淺談不同類型存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)架構(gòu)的嵌入式MCU

　　內(nèi)存技術(shù)不會(huì)停滯不前。內(nèi)存架構(gòu)發(fā)生變化，更快、更高效的結(jié)構(gòu)被創(chuàng)建并用于連續(xù)幾代，例如 DRAM 到 SDRAM 到 DDR 到 DDR1、2、3 等等。

　　然而，記憶進(jìn)化不僅僅局限于結(jié)構(gòu)改進(jìn)。存儲(chǔ)單元本身的底層技術(shù)一直在改進(jìn)。特殊工藝和設(shè)計(jì)針對(duì)低功耗、非易失性、安全存儲(chǔ)或其他特殊需求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　本文著眼于具有不同類型存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)架構(gòu)的嵌入式 MCU。多家制造商提供這些 MCU，并聲稱其優(yōu)于具有傳統(tǒng)內(nèi)存和架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)部件。本文將研究設(shè)計(jì)人員可用的幾個(gè)選項(xiàng)。

　　為了尋找完美的單元

　　Van Neumann、Harvard 和 RISC 架構(gòu)都使用非易失性存儲(chǔ)器（如 EPROM 和 Flash）來(lái)存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼和固件。大多數(shù)引導(dǎo)代碼都在芯片上，但也存在無(wú) ROM 部分，并且仍將使用外部 OTP EPROM 或閃存。這兩種技術(shù)都為微控制器的固件需求提供了密集、相當(dāng)?shù)凸?、低成本的現(xiàn)場(chǎng)和工廠可編程解決方案。

　　雖然傳統(tǒng) EPROM 已經(jīng)讓位給閃存作為主要存儲(chǔ)技術(shù)已有數(shù)十年，但人們一直在尋求消除易失性和可重寫性之間的障礙。最終，每個(gè)人??都在尋求一種可以在任何地方使用的高速、非易失性、低功耗、可重寫、高耐用性的電池。

　　令人高興的是，已經(jīng)開發(fā)了幾種好的技術(shù)，可以產(chǎn)生我們都想要的理想細(xì)胞結(jié)構(gòu)。然而，新的存儲(chǔ)技術(shù)需要時(shí)間才能進(jìn)入現(xiàn)代微控制器架構(gòu)。當(dāng)需要不同的制造工藝來(lái)制造這些特殊的存儲(chǔ)單元時(shí)，尤其如此。在良率足夠高之前，這些部件的成本總是會(huì)更高一些。

　　安全是驅(qū)動(dòng)力

　　當(dāng)專有算法或代碼塊為設(shè)計(jì)帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)時(shí)，代碼尤其有價(jià)值。當(dāng)所有代碼都存儲(chǔ)在微控制器中時(shí)，很難根據(jù)代碼侵權(quán)來(lái)強(qiáng)制執(zhí)行專利。盡管如此，工具確實(shí)允許轉(zhuǎn)儲(chǔ)核心內(nèi)存，因此可以使用加密代碼。

　　外部存儲(chǔ)器中的加密代碼塊不會(huì)讓雜散的眼睛以任何可用的形式將其分解。MCU 包含一個(gè)解密算法，其中包含為偽隨機(jī)函數(shù)生成器提供種子的定制參數(shù)。除非您知道種子，否則您無(wú)法輕松解碼數(shù)據(jù)。

　　這就是Maxim DS5000T-32-16+等部件所采用的方法，這是一個(gè)基于 8 位傳統(tǒng) 8051 內(nèi)核的安全微控制器。它的核心是一個(gè)電池備份的 SRAM，它創(chuàng)建了一個(gè)“軟”安全設(shè)計(jì)。即使被迫通過(guò)其地址序列，內(nèi)部代碼數(shù)據(jù)也已經(jīng)加密。10 年數(shù)據(jù)保留規(guī)范將在沒有電源的情況下保存內(nèi)容。

　　請(qǐng)注意固件如何不保存在 ROM、EPROM 或閃存中。相反，對(duì)傳入的加密代碼應(yīng)用 48 位或 80 位隨機(jī)解密。如果檢測(cè)到篡改，電池備份 RAM 甚至具有自毀機(jī)制。

　　其他現(xiàn)代風(fēng)格的安全微控制器采用可交換模塊格式，例如 Maxim DS2250-64-16#。注意雙電池以確保使用壽命。整個(gè)微控制器模塊、存儲(chǔ)器、加密引擎和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以保持狀態(tài)并繼續(xù)在系統(tǒng)外部運(yùn)行。這使得這些 MCU 成為安全密鑰訪問(wèn)、安全和關(guān)鍵設(shè)置參數(shù)、秘密算法和處理技術(shù)、濾波器系數(shù)等的理想選擇。

　　具有加密 SRAM 的可交換安全模塊具有自毀功能，可保護(hù)密碼和固件以及關(guān)鍵參數(shù)和安全設(shè)置。

　　新的非易失性電池結(jié)構(gòu) 松下

　　獨(dú)有的技術(shù)用它的 ReRAM 單元。該公司開發(fā)了一種新的非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于一個(gè)晶體管 - 電阻器核心單元，該核心單元在特殊的電阻層中使用了氧化鉭材料。使用普通的 0.18 μm CMOS 工藝，可以將 ReRAM 單元重新編程為 1.8 到 3.6 V 的低電平，而不必使用內(nèi)部電荷泵來(lái)啟動(dòng)到更高的電壓。重寫時(shí)間也很快：10 ns。另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，與許多閃存和 EEPROM 技術(shù)不同，一個(gè)單元在重寫之前不必被擦除。

　　Panasonic 在 MN101L、E 和 C 系列等 8 位內(nèi)核和 MN103 L、S 和 H 系列等 16/32 位內(nèi)核中利用了該技術(shù)，性能水平從 10 到 120 MHz 和 C 優(yōu)化架構(gòu)。

　　與閃存技術(shù)相比，ReRAM 的一個(gè)好處是功耗降低了 50%，這要?dú)w功于漏電流的減少（圖 2）。松下表示，與閃存或 EEPROM 不同，不需要中間數(shù)據(jù)擦除周期，從而使寫入時(shí)間快五倍。與閃存的典型 10 Kcycles 相比，ReRAM 的耐久性也增加到 100 Kcycles。

　　圖 2：根據(jù) Panasonic 的說(shuō)法，ReRAM 技術(shù)將平均電流降低到足以消除其中一個(gè)電池的程度。

　　例如，像MN101LR04DXW這樣的部件包含 64 KB 的 ReRAM 以及另一個(gè) 4K 用于暫存器 SRAM。8 位部件具有 16 位內(nèi)部架構(gòu)，包括標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，如 A/D（6 通道，12 位）；I2C、UART 和 DMA。請(qǐng)注意，ReRAM 在程序區(qū)域中僅允許 1K 寫入周期，但在數(shù)據(jù)區(qū)域中具有完整的 100K 寫入耐久性。

　　另一種不同的技術(shù)來(lái)自瑞薩電子，它在其微控制器內(nèi)部使用專有存儲(chǔ)器技術(shù)來(lái)提高靈活性并縮短掩模 ROM 型處理器的生產(chǎn)時(shí)間。一個(gè)示例部件是M37548G3FP#U0使用該公司以 8 MHz 運(yùn)行的 8 位內(nèi)部 740 內(nèi)核。它非常適合電器、玩具和娛樂等相對(duì)較小（20 針、15-I/O）簡(jiǎn)單（6 KB QzROM）嵌入式設(shè)計(jì)。更大的兄弟 M37542F8FP#U0 將其提升到 64 KB，采用更大的 36 引腳封裝和 29 個(gè) I/O。

　　QzROM 技術(shù)幾乎取代了 MASK ROM 技術(shù)，大大縮短了開發(fā)周期，并降低了功耗（圖 3）。與基于 Flash 的 micros 系統(tǒng)編程中的 OTP 和 J-Tag 一樣，QzROM 可以在安裝后進(jìn)行編程，并且還具有防篡改功能以防止未經(jīng)批準(zhǔn)的訪問(wèn)。Panasonic 也在以 720 內(nèi)核為中心的大容量 4 位系列中使用了這項(xiàng)技術(shù)。Segger Flasher 系列支持這兩個(gè)內(nèi)核的生產(chǎn)工具。

　　圖 3：與閃存和 OTP 一樣，QzROM 允許開發(fā)和非常大批量的類似掩模的良率，但與傳統(tǒng)的掩模技術(shù)相比，顯著減少了大批量生產(chǎn)的延遲。

　　Innovasic在其用于 66 MHz 32 位靈活輸入確定性輸出 （FIDO） MCU 的 RREM 存儲(chǔ)器類型中提出了一種創(chuàng)新架構(gòu)。針對(duì)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用并針對(duì)各種通信協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，部件如FIDO1100BGB208IR1使用 Innovasic 所謂的可重定位快速執(zhí)行內(nèi)存 （RREM） 內(nèi)存單元。這些用于通過(guò)將代碼映射到更高速的內(nèi)存來(lái)加速代碼的關(guān)鍵部分。RREM 連接到處理器的內(nèi)存總線，看起來(lái)就像該總線上的任何其他外圍設(shè)備。RREM 的存儲(chǔ)周期降至 20 ns，以支持 12.5 μs 的周期時(shí)間。由于不必使用等待狀態(tài)或外部緩存式代碼塊，可以提高性能水平。

　　EEPROM 和 FRAM

　　并非所有形式的 NovRAM 都適用于代碼存儲(chǔ)，EEPROM 就是其中之一。EEPROM 單元更大、更復(fù)雜，并且通常速度較慢，這限制了其為高速微控制器提供代碼的能力。但是，在微控制器內(nèi)使用 EEPROM 進(jìn)行非代碼相關(guān)的非易失性存儲(chǔ)是有優(yōu)勢(shì)的。

　　閃存是一種更高密度的非易失性存儲(chǔ)器，它是面向頁(yè)面的，必須加載整個(gè)頁(yè)面才能讀取位于該頁(yè)面任何位置的單個(gè)字節(jié)。寫入時(shí)也是如此，必須寫入整個(gè)頁(yè)面才能更改單個(gè)字節(jié)。

　　然而，EEPROM 可在字節(jié)范圍內(nèi)訪問(wèn)，并且微控制器可以運(yùn)行自己的代碼來(lái)讀取或?qū)懭肫?EEPROM。飛思卡爾在其一些微控制器中添加了 16 位 EEPROM 塊，例如MC812A4CPVE8，這是供應(yīng)商HC12 核心系列 16 位微控制器的一部分。EEPROM 巧妙地用作一些寄存器以及控制塊和通用陣列。

　　雖然排列為 16 位塊，但可以在單周期總線操作中讀取和編程數(shù)據(jù)以進(jìn)行字節(jié)和對(duì)齊字訪問(wèn)。未對(duì)齊的字需要第二個(gè)周期。還提供了批量擦除功能。

　　嵌入式 MCU 中現(xiàn)在可用的另一種新型非易失性字節(jié)范圍可訪問(wèn)存儲(chǔ)器技術(shù)來(lái)自德州儀器通過(guò)收購(gòu) FRAM 技術(shù)。FRAM 是鐵電 RAM，類似于早期計(jì)算機(jī)中使用的原始核心存儲(chǔ)器。它是可靠的、固有的耐用性和抗輻射性。

　　從架構(gòu)上講，它就像 DRAM 單元總線，使用一層鐵電材料代替介電材料使其非易失性，與閃存技術(shù)相比具有快速寫入和更低的功耗。另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是幾乎無(wú)限的寫入耐久性，例如 SRAM。

　　TI 已將 FRAM 模塊置于其流行的低功耗 MSP430 系列部件中，包括小型部件（如 4k MSP430FR5720IRG??ER ）和更大的 16k 部件（如MSP430FR5739IRHAR）。

　　FRAM 微控制器的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述可在 Digi-Key 網(wǎng)站上獲得。還提供了另一個(gè)產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，該模塊專門針對(duì)TI MSP430FR57xx FRAM MCU。

　　總而言之，工程師應(yīng)該意識(shí)到，我們?cè)?MCU 中認(rèn)為理所當(dāng)然的內(nèi)存技術(shù)并不是全部。許多微控制器具有特殊的內(nèi)存功能和架構(gòu)，可以為您所用，我們?cè)诒疚闹兄攸c(diǎn)介紹了其中的一些。此外，現(xiàn)代微控制器中新型存儲(chǔ)器單元和傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的組合可以為您的設(shè)計(jì)產(chǎn)生新穎、安全的應(yīng)用程序。