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【FLASH、SRAM和DRAM、CISC和RISC、冯诺依曼和哈佛】单片机内存结构的了解

news 来源：原创 2025/6/27 10:58:40

【FLASH、SRAM和DRAM、CISC和RISC、冯诺依曼和哈佛】单片机内存结构的了解

一、单片机概念

单片机：Single-Chip Microcomputer，单片微型计算机，是一种集成电路芯片

1.1RAM里的SRAM和DRAM

SRAM（Static Random Access Memory）和DRAM（Dynamic Random Access Memory）是两种常见的随机访问存储器类型，它们在内部工作原理和应用方面有一些显著的区别。

随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）是计算机中用于临时存储数据和程序的关键组件。它允许数据的快速读写，是CPU直接与之交换数据的主要内部存储器。RAM的特点是易失性，即在断电后数据会丢失，因此它主要用于存储当前正在使用或即将使用的数据和程序。

RAM主要分为两种类型：静态随机存取存储器（Static RAM，简称SRAM）和动态随机存取存储器（Dynamic RAM，简称DRAM）。SRAM的速度较快，成本较高，常用于高速缓冲存储器（Cache）和寄存器中。DRAM则因其结构简单、集成度高、成本较低而被广泛应用于计算机的主存中。DRAM需要定期刷新来保持数据，这是其“动态”特性的由来。

在计算机中，RAM的作用至关重要，它不仅影响着系统的运行速度和性能，还决定了多任务处理的能力。例如，当你打开多个应用程序或在不同程序间切换时，足够的RAM可以确保数据快速加载和流畅切换。随着技术的发展，DRAM的标准也在不断提升，如DDR3 SDRAM和DDR4 SDRAM，后者逐渐成为主流，提供了更高的性能和能效。

总的来说，RAM是计算机存储体系中不可或缺的一部分，它直接影响着计算机的响应速度和多任务处理能力。对于需要进行大量数据处理或运行内存密集型应用程序的用户来说，投资更多的RAM是一个明智的选择。

	静态特性/动态特性	刷新	速度	用途和成本：	功耗
SRAM（Static RAM）	SRAM是静态存储器，这意味着它在没有时钟信号的情况下可以保持存储的数据。	不需要定期刷新，因为数据是存储在触发器中，只要电源保持稳定，数据就会一直保持。	通常比DRAM更快，因为读写操作可以直接在存储单元之间进行，而不需要刷新周期或者访问电容。	通常用于需要快速访问速度和不需要大容量的应用，例如缓存内存。	功耗较高，因为它使用了更多的晶体管来实现每个存储单元
DRAM（Dynamic RAM）	DRAM是动态存储器，需要定期刷新以保持存储的数据，因为数据存储在电容中，电容会逐渐失去电荷。	需要周期性地刷新，否则数据会丢失。	相对于SRAM而言，DRAM的访问速度通常较慢，因为访问需要经过行和列的选择。	通常用于需要大容量存储的应用，例如系统内存，因为DRAM可以提供相对较高的存储密度。	常功耗较低，因为每个存储单元只需要一个电容和一个访问晶体管。

在嵌入式系统中，常常会使用SRAM作为处理器的缓存，而DRAM则用于系统内存。选择哪种类型的内存取决于应用的需求，例如速度、功耗、成本和容量。

STM32单片机中的SRAM：STM32单片机通常内置有一定量的SRAM，例如STM32F103C8T6可能有20KB的SRAM。这些SRAM被划分为不同的区域，包括用于存储程序数据的区域和用于存储变量的区域。

1.2Flash存储器(闪存)

在嵌入式系统中，特别是在单片机（Microcontroller）中，Flash存储器类似于个人电脑上的硬盘。

特点介绍

以下是关于Flash存储器在单片机中的一些重要方面：

非易失性存储： Flash存储器是一种非易失性存储器，这意味着它可以在断电后保持存储的数据。这使得它非常适合用于嵌入式系统，因为系统可以在断电或重启后从Flash中加载程序代码或配置信息。
程序存储：在单片机中，Flash通常用于存储程序代码。当单片机启动时，它会从Flash中读取代码并执行。这使得Flash对于嵌入式系统的正常运行至关重要。
数据存储：除了程序代码，Flash还可以用于存储非易失性数据，例如配置信息、参数设置等。这些数据可以在设备断电后仍然保持，确保系统具有持久性。
擦写和擦除： Flash存储器需要进行擦写和擦除操作，而这些操作通常是以块为单位进行的。在更新存储的数据或程序时，需要将整个块擦除，然后再进行写入操作。这与RAM不同，RAM允许单独的字节或字的写入。
寿命考虑： Flash存储器有限的擦写寿命，因此在设计中需要考虑擦写次数。为了延长Flash的寿命，通常采用良好的擦写算法和均衡擦写操作。

总体而言，Flash存储器在嵌入式系统中扮演着重要的角色，类似于个人电脑中硬盘的作用。不仅用于存储程序代码，还用于存储系统的配置和持久性数据。

STM32中的Flash

STM32的Flash存储器是微控制器内部的非易失性存储区域，主要用于存储程序代码和一些固定数据。Flash存储器在断电后数据不会丢失，是程序执行的主要区域。STM32的Flash存储器具有以下特点：

内存映射：STM32的Flash地址起始于0x08000000，结束地址是0x08000000加上芯片实际的Flash大小。不同的STM32芯片Flash大小不同。
构成：STM32的内部Flash包含主存储器、系统存储器、OTP（One Time Program）区域以及选项字节区域。主存储器用于存储用户应用程序，系统存储区包含固化的启动代码，OTP区域用于存储加密密钥等一次性编程数据，选项字节用于配置Flash的读写保护等功能。
擦除和写入：在写入新的数据前，需要先擦除存储区域。STM32提供了扇区擦除指令和整个Flash擦除（批量擦除）的指令。擦除和写入操作需要先解锁Flash，然后擦除目标扇区，最后写入数据。
容量：STM32的Flash容量因型号而异，例如STM32F103C8T6拥有64KB或128KB的Flash。
操作过程：操作Flash通常包括解锁Flash、擦除扇区、写入数据等步骤。这些步骤需要通过配置FLASH控制寄存器（FLASH_CR）和FLASH状态寄存器（FLASH_SR）来完成。
编程接口：STM32标准库提供了操作Flash的函数，如HAL_FLASH_Program用于编程操作，FLASH_Unlock和FLASH_Lock用于解锁和上锁Flash。
注意事项：Flash的擦除和写入操作对电源电压有要求，且每个Flash扇区的擦写次数有限，通常在10万次左右。
应用：除了存储程序代码，Flash还可以用于存储关键记录或配置数据，尤其是在需要快速访问或掉电保护的情况下。

当你烧写程序到STM32单片机时，程序代码会被存储到单片机内部的Flash存储器中。

烧写过程通常涉及以下步骤：

编译：首先，你会使用如Keil、IAR、STM32CubeIDE等集成开发环境（IDE）将你的源代码编译成机器代码。
烧写：然后，通过烧写工具（可能是ST-LINK、JTAG、SWD或其他编程器）将编译后的机器代码（通常以二进制文件的形式）传输到STM32单片机的内部Flash中。
验证：烧写完成后，单片机在下次复位或上电时会从内部Flash加载并执行程序。

STM32单片机的Flash存储器具有特定的组织结构，通常分为多个扇区（sectors），每个扇区可以独立擦除和编程。在烧写过程中，你需要确保代码被烧写到正确的扇区，并且该扇区之前已经被擦除。

此外，STM32的Flash存储器还提供了一些额外的功能，如读保护、写保护和执行保护，这些功能可以通过编程选项字节来配置，以增强程序的安全性。

1.3Flash VS SRAM

SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器）是STM32单片机中非常重要的一种存储器，它的特点和应用如下：

易失性存储器：SRAM是一种易失性存储器，这意味着一旦断电，存储在SRAM中的数据会丢失。因此，它主要用于存储临时数据，如程序运行时的变量、堆栈、缓存等。
快速访问：SRAM提供比Flash更快的读写速度，因为它不需要像Flash那样进行擦除和编程周期。这使得SRAM非常适合用作CPU的缓存或用于存储频繁访问的数据。
随机存取：SRAM允许随机存取，即可以直接访问任何存储单元，而不需要像某些类型的存储器那样按顺序访问。这使得SRAM在需要快速、直接数据访问的场合非常有用。
功耗：虽然SRAM的访问速度很快，但它通常比Flash消耗更多的电力，因为它需要持续的电源来保持数据。
成本：SRAM的成本通常比Flash和其他类型的存储器更高，因为它使用更复杂的制造工艺，并且每个晶体管可以存储更多的数据。
应用场景：
- 缓存：在CPU和主存之间用作高速缓存，减少CPU访问主存的次数，提高数据处理速度。
- 堆栈：用于存储函数调用时的局部变量和返回地址。
- 数据缓冲区：在数据传输过程中用作缓冲区，例如在DMA传输中。
- 实时数据处理：在需要快速读写操作的实时系统中，用于存储实时数据。
外部SRAM扩展：当STM32单片机内置的SRAM不足以满足应用需求时，可以通过外部接口如FSMC（Flexible Static Memory Controller）扩展外部SRAM，以增加更多的存储空间。

SRAM在STM32单片机中扮演着重要角色，它的快速访问特性对于确保程序的流畅运行和响应速度至关重要。

1.4电脑 VS 单片机

	电脑	单片机
CPU主频	X86，2-5 GHz	51/ARM/RISC-V，72MHz （STM32F1）
内存容量	GB级约40GB/S （DDR4）	KB级，约300MB/S （STM32F1）
磁盘容量	TB级，约500MB/S （SATA3）	KB级，约100MB/S （STM32F1）
功耗	数百W	<0.5W
价格	2000-10000	<10元

频率的单位从低到高主要有以下几种：

赫兹（Hz）：频率的基本单位，表示每秒周期性事件发生的次数。
千赫兹（kHz）：1 kHz = 1,000 Hz（1,000 赫兹）。
兆赫兹（MHz）：1 MHz = 1,000 kHz = 1,000,000 Hz（一百万字）。
吉赫兹（GHz）：1 GHz = 1,000 MHz = 1,000,000 kHz = 1,000,000,000 Hz（十亿次）。
太赫兹（THz）：1 THz = 1,000 GHz = 1,000,000 MHz = 1,000,000,000,000 Hz（一万亿次）。

这些单位通常用于描述电子设备中的时钟速度、无线通信频率以及其他需要精确频率测量的场合。随着技术的发展，频率的测量和应用已经扩展到了更高的范围，例如在光学和量子物理研究中使用的PHz（拍赫兹）等。

计算X86 64位体系结构的理论最大数据传输速率的公式是：

传输速率=(位数/8)×时钟频率

其中：

传输速率是以字节每秒（Bytes per second）为单位的。
位数表示体系结构的位数，例如64位。
时钟频率表示处理器的时钟速率，例如5GHz。

这个公式是基于每个时钟周期能够处理的位数，通过将其转换为字节，我们可以得到每秒的最大传输速率。

当主频为2~5 GHz，带入上述公式计算如下：

**最低主频（2 GHz）：**传输速率=(64位/8)×2GHz=16GB/s

**最高主频（5 GHz）：**传输速率=(64位/8)×5GHz=40GB/s

这个计算假设X86架构每个时钟周期可以处理64位的数据，并且通过将其转换为字节，我们可以得到每秒的最大传输速率。根据您提供的范围，最低到最高主频下，传输速率的范围在16 GB/s到40 GB/s之间。这是理论上的最大传输速率，实际的性能可能受到其他因素的影响，如内存访问模式、缓存性能等。

STM32F1系列的主频为72MHz，内存容量在KB级别，传输速率约为300MB/s。让我们再次使用正确的公式：

传输速率=(32位/8)×72MHz=288MB/s

在这个计算中，我假设STM32F1系列每个时钟周期可以处理32位的数据，通过将其转换为字节，我们可以得到每秒的最大传输速率。因此，根据这个计算，理论上的最大传输速率为288MB/s，而不是300MB/s。这是一个近似值，实际性能可能会受到其他因素的影响。

1.5单片机发展历程

单片机（Microcontroller Unit, MCU）的发展历史可以概括为以下几个阶段：

初期阶段（1970年代末至1980年代初）：
- 单片机的概念最早由Intel公司实现，推出了世界上第一款商用微处理器4004。
- 1976年，Intel推出了MCS-48系列，这标志着8位单片微型计算机的诞生，并为单片机的发展奠定了基础。
完善阶段（1980年代初至1980年代中期）：
- 1980年代，Intel推出了MCS-51系列，这是单片机发展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、价格低赢得了广泛的应用
高性能阶段（1980年代中期至1990年代初）：
- 出现了更多高性能的单片机，如Intel的MCS-96系列和Motorola的6801和6802系列。这些单片机集成度更高，功能更强大，应用领域更加广泛。
快速发展阶段（1990年代至今）：
- 单片机技术得到了巨大的提高，出现了更多高速、大寻址范围、强运算能力的单片机。
- 随着消费电子产品的发展，单片机技术得到了飞速的发展，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位。
当前与未来趋势：
- 单片机正朝着高性能、低功耗、小体积、大容量、低价格和外围电路内装化的方向发展。
- 随着物联网、智能家居等技术的发展，单片机在智能化设备中的应用越来越广泛，未来可能会进一步融合人工智能技术，提升其智能化水平。

单片机的应用领域非常广泛，包括工业控制、家用电器、汽车电子、智能仪表、通讯设备等，它们在现代社会的各个方面都发挥着重要作用。随着技术的不断进步，单片机的性能和功能也在不断提升，以满足日益增长的应用需求。

目前市场上常见的单片机制造商包括STMicroelectronics（STM32）、NXP（以前的飞思卡尔）、瑞萨（Renesas）等，它们的产品涵盖了各种应用领域。STM32是ST的32位ARM Cortex-M系列单片机，广泛应用于工业控制、汽车电子、消费电子、智能家居、物联网等多个领域。NXP和Renesas也提供了广泛的单片机产品，适用于不同的市场需求和应用场景。

目前市面上使用最多的单片机（MCU）品牌和型号非常多样，根据不同的应用领域和需求，不同的单片机有不同的市场占有率。根据2024年的市场分析报告，一些主流的单片机品牌和型号包括：

STMicroelectronics（STM32）：STM32系列单片机以其高性能、低成本和丰富的外设功能在工业控制、汽车电子、消费电子等领域有广泛的应用。

Microchip Technology：提供广泛的PIC和AVR系列单片机，以及基于ARM架构的产品，适用于各种嵌入式系统。

NXP Semiconductors：前身为飞思卡尔，提供多种单片机产品，包括基于ARM Cortex-M系列的高性能单片机。

Renesas Electronics：提供多种8位和32位单片机，适用于汽车、工业和消费电子市场。

Texas Instruments（TI）：以其MSP430和CC系列单片机而知名，广泛应用于低功耗和高性能的应用场景。

Infineon：提供多种单片机，适用于汽车、工业和通信市场。

Silicon Labs：以其EFM8和EFM32系列单片机而知名，专注于提供高性能、低功耗的解决方案。

Espressif Systems：以其ESP8266和ESP32系列Wi-Fi和蓝牙单片机而知名，特别适用于物联网应用。

Atmel（现为Microchip的一部分）：以其AVR和ARM系列单片机而知名，广泛应用于嵌入式系统设计。

Holtek Semiconductor：专注于8位单片机的研发和销售，产品广泛应用于家电、医疗和工业控制领域。

这些单片机品牌和型号在市场上的使用率较高，但具体哪个型号使用最多可能会随着时间和市场需求的变化而变化。根据2024年的市场数据，STM32系列由于其广泛的应用和高性价比，可能是目前市场上使用较多的单片机之一。然而，这个情况可能会随着新技术的出现和市场动态的变化而发生改变。

1.6单片机发展趋势

发展趋势	描述
微型化	- 芯片尺寸缩小 - 无线单片机普及
高效节能	- 提高能源使用效率 - 减少电子废物
集成度提高	- 更多功能集成 - 减小电路板体积和功耗
低功耗设计	- 优化电路设计 - 提高芯片制造工艺
智能家居	- 设备智能化管理 - 互联互通
物联网	- 设备互联 - 信息共享
工业控制	- 自动化生产线 - 精密控制
安全性增强	- 硬件与软件安全防护 - 加密算法和安全机制
云集成与物联网	- 云计算平台连接 - 物联网应用
全球市场规模	- 2022年达到1907.7亿元 - 预测2028年将达3556.97亿元
中国市场规模	- 2022年达到653.2亿元 - 年均复合增长率为11.25%
主要厂商	STMicroelectronics, Microchip, NXP Semiconductors, Renesas Electronics
产品分类	32位单片机, 8位单片机, 16位单片机
应用细分	工业, 通讯与电脑, 汽车

二、CISC VS RISC

CISC（Complex Instruction Set Computing）和 RISC（Reduced Instruction Set Computing）是两种计算机体系结构的设计哲学，它们主要在指令集的复杂性和执行效率上有所不同。

CISC（Complex Instruction Set Computing）:

指令集复杂： CISC体系结构有一个复杂的指令集，其中包含大量不同的指令，一些指令可以执行多个低级操作。
多寻址模式： CISC指令集通常支持多种寻址模式，使得一条指令能够操作多个内存位置。
硬件复杂： CISC架构中的处理器通常较为复杂，包含多个执行单元和管道。
高度优化： CISC指令集的目标是通过一个指令完成更多的工作，这通常需要更多的硬件支持和复杂的微体系结构。
用途：传统的x86架构是CISC架构的代表。

RISC（Reduced Instruction Set Computing）:

指令集简化： RISC体系结构采用简化的指令集，每条指令执行的操作相对较少，但执行时间相对较短。
单寻址模式： RISC指令集通常限制了寻址模式，简化了指令的解码和执行。
硬件精简： RISC处理器的硬件结构相对精简，专注于提高时钟周期内执行指令的效率。
流水线： RISC处理器通常采用流水线技术，使得多条指令可以同时在不同阶段执行。
用途： ARM和MIPS等体系结构是RISC架构的代表。

在实际应用中，CISC和RISC并非严格对立的两种设计，而是两者之间存在一些模糊的区域。一些架构尝试结合两者的优点，采用混合的设计方法，称为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）的混合体（例如，Intel的IA-64架构）。选择CISC或RISC架构通常取决于设计目标、应用需求以及制造技术的发展。

冯诺依曼结构 VS 哈佛结构

冯诺依曼结构

程序指令和数据被存储在同一个存储器中

优点：总线资源占用少
缺点：执行效率较低

哈佛结构

程序指令和数据存储到两个独立的存储器中

优点：执行效率较高
缺点：总线资源占用多