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一文了解各种存储器类型的特性与应用(嵌入式基础知识)

2020-9-14 15:30:26 显示全部楼层
EEPROM、FRAM、eMMC 和 SD 卡之对比                         
作者:Jacob Beningo/Digi-Key

对于所有基于微控制器的嵌入式系统而言,存储器都是其中的主要元件。例如,开发人员需要足够的 RAM 以存储所有易失性变量、创建缓冲区以及管理各种应用堆栈。RAM 对于嵌入式系统相当重要,同样,开发人员也需要一定空间用于存储应用代码、非易失性数据和配置信息。
然而,问题在于非易失性存储器技术不断扩展,选择众多,使选择适合应用的存储器颇具挑战性。
本文对各种存储器技术进行了介绍,并以 ON Semiconductor、Adesto Technologies、Renesas、ISSI、Cypress Semiconductor、Advantech、GigaDevice Semiconductor 和 Silicon Motion 等供应商推出的产品为例,帮助开发人员了解各种存储器类型的特性。此外,本文还探讨了各种类型存储器的最佳应用,以便开发人员有效使用。

嵌入式系统中的 EEPROM 和 FRAM

EEPROM 往往是开发人员最先、最常考虑用于嵌入式系统的存储器件。在嵌入式应用中,这类非易失性存储器通常用于存储系统配置参数。例如,连接至 CAN 总线网络的设备可能会将 CAN ID 存储于 EEPROM。
EEPROM 的以下特性使其成为嵌入式系统开发人员的理想之选:
  • 小封装尺寸
  • 相对实惠的价格
  • 100 kbps 至 1000 kbps 的典型比特率范围
  • 标准化电气接口
  • 通常支持 I2C 和 SPI 接口
目前,在 Digi-Key 网站上快速搜索 EEPROM 可以发现,共有 9 家 EEPROM 供应商提供的 5,800 多款 EEPROM。例如,ON Semiconductor 的 CAT24C32WI-GT3 是一款 32 Kb (4 KB) EEPROM 器件,采用 8 引脚 SOIC 封装,连接 I2C 总线时速度可达 1 MHz(图 1)。
图 1:ON Semiconductor 的 CAT24C32WI-GT3 是一款 1 Kb 的 EEPROM,可通过 I2C 或 SPI 端口连接微控制器以存储配置和应用数据。(图片来源:ON Semiconductor)
值得注意的是,某些微控制器中也包含 EEPROM。例如,Renesas 的 R7FS128783A01CFM#AA1 32 位微控制器,具有 4 KB 板载 EEPROM 可供开发人员使用。
因此,配置需求不能超过 4 KB,否则,开发人员就需要使用外部存储器件,或使用微控制器的闪存来模拟 EEPROM 以扩展容量。
尽管 EEPROM 深受青睐,却也存在一些潜在缺陷:
  • 擦/写操作寿命通常为 1,000,000 次
  • 写周期约为 500 ns
  • 写入单个数据单元需要多条指令
  • 数据保存期为 10 年以上(近期的产品可达 100 年以上)
  • 易受辐射和高工作温度影响
EEPROM 适合的应用众多,但对于汽车、医疗或航天系统等可靠性要求较高的应用,开发人员则希望使用 FRAM 等更可靠的存储器解决方案。
FRAM 是“铁电随机存取存储器”的缩写,相较于 EEPROM 存储器,颇具优势:
  • 速度更快(写周期小于 50 ns)
  • 写操作寿命更长(高达 1 万亿次,EEPROM 仅为 100 万次)
  • 功率较低(工作电压只需 1.5 V)
  • 辐射耐受性更强
FRAM 的存储容量与 EEPROM 相当。例如,Cypress Semiconductor 的 FRAM 系列容量范围从 4 Kb 至 4 Mb。其中,FM25L16B-GTR 容量为 16 Kb(图 2)。该器件采用 8 引脚 SOIC 封装,工作频率可达 20 MHz。
图 2:Cypress 的 FRAM 系列存储器容量从 4 Kb 至 4 Mb 不等,可通过 SPI 连接微控制器以存储配置和应用数据。FM25L16B-GTR(如图所示)的工作频率可达 20 MHz。(图片来源:Cypress Semiconductor)
针对高端产品,Cypress Semiconductor 推出 CY15B104Q-LHXIT,容量为 4 Mb,支持的接口速度高达 40 MHz(图 3)。这款 FRAM 存储器具有以下特性:
  • 151 年数据保存期
  • 100 万亿次读/写
  • 直接替代串行闪存和 EEPROM
正如您所猜想,FRAM 的价格比 EEPROM 昂贵,因此选择适合应用的存储器时,务必仔细权衡器件的各种工作环境因素。
图 3:CY15B104Q-LHXIT 是一款 4 Mb 器件,工作频率可达 40 MHz。该器件所属的 Cypress FRAM 系列产品,容量范围从 4 Kb 至 4 Mb。(图片来源:Cypress Semiconductor)
嵌入式系统中的闪存、eMMC 和 SD 卡
嵌入式系统中的闪存具有多种不同用途。首先,外部闪存可用于扩展内部闪存,从而增加应用代码的可用存储器空间。常用解决方法是:使用 GigaDevice Semiconductor 的 GD25Q80CTIGR 等 SPI 闪存模块(图 4)。如果微控制器支持 SPI 接口,则可通过该接口使用 GD25Q80CTIGR 将内部存储器扩展 8 Mb。
图 4:使用 GigaDevice Semiconductor Limited 的 GD25Q80CTIR 闪存,可通过 SPI 端口将内部闪存空间扩展 8 Mb。(图片来源:GigaDevice Semiconductor Limited)
其次,外部闪存可用于存储配置信息或应用数据,而非使用 EEPROM 或 FRAM。为了降低 BOM 成本或扩展内部存储器以存储应用数据,可以改用外部闪存芯片。微控制器外设和存储器映射可以配置为加入该外部闪存,以便开发人员能够更轻松地进行访问,而无需专门对所需的驱动程序进行自定义调用,来连接 EEPROM 或 FRAM。
Adesto Technologies 的 AT25SF161 是一款适用于该用途的外部闪存器件范例(图 5)。该器件使用队列式 SPI (QSPI) 接口。QSPI 是对常规 SPI 协议的扩展,提高了系统数据吞吐量。对于单一事务需要存储或检索大量数据的应用,开发人员可留意这类器件。
QSPI 免除了 CPU 对 QSPI 外设的干预,并将接口由标准的 4 引脚(MOSI、MISO、CLK 和 CS)变更为 6 引脚(CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3)。因此,其中 4 个引脚可用于输入和输出,而传统 SPI 只用 2 个引脚。
图 5:Adesto Technologies 的 AT25SF161 外部闪存器件可用于扩展内部闪存,具有 QSPI 接口,可实现更快的数据存储和检索。(图片来源:Adesto Technologies)
最后,闪存可用于存储应用数据和有效载荷信息。例如,GPS 系统往往不会试图将所有 GPS 地图存储于本地处理器,而是使用 SD 卡或 eMMC 器件等外部存储器件。这些存储介质可通过 SPI 或专用 SDIO 接口连接微控制器,从而有效连接外部存储器件。
例如,ISSI 推出的 IS21ES04G-JCLI eMMC 可直接连接微控制器的 SDIO 接口,为其扩展 32 Gb 的闪存(图 6)。
图 6:ISSI 的 eMMC 闪存模块存储器容量达 32 Gb,可通过 SPI 或 SDIO 连接主机。(图片来源:ISSI)
就电气接口而言,SD 卡与 eMMC 器件别无二致。换言之,二者虽采用不同的封装,但都具有通用引脚可用于连接微控制器。不过,这两种存储器类型却截然不同。相较于 SD 卡,eMMC 通常具有以下差异:
  • 更坚固耐用,不易出现物理损坏
  • 交互更快
  • 价格更昂贵
  • 须焊接至电路板,不可拆卸
如果用户无需拆卸存储器,那么使用 eMMC 可以提供更可靠的解决方案,但仍取决于最终应用。无论哪种情况下,开发人员都需要仔细选择存储器,因为每款存储器的特性各不相同。
例如,车载子系统可能要求存储器经过可靠性验证,标准往往高于标准闪存器件。在这种情况下,开发人员需要选择通过汽车级鉴定的存储器,例如 Silicon Motion 的 SM668GE4-AC 4 GB eMMC 模块。
选购 SD 卡时,开发人员必须慎重考虑,因为与 eMMC 一样,每款 SD 卡的特性各不相同。开发人员需仔细检查存储卡的速度等级和工作温度。例如,多数 SD 卡的额定温度范围为 0 至 70 ℃,适用于消费类电子产品。
此外,每款存储卡都具有相关速度等级,用于描述预期最大接口速度。例如,在需要存储图像的应用中,使用 Class 2 存储卡则速度较慢,远不如专为高清视频设计的 Class 10 存储卡,例如 Advantech 推出的 SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4 GB microSD 卡。
图 7:Advantech 的 SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash microSD 卡存储器容量达 4 GB,速度等级为高端 Class 10。(图片来源:Advantech Corp)
存储器选择技巧与诀窍为嵌入式产品选择合适的存储器类型和接口颇具挑战性。选择适合应用的存储器时,开发人员可以参考以下“技巧与诀窍”:
  • 明确存储器工作条件,例如:
    • 预期擦/写次数
    • 温度、振动和辐射等环境条件和因素
    • 数据加载要求
       
  • 记录应用中存储器正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率
  • 选择最接近记录中所需比特率的存储器接口类型
  • 对于汽车或航天系统等恶劣环境条件,须选择通过汽车级鉴定或辐射耐受性较强的存储器
  • 使用分线板将所选存储器件连接至微控制器开发套件以测试其性能
上述技巧有助于确保开发人员找到适合嵌入式应用的存储器。

总结
如今,可供开发人员选择的非易失性存储器件种类繁多,可用于存储各种数据,从应用代码到配置信息,不一而足。如上所述,开发人员需仔细评估应用需求,慎重选择存储器类型和接口,以期取得这些需求与成本之间的平衡。
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