、y线（也能够叫行、列），制止线z线，还有读取线，每颗磁芯城市同时穿过4根导线。读取线呈45°穿过所有磁芯的读取线，那种摆列体例是为了尽可能削减干扰。写入数据时，在响应的x和y线上别离加载一半功率脉冲。如许只要在两条线重合点处的磁芯受叠加脉冲影响记录数据。读出时则如上文所述，强行写入数据1，若是读出线产生了感应脉冲，申明那颗磁芯本来记载为0，若是没有感应脉冲，申明本来记载的为1。读取历程完毕后，若是本来记载为0时，因为读取时写入了1，需要停止重写历程，强行写回数据0。

下图为由磁芯板构成的磁芯阵列：

在50年代到70年代之间，磁芯存储器根本统治着内存范畴。因为磁性存储器的存储速度上限为10MHz，在高存储容量时体积无法做小，且容易干扰，最末为磁性存储器的开展画上句号的是1970年创造的集成电路随机存储器件（SDRAM）。

2.4、硬盘（磁盘）存储器

1956年，IBM完成了世界上的第一款硬盘设想。那款名为IBM350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）的硬盘产物体积非常庞大，总共利用了50张24英寸的碟片，但容量仅为5MB。磁盘两面都能够操纵存储，操纵率要高于磁鼓。因而，当磁盘呈现后，磁鼓就被裁减了。

后面，跟着手艺的开展，磁盘做为计算机的次要存储介量，容量越来越大，体积反而越来越小。

三、其他类型存储器

为了数据存储，人们费尽了心血，几乎所有能操纵的物理现象，电、光、声、磁都被摸索过来，除了上面介绍的磁性质料外，还有许多其他的存储介量，如基于电子管的威廉姆斯管，基于水银延迟线的易失性存储器等。

3.1、电子管-威廉姆斯管

1946年，基于威廉姆斯管的内存是由弗雷迪·威廉姆斯（Freddie Williams）与汤姆·基尔伯恩(Tom Kilburn）创造的，它是一种由阴极射线管(CRT)构成的贮存安装。工做原理是一股电子射到CRT外表上，它会主动创建一个正电荷，那代表了一个位的数据，因为电荷流失有时限性，因而，数据必需按期刷新。威廉姆斯kilburn管则要求高精度的光束控造手艺，那使他们温度敏感和更容易失效。那些设备的存储才能可达1024位，IBM 701计算机就利用过。

电子管因为功耗大，效率低，不变性差，不容易于集成，后续完全被磁芯存储器给替代。

3.2、水银延迟线存储器

它是操纵声音在水银介量上传输的时延来贮存信息。举例，将一块石头掷入水中，构成海浪，波头颠末一段时间才气传布到远方某处，在那一段时间的海浪用于存储信息，水银延迟线的就是操纵那个工做原理。

1951年，计算机UNIVAC-1利用的水银延迟线是一根曲径10mm、长150cm的管子，内部充满水银，两头各有一个转换器别离停止电-声转换和声-电转换，如许，脉冲信号从管子的一端进入，转换成超声波，960ms后超声波抵达管子的另一端，然后再转换成电信号输出。

不外，要实现存储功用，还需要一些额外的电路：经调造的脉冲信号从管子的一端进入，960ms后从管子的另一端输出，由变更器领受后，经检测、放大、整形和再生，从头反应到发送端。一个延迟线电路称做一个通道（channel），每个通道可存储10个91位的字，UNIVAC系统中共有100个如许的通道，能够存储99Kb的信息。

总之，在半导体手艺之前，主存储器（即内存）有磁心存储器、水银延迟线存储器、电子管静电存储器等类型，磁鼓和磁盘用做次要的辅助存储器（即硬盘）。

在半导体手艺呈现后，主存储器起头接纳SRAM/SDRAM（即内存），磁盘/ROM/FLASH起头用做次要的辅助存储器（即硬盘）。

四、半导体存储器

上世纪60年代，跟着晶体管与CMOS手艺的创造，及集成电路的开展，半导体存储器起头应用开展，除了呈现了ROM存储外，RAM内存手艺也同时开展，次要分为两个标的目的：SRAM与SDRAM。它们的区别次要在于存储单位的原理差别，如下图所示：

此中SRAM利用六个晶体管电路和锁存器存储一个bit，若是系统通电，SRAM会保留存储的数据而无需反复充电，但是掉电SRAM则数据丧失，因而是易失性存储器；而SDRAM利用一个晶体管另加一个电容器来存储一个bit，因为电容器不成制止地存在漏电现象，因而SDRAM每个单位必需周期性地停止刷新(预充电)，同样DRAM也是易失性的。

因为以上存储单位构造的差别，它们的次要区别是SRAM拜候速度更快，但是成本更高，而SDRAM存储密度更高，而且成本低；因而SRAM一般是小容量，好比几个KB~几个MB之间大小，次要用于CPU的缓存cache或MCU的内部RAM；而SDRAM容量比力大，好比几个MB~几百个MB以至几个GB大小，次要用于CPU的内存条或ARM等芯片的外置RAM。

4.1、SRAM

SRAM能够随机的读取肆意一个地址空间内的数据，因而其接纳的地址线与数据线别离的接口体例，好比以IS62WV51216那颗SRAM芯片为例简单介绍其接口与工做时序。

该芯片是一颗16位数据宽度，1MB大小的SRAM，芯片的内部框图图下图所示：

各个相关引脚的功用描述如下表所示：

1、地址线为A0~A18，共19根地址线，因而能够拜候的地址大小就是，2^19=524288=512KB,因为其数据总线为16bit，因而每个地址能够输出2个字节数据，所以容量为512KB*2=1MB。

2、数据线为I/O0~I/O15，共16个数据线，通过UB/LB能够选择高/低字节。

3、CS1/CS2为片选信号，低电平有效。

4、OE是输出使能信号（即读信号），低电平有效。

5、WE是写使能信号，也是低电平有效。

读数据时序图（详细可参考IS62WV数据手册）：

写数据时序图：

4.2、DRAM

DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，不然内部的数据即会消逝。而SDRAM是Synchronous DRAM，在DRAM的根底上增加同步时钟，如许CPU能够准确的晓得数据的读写时间。

DRAM颠末多年的开展，大致履历过几个演进过程，早期利用的通俗内存，利用的是FPA DRAM（FAST PAGE MODE DRAM），即快速页面形式随机存取存储器，它是每三个脉冲周期传送一次数据；然后EDO DRAM（ EXTENDED DATA OUT DRAM），即扩展数据输出随机存取存储器，它是每二个脉冲周期传送一次数据，比FPA DRAM数据速度进步了30%；跟着SDRAM的呈现，它是每一个脉冲周期传送一次数据，又比EDO DRAM进步了50%，后面渐渐呈现了DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、DDR4 SDRAM，目前最新的为DDR5 SDRAM。

每一代的SDRAM内存晋级，速度都翻倍提拔，而工做电压越来越低，同时跟着造造工艺的改良，存储容量也不竭提拔。目前动态存储器次要以SDRAM为主，在嵌入式MCU中，次要是外置SDRAM芯片来扩展内存，因为MCU内部的SRAM凡是比力小；而在嵌入式ARM Cortex A系列处置器，其内部凡是没有RAM供用户利用的，因而一般利用DDR-DDR3做为外置SDRAM；关于电脑处置器CPU而言，目前次要利用的是DDR4和DDR5。

在2008年前后，跟着智妙手机的鼓起，面向挪动电子产物的SDRAM应运而生，如LPDDR，即（Low Power Double Data Rate SDRAM），是DDR SDRAM的一种，又称为 mDDR(Mobile DDR SDRAM),是美国JEDEC固态手艺协会（JEDEC Solid State Technology Association）面向低功耗内存而造定的通信尺度，以低功耗和小体积著称。

LPDDR应用与手机和平板电脑中，工做电压1.1V，LPDDR5的I/O速度可到达6400MT/s，目前最新的小米11手机等都应用了LPDDR5内存，更高容量可达16GB。

4.2.1、SDRAM芯片

在嵌入式Cortex-M内核开发时，若是需要扩展大容量的内存，能够外挂一片SDRAM，以华邦W9825G6KH为例申明接口与时序。

W9825G6KH是一款16位宽，32MB的SDRAM，速度一般为133MHz、166MHz、200MHz。其内部框图如下：

其每个引脚功用描述如下表所示：

此中：

1、CLK就是SDRAM的同步时钟信号，CLE为时钟信号的使能线；CS为片选信号；

2、SDRAM与SRAM差别，其地址线与数据线共用，如上A0~A15，而地址选通有分为行选通信号RAS，及列选通信号CAS，通过行、列地址来指定读写的位置；

3、地址线A0~A12中，W9825G6KH芯片中行地址利用了A0~A12，共13位；列地址利用了A0~A8共8位；因而可寻址范畴为：(2^9)*(2^13)=4194304=4MB；而数据总线宽度为16位，因而每个BANK的大小为4MB*2=8MB；因为该芯片能够通过BS1/BS0来选择4个BANK，每个BANK容量为8MB，因而总容量为8MB*4=32MB。

4、LDQM/UDQM也是其用于选择低/高字节使能信号。

4.2.2、DDR芯片

在嵌入式Cortex-A内核开发时，一般需要外置SDRAM，好比DDRx内存，如今以NT5CC256M16EP为例申明DDR3内存的接口功用。

该芯片是一款容量512MB大小，16位宽，1.35V，传输速度为1866MT/S的DDR3L芯片，功用款图如下所示：

此中：

1、该DDR3L与之前的SDRAM一致，地址与数据共用总线，通过行信号RAS与列信号CAS停止选通详细位置。同时仍是有CS片选信号及CKE时钟使能信号，但是因为当时钟频次较高，制止干扰影响，时钟接纳的差分信号线CK/CK#，所有控造信号与地址信号均在CK/CK#上升沿与下降沿穿插处被收罗。

2、地址线为A0~A14，共15根地址线，此中用于行地址的为A0~A14，共15根；用于列地址的为A0~A9，共10根；因而一个BANK的大小为(2^10)*(2^15)*2=64MB，因为该芯片有BS2、BS1、BS0可选择8个BANK，所以该DDR3L芯片的容量为64×8=512MB。

3、该芯片也有UDQS/LDQS用于选择高/低字节有效信号。

DDRx在应用前需要设置装备摆设一些关键的时间参数，如下表所示：

a>、tRCD参数

b>、CL参数

c>、AL参数

d>、tRC参数

tRC参数是两个ACTIVE号令，或者ACTIVE号令到REFRESH号令之间的周期，可参考DDR3L数据手册。

e>、tRAS参数

tRAS参数是ACTIVE号令到PRECHARGE号令之间的最小时间，DDR3L数据手册会给出该时间值。

以上DDR3L的读写时序仍是比力复杂，一般MCU或ARM处置器有专门的控造器实现读写操做，好比ARM Cortex-M系列的FMC/FSMC控造器，能够毗连外置的SRAM或SDRAM；而关于ARM Cortex-A系列的MMDC控造器，能够毗连外置的DDRx，软件上只需设置装备摆设响应的存放器即可。