EEPROM、FRAM、eMMC、SD卡……嵌入式开发中，存储器应该如何选？

作者：Jacob Beningo

关键词 : 存储器, 选料

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
• 100kbps至1000kbps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32Kb (4KB) EEPROM器件，采用8引脚SOIC封装，连接I²C总线时速度可达1MHz（图1）。

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4KB板载EEPROM可供开发人员使用。

因此，配置需求不能超过4KB，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500ns
• 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50ns）
• 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1.5V）
• 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4Kb至4Mb。其中，FM25L16B-GTR容量为16Kb（图2）。该器件采用8引脚SOIC封装，工作频率可达20MHz。

针对高端产品，Cypress Semiconductor推出CY15B104Q-LHXIT，容量为4Mb，支持的接口速度高达40MHz（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。

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8Mb。

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。

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32Gb的闪存（图6）。

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 4GB 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 4GB microSD卡。

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：

1. 预期擦/写次数
2. 温度、振动和辐射等环境条件和因素
3. 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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