日常生活離不開各類電子產品，我們常見的電子產品通常以電路板作為載體，包含信息采集，信息處理，存儲，執行等功能。

對于工程師來說，比起電路板，說開發板可能更親切一些。由于工程師在研發初期，大都在開發板上驗證功能，可以說開發板是所有電子設備最原始的狀態。開發板與存儲之間有什么樣的關聯呢？

開發板：MCU類VS Linux類 不同的存儲方式

根據處理器類型，開發板一般分為兩類：MCU類和 Linux 類。它們二者的存儲方式還是有很大的差異的。

首先是MCU類開發板，MCU就是工程師口中的單片機，采用MCU的系統一般僅需要簡單的操作或者控制，比如接收按鈕或按鍵的輸入信號，按照事先編好的程序，指揮馬達和LCD的外圍功能電路動作。

下圖就是一個MCU系統的主要組成部分：

可以很明顯的看出來MCU類的開發板它的存儲功能靠內部存儲就足夠了。

內部存儲分為ROM和RAM兩大類，存儲空間大小在幾十到幾百KB不等。如果不運行操作系統和圖形系統，MCU控制指令和代碼就會相對簡單，內部ROM和RAM可以滿足大多數應用的系統存儲要求。

另外一類是Linux類開發板，這類開發板的處理器我們最常見的有Arm Cortex A系列。

目前主流Linux開發板運行的是Linux系統，采用的多是Arm Cortex A系列的處理器。同Windows操作系統一樣，Linux是一種開放源代碼，功能強大、可靠、穩定性強、靈活而且具有極大的伸縮性的操作系統。

從下圖可以看出，Arm Cortex A處理器的內部存儲有96KB的ROM和128KB的RAM。

如果不跑操作系統，做一些簡單的輸入輸出控制，代碼量不多的話，自帶的內部存儲ROM和RAM是夠用的。但是Arm Cortex A處理器的運算資源很強大，通常是使用在嵌入式產品上，嵌入式產品的軟件是需要跑Linux操作系統的。

它的軟件方面主要分為兩大塊：Linux內核和用戶應用程序。如果Linux使用比較輕量級的busybox來做文件系統，使用版本比較低的內核kernel 3.2最終編譯完后，Linux內核鏡像大小在4-10M，最精簡的文件系統就在16M左右，除此之外，用戶另外用戶肯定會在這個系統之上搭建自己的復雜的業務邏輯，要想支撐起比較復雜的用戶應用程序，僅靠處理器的內部存儲空間顯然是不夠的。

大家看看手邊的Linux開發板，不難發現他們都額外增加了獨立的存儲芯片：SDARM和FLASH。

Linux開發板上的外部存儲芯片

典型的Linux開發板，比如大家都很熟悉的樹莓派4，使用的外部存儲芯片就是美光的8GB LPDDR4 SDRAM。

或許有人就疑惑了：為什么是外接存儲芯片，而不是直接在處理器芯片內置大容量Flash和RAM?

原因有很多，比如成本問題。如果單純的加大RAM會占用很多硅片面積，這也會直接導致芯片價格的增加。在同樣的硅片上，占用硅片面積大會使得切割出來的芯片晶圓數量減少。再者，RAM的工藝繁雜，RAM所占硅片的面積大，就會容易產生缺陷，導致芯片的整體良品率下降。

外部存儲芯片如何與處理器進行工作的呢？

把Linux開發板看成一個大工廠，處理器是加工車間，外部的存儲芯片則相當于倉庫。為了提升工廠的產能，一是提高處理器的性能，這樣可以提升加工車間的效率；二是縮短原材料從倉庫到加工車間的時間，中間的臨時小倉庫，堆放目前專門生產的產品的原材料，可以大大縮短制造時間。小倉庫相當于存儲芯片中的DDR SDRAM，大倉庫則相當于存儲芯片中的Flash。

開發板上的DDR SDRAM用來保存用戶程序在運行時使用到的數據。而Flash，負責存儲應用程序等，就如電腦中的硬盤作用。

處理器，DDR SDRAM和Flash之間是如何進行數據傳輸的？

以運行用戶程序為例，程序會以二進制碼的形式存在Flash中。當想要運行某個用戶程序時，處理器會先從Flash中讀取待運行的程序放入DDR中。處理器與DDR實時進行數據傳輸，保證運行的速度。

開發板上的DDR SDRAM用來保存用戶程序在運行時使用到的數據。

以美光的MT41K128M16JT-125 芯片（DDR3芯片）為例，速度可達800MHz的2GB DDR3 SDRAM。DDR3芯片的管腳較為復雜，不過大體上可以分成5類：電源線，時鐘線地址線，數據線，控制線（在不同的容量芯片當中地址線和數據線的數目是變化的）。

下圖的DRAM_ADDR[0:15]，這是16根地址線，讓處理器可以準確的訪問DDR3芯片。然后是DRAM_DATA[0:15]，我們可以看到16位的并行數據線，用于DDR3和處理器之間的數據傳輸。

開發板上的Flash，負責存儲應用程序等，就如電腦中的硬盤作用，直接與處理器相連。

以美光的MT29F2G08ABAEAWP芯片為例，這是一顆Nand Flash芯片雖然有48個管腳，但是實際上使用到的管腳也就十多個，比如有：

復用的數據管腳，用于數據、地址、命令等信息；CLE：命令鎖存使能，在輸入命令之前，先要拉高CLE；ALE：地址鎖存使能，在輸入地址之前，先要拉高ALE；CE#：芯片使能，在操作Nand Flash之前，先要拉低CE#；RE#：讀使能，在讀取數據之前，先要拉低RE#；WE#：寫使能,在寫取數據之前，先要拉低WE#；WP#：寫保護,拉低WP之后，將無法對芯片進行寫操作；R/B#：Ready/Busy Output,平時R/B為高電平狀態，但當NAND進行編程、隨機讀或擦除操作時變為低電平狀態，操作完成后又變為高電平狀態。

處理器與Nand Flash芯片通過8 bit的并行總線進行連接，操作CLE和ALE,可以實現對8個IO管腳的數據類型復用。這樣做有一個好處，就是可以大大簡化的硬件電路的設計，避免了繁瑣的硬件連線。同時，為了加強處理器對Nand Flash讀寫操作的穩定性，圖中CE,R/B和WP三個控制管腳被電阻上拉到高電平。

NAND Flash的操作通過一系列的命令來完成。命令一共分成9大類，包括復位操作、識別操作、配置操作、狀態操作、地址操作、讀操作、寫（編程）操作、擦除操作以及寫回操作。

最先進的DDR5時代已來

工程師們執著于增加電子產品的運行速度及存儲空間，使得開發板上的存儲芯片容量正不斷增加。決定電子設備性能的核心除了處理器之外，存儲芯片的讀取速度也成為一個非常重要的因素。

迄今為止技術上最為先進的 DDR5 ，比上一代DDR4提升至少 85%，已經出現在工程師的手中了。

審核編輯：湯梓紅