arm 外部存储

ARM外部存储

一、

在ARM架构的微控制器或处理器系统中，外部存储是一种重要的扩展方式，用于增加系统的存储容量，以满足更复杂的应用需求，ARM架构本身采用冯诺依曼架构，指令和数据共享同一存储器空间，无论是内部还是外部存储器，都通过相应的寻址方式进行访问。

二、常见外部存储设备类型

存储设备类型	特点	应用场景
SD卡	大容量、可擦写、便携性好，支持SPI和SDIO等多种通信接口。	常用于需要大量数据存储的场景，如数据记录仪、便携式电子设备等。
NAND Flash	存储容量大、价格相对较低，以页为单位进行数据传输，有特殊的读写操作命令。	适用于对成本敏感且需要较大存储容量的应用，如固态硬盘、U盘等。
NOR Flash	真正的并行地址和数据总线，可直接像ROM一样读取代码，支持XIP（Execute In Place）模式。	常用于代码存储，可直接启动操作系统或应用程序，如一些工业控制领域的固件存储。

三、ARM与外部存储的连接方式

SPI接口

工作原理：SPI是一种同步串行通信接口，由主设备（ARM处理器）发起通信，通过时钟线（SCK）、主输出从输入线（MOSI）、主输入从输出线（MISO）和片选线（CS）与外部存储设备（如SD卡、SPI Flash等）进行数据传输。

优点：简单易用，只需少量引脚即可实现通信，在多种ARM芯片上都有支持，且通信速度可根据需求调整。

缺点：相对并行接口，数据传输速度较慢。

SDIO接口

工作原理：专门用于连接SD卡的接口，遵循SD卡的通信协议，能够实现高速数据传输，ARM处理器通过SDIO接口与SD卡进行通信时，会自动处理SD卡的初始化、读写操作等底层协议。

优点：针对SD卡优化，传输速度快，可实现大容量数据的快速读写，广泛应用于消费类电子设备中。

缺点：并非所有ARM芯片都集成SDIO接口，可能需要外接SDIO控制器芯片。

并行接口（如EMC）

工作原理：在一些高端ARM处理器或微控制器中，配备了外部存储器控制器（EMC），可直接连接并行接口的外部存储设备，如NOR Flash、SRAM等，通过配置EMC的寄存器，设置存储设备的地址范围、读写时序等参数，实现对外部存储设备的访问。

优点：数据传输速度快，可充分发挥外部存储设备的带宽优势，适用于对性能要求较高的应用场景。

缺点：硬件连接相对复杂，需要较多的引脚，且对ARM芯片的资源要求较高。

四、外部存储的读写操作

初始化

对于SD卡，需要通过SPI或SDIO接口发送特定的命令序列进行初始化，包括卡识别、配置操作模式（如SPI模式或SD模式）、设置卡的时钟频率等。

NAND Flash在使用前需要进行初始化，一般包括设置相关的控制寄存器，如时序控制、缓存大小等，同时可能还需要进行坏块扫描和管理，以确保数据的可靠存储。

NOR Flash通常不需要复杂的初始化过程，但可能需要配置其读写时序和地址范围等参数。

读操作

以SD卡为例，在SPI模式下，ARM处理器先通过SPI接口发送读命令和地址信息，然后等待SD卡返回数据，在SDIO模式下，则通过SDIO控制器发送相应的读请求，SD卡将数据返回到指定的缓冲区。

NAND Flash的读操作通常是按页进行的，先发送读命令和页地址，然后等待芯片将数据传输到缓存中，再从缓存中读取数据到ARM处理器的内存中。

NOR Flash的读操作类似于读取ROM，可直接通过地址总线和数据总线读取指定地址的数据。

写操作

SD卡的写操作也是通过SPI或SDIO接口发送写命令、地址和数据，在写入数据之前，可能需要先进行擦除操作，以确保数据的可写性。

NAND Flash的写操作同样按页进行，先将数据写入缓存，然后再发送写命令和页地址，将缓存中的数据写入到芯片中，由于NAND Flash存在擦除次数限制，需要进行磨损均衡管理，以延长芯片的使用寿命。

NOR Flash的写操作相对复杂，一般需要先进行擦除操作，将指定区域擦除为全1状态，然后再写入数据，写入数据时也是按字节或字为单位进行。

五、相关问题与解答

1. 问题：ARM处理器如何判断外部存储设备是否准备好进行读写操作？

解答：对于SD卡，可通过检查其状态寄存器来判断是否准备好，在SPI模式下，发送特定的命令获取SD卡的状态，如果状态位显示空闲且无错误，则表示可以进行读写操作，对于NAND Flash，一般会通过检测其就绪/忙碌引脚（如RB引脚）的电平状态来判断，当该引脚为高电平时表示空闲，可进行读写操作；为低电平时表示忙碌，需等待，NOR Flash通常没有专门的就绪/忙碌引脚，但可通过查询其相关的状态寄存器或根据其读写时序要求，在发送读写命令后等待一定的时间，确保芯片已完成内部操作并准备好接收新的指令。

2. 问题：在ARM系统中使用外部存储设备时，如何提高数据传输的可靠性？

解答：要确保硬件连接的稳定性，包括良好的引脚接触、合适的信号电平匹配等，在软件层面，对于SD卡等存储设备，可使用校验机制，如CRC校验，在数据传输过程中对数据进行校验，接收端验证数据的完整性，若发现错误可要求重新传输，对于NAND Flash，由于其存在坏块，除了在初始化时进行坏块扫描和管理外，在写入数据时可同时写入冗余数据或校验码，以便在读取时进行数据纠错，合理设置读写时序和缓存机制也有助于提高数据传输的可靠性，避免因时序不匹配或缓存溢出等问题导致数据传输错误。

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