嵌入式系统中各类存储方式的区别及接口协议详解
背景：
在kernel优化时，也可以考虑硬件层面用的协议是否已经是最优解。
在嵌入式系统中，存储设备的选择直接影响系统性能、成本和设计复杂度。以下是常见存储类型的对比，包括其接口协议（是否使用 SPI）及适用场景：
1. 非易失性存储器（断电数据不丢失）
| 类型 | 接口协议 | 特点 | 典型应用 | 示例型号 |
|---|---|---|---|---|
| SPI NOR Flash | SPI/QSPI | 低引脚（4-6线）、低成本、支持XIP（直接执行代码） | 存储固件、Bootloader | Winbond W25Q128JV (128Mb) |
| 并行 NOR Flash | 并行总线（16/32位） | 高速读取（>100MB/s）、引脚多（>40 pins）、PCB复杂 | 高速代码执行（军事、工业设备） | Micron MT28EW (1Gb) |
| SPI NAND Flash | SPI/QSPI | 大容量（1Gb+）、需ECC纠错、成本低于NOR Flash | 大容量数据存储（日志、媒体文件） | Macronix MX66U2G (2Gb) |
| EEPROM | I2C/SPI | 小容量（KB级）、高擦写次数（1M次）、字节级擦写 | 存储配置参数（如校准数据） | Microchip 24LC256 (256KB) |
| FRAM/MRAM | SPI/I2C | 无限擦写次数、高速写入、抗辐射、成本高 | 高频数据记录（医疗、航天） | Cypress FM25V05 (512KB) |
| SD卡/eMMC | SD/eMMC协议 | 标准化接口、支持热插拔、协议复杂 | 大容量文件系统（Linux根文件系统） | SanDisk Ultra SDXC (128GB) |
2. 易失性存储器（断电数据丢失）
| 类型 | 接口协议 | 特点 | 典型应用 | 示例型号 |
|---|---|---|---|---|
| SRAM | 并行总线/SPI | 高速访问（ns级）、无需刷新、功耗高 | 高速缓存、实时数据处理 | Cypress CY62167G (4Mb) |
| DRAM | 并行总线（DDR/LPDDR) | 高密度（GB级）、需定期刷新、成本低 | 主内存（运行程序和数据） | Micron LPDDR4 (8GB) |
| PSRAM | 并行/SPI | 结合SRAM接口与DRAM技术、容量适中（64Mb~1Gb） | 低功耗移动设备内存 | AP Memory APS6404L (64Mb) |
3. 存储接口协议对比
| 接口类型 | 协议特点 | 适用存储器 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|---|---|
| SPI/QSPI | 串行通信（1/2/4/6线）、主从模式、时钟频率高（133MHz+） | SPI NOR/NAND Flash、FRAM、PSRAM | 引脚少、成本低、灵活性高 | 吞吐量受限（需多线模式提升速度） |
| I2C | 双线（SDA/SCL）、多设备共享总线、速率较低（<1MHz） | EEPROM、传感器 | 简化布线、支持多设备 | 速度慢、协议开销大 |
| 并行总线 | 多数据线（8/16/32位）+地址线+控制线、高速（>100MB/s） | NOR Flash、SRAM、DRAM | 高带宽、低延迟 | 引脚多、PCB复杂 |
| SD/eMMC | 专用协议（4/8数据线）、支持块操作、DMA传输 | SD卡、eMMC芯片 | 标准化、热插拔、大容量 | 协议复杂、功耗较高 |
| DDR/LPDDR | 双倍数据速率、差分时钟、需控制器支持 | DRAM、LPDDR | 超高带宽（GB/s级）、低功耗 | 设计复杂、信号完整性要求高 |
4. 存储设备是否都通过SPI传输数据？
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SPI是主流接口之一，但并非唯一：
- 使用SPI的存储器：SPI NOR/NAND Flash、部分EEPROM、FRAM、PSRAM。
- 使用其他接口的存储器：
- I2C：EEPROM、传感器。
- 并行总线：NOR Flash、SRAM、DRAM。
- SD/eMMC协议：SD卡、eMMC。
- 专用接口：DDR/LPDDR内存。
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SPI的优势场景：
- 资源受限设备：需要减少引脚数（如穿戴设备仅有20-30个GPIO）。
- 成本敏感项目：SPI Flash比并行NOR Flash便宜30%以上。
- 灵活扩展：通过QSPI/Octal SPI提升速度（如STMicro的Octo-SPI达200MB/s）