嵌入式存储器基础知识：EEPROM、FRAM、eMMC 和 SD 卡之对比

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 DigiKey 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。