選擇最適合您的系統(tǒng)需要的內(nèi)存選項

隨著邊緣和端點對更高功能和智能的需求不斷增長，這些設(shè)備對更強(qiáng)處理能力和更大內(nèi)存的需求也在增長。應(yīng)用程序的功能更加豐富，用戶要求其產(chǎn)品中內(nèi)置更高級別的功能，包括復(fù)雜的圖形和用戶界面、學(xué)習(xí)算法、網(wǎng)絡(luò)連接和高級安全性。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)了語音和視覺AI功能，可幫助設(shè)備在邊緣做出智能決策，并在無需人工干預(yù)的情況下觸發(fā)操作。復(fù)雜的軟件框架是這些解決方案的重要組成部分。

雖然處理能力是所有這些類型應(yīng)用程序的關(guān)鍵，但它們也推動了對代碼和數(shù)據(jù)的快速、可靠、低功耗和非易失性存儲的需求。在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，設(shè)計人員的內(nèi)存選擇會顯著影響性能、成本、設(shè)計復(fù)雜性和功耗。需要新的架構(gòu)來滿足對更高性能、更大內(nèi)存和更低功耗的不斷變化的需求，同時保持低成本。需要與內(nèi)存制造商密切合作，以確保滿足性能要求的解決方案經(jīng)過全面驗證。我們來看看各種內(nèi)存架構(gòu)選項及其最佳使用案例。

內(nèi)部閃存或外部存儲器

傳統(tǒng)上，中低性能應(yīng)用中使用的通用MCU將嵌入式閃存（通常為<2MB）作為代碼的首選非易失性存儲。這些集成MCU非常適合工業(yè)或樓宇自動化、醫(yī)療、家用電器或智能家居等不同細(xì)分市場中的大多數(shù)中低端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。嵌入式閃存具有許多優(yōu)勢，包括更低的延遲、更低的功耗和更高的性能，并提供了集成度更高的方案，適用于簡化、空間有限的應(yīng)用以及低復(fù)雜的設(shè)計。從安全角度來看，它消除了外部的攻擊面。因此，具有集成嵌入式閃存的MCU仍然是大多數(shù)性能和功能需求較低的應(yīng)用的首選解決方案。

但是嵌入式閃存是有成本的，超過一定的內(nèi)存密度（如2MB），成本開始變得高昂。嵌入式閃存成本高昂，并增加了MCU晶圓加工的復(fù)雜性和成本。嵌入閃存所需的額外制造步驟會顯著增加硅的成本。

此外，MCU制造商越來越多地轉(zhuǎn)向更先進(jìn)、更精細(xì)的工藝幾何結(jié)構(gòu)，如28/22nm或更低，以便擴(kuò)展到更高的性能并在片上集成更多功能。現(xiàn)在，通?？梢钥吹剿俣仍?400MHz至1GHz范圍內(nèi)的MCU，這些MCU支持高級圖形、模擬、連接和安全功能，以及高級安全性，以防止數(shù)據(jù)/IP被盜和篡改。雖然這解決了性能需求，但在這些設(shè)備上嵌入內(nèi)存成為一個挑戰(zhàn)，因為嵌入式閃存在較低的工藝幾何形狀上不能很好地擴(kuò)展，而且閃存單元不能有效地縮小到40nm以下。所有這些都使其在較低的工藝幾何形狀中可行性降低或成本更高。

外部存儲器

設(shè)計人員正在考慮新的架構(gòu)來縮小這一差距，并越來越多地將外部閃存用于要求更高、性能更高的應(yīng)用。對更復(fù)雜用例（如高端圖形、音頻處理或機(jī)器學(xué)習(xí)）的支持驅(qū)動了這一需求，而獨立內(nèi)存價格的急劇下降推動了這一趨勢。使用外部存儲器可以擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)中的代碼和數(shù)據(jù)空間，因為外部閃存基本上是MCU存儲器映射的一部分，可以直接讀取并用于數(shù)據(jù)記錄或軟件存儲和執(zhí)行。

對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品制造商來說，將外部閃存用于其高性能應(yīng)用具有多項優(yōu)勢，包括在存儲器大小選擇方面提供靈活性，以及使其設(shè)計面向未來。隨著開發(fā)人員添加更多功能，需要更大內(nèi)存，將較小容量的內(nèi)存換成引腳兼容的更大容量的內(nèi)存是一個相當(dāng)普遍的做法。它還允許他們?yōu)楦鞣N設(shè)計采用統(tǒng)一的平臺方法。

當(dāng)然，也有缺點，例如訪問外部存儲器所涉及的額外延遲（通過使用Quad/Octal存儲器及仔細(xì)使用緩存來減輕）、略高的功率以及外部存儲器的額外成本。它還增加了電路板設(shè)計的復(fù)雜性，需要在PCB上進(jìn)行額外的布線并注意信號完整性。

對于MCU制造商來說，將MCU與存儲器分離，使他們能夠轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的工藝節(jié)點，以獲得更高的性能、更高的功能和能效，并降低其器件成本?，F(xiàn)在，大多數(shù)制造商都集成了四通道或八通道SPI接口，并支持就地執(zhí)行（XiP）功能，允許與這些NOR閃存器件無縫連接。一些MCU支持動態(tài)解密（DOTF），它允許將加密圖像存儲在外部閃存中并安全地導(dǎo)入執(zhí)行。該解決方案提供當(dāng)今邊緣應(yīng)用所需的高性能、低功耗和高級安全性。

圖1. 存儲器拓?fù)洙C具有內(nèi)部和外部閃存的MCU

外部存儲器和環(huán)節(jié)措施的挑戰(zhàn)

當(dāng)然，外部存儲器也存在挑戰(zhàn)，包括對與外部閃存相關(guān)的延遲及其對整體性能的影響的擔(dān)憂。通過使用四通道或八通道SPI接口，可以在一定程度上減輕這種帶寬限制，該接口允許通過4條或8條并行線路傳輸數(shù)據(jù)，而不是使用常規(guī)SPI的單線傳輸數(shù)據(jù)。使用雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR），通過在時鐘的上升沿和下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，可以將吞吐量增加一倍。外部閃存制造商還內(nèi)置了對突發(fā)讀取模式的支持，以便更快地訪問數(shù)據(jù)，并且可以使用緩存來減輕一些延遲影響，但需要仔細(xì)管理軟件以最佳方式使用緩存。系統(tǒng)設(shè)計人員還可以通過將代碼傳輸?shù)絻?nèi)部SRAM并在SRAM外執(zhí)行以獲得最高性能來緩解一些延遲問題。

還有擔(dān)心使用外部閃存會帶來更高的功耗，因此內(nèi)存制造商特別注意優(yōu)化這些設(shè)備的電流消耗。外部存儲器存在一些安全風(fēng)險，因為它增加了外部的攻擊面，從而造成了可被黑客利用并需要保護(hù)的漏洞。這要求MCU制造商向Quad/Octal SPI接口添加加密/解密功能，以便可以安全地存儲和引入加密代碼。

將外部閃存與RA MCU配合使用

瑞薩的RA系列MCU集成了嵌入式閃存以及與外部存儲器的多個存儲器接口，以提供最大的靈活性和性能。它們支持四通道或八通道SPI接口，通過使用4條或8條數(shù)據(jù)線而不是通常的SPI接口線來提高數(shù)據(jù)吞吐量。這可以顯著提高性能，尤其是在需要快速內(nèi)存訪問（如圖形、音頻或數(shù)據(jù)記錄）的應(yīng)用程序中。

所有RA8系列MCU都包括一個符合eXpanded串行外設(shè)接口（xSPI）的八通道SPI接口。xSPI協(xié)議指定了非易失性存儲設(shè)備的接口，并實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)吞吐量、低信號數(shù)以及與傳統(tǒng)SPI設(shè)備的有限向后兼容性。使用片選可以將兩個外部存儲器件連接到八通道SPI接口，如下所示，為設(shè)計人員提供了更大的靈活性。一些RA8 MCU還支持動態(tài)解密（DOTF），允許安全地導(dǎo)入存儲在外部閃存中的加密圖像進(jìn)行執(zhí)行。圖2和圖3顯示了RA8 MCU上的八通道SPI接口，支持和不支持DOTF。

圖2. Octal SPI支持DOTF

圖3. Octal SPI不支持DOTF

Octal SPI接口的一些功能：

協(xié)議–xSPI，符合

- JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD251（Profile 1.0和2.0）

- JESD251-1和JESD252

支持的存儲器類型–八通道閃存和八通道RAM、HyperFlash和HyperRAM

數(shù)據(jù)吞吐量–高達(dá)每秒200MB

數(shù)據(jù)傳輸/接收–可以使用片選與最多2個從站通信，而不是并發(fā)

支持就地執(zhí)行（XiP）操作

支持的模式

- 帶SDR/DDR的1/4/8針（1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D）

- 帶SDR的2/4針（1S-2S-2S、2S-2S-2S、1S-4S-4S、4S-4S-4S）

內(nèi)存映射

- 每個CS最多支持256MB地址空間

- 預(yù)取功能，用于低延遲的突發(fā)讀取

- 出色的緩沖區(qū)，用于高吞吐量的突發(fā)寫入

安全性–支持DOTF（在某些RA8 MCU上可用）

除了內(nèi)部閃存和外部存儲器接口外，RA8 MCU還包括緊密耦合存儲器（TCM）和I/D緩存，有助于優(yōu)化性能。TCM是零等待狀態(tài)內(nèi)存，在所有片上內(nèi)存中具有最低的延遲；它可以用于代碼的最關(guān)鍵部分。

使用RA8系列MCU上提供的各種存儲器和存儲器接口，可以實現(xiàn)多種靈活的存儲器配置。代碼可以存儲在內(nèi)部嵌入式閃存中并從內(nèi)部嵌入式閃存執(zhí)行，從而實現(xiàn)簡單、低延遲、高度安全且節(jié)能的系統(tǒng)。然而，這不是一個可擴(kuò)展的解決方案，任何超出嵌入式閃存大小的代碼大小增加都需要通過外部存儲器來解決。

在第二種配置中，代碼存儲在外部flash中并在外部flash執(zhí)行。這是XiP功能，也是最靈活和可擴(kuò)展的選項。隨著代碼大小的增加，外部存儲器可以簡單地?fù)Q成引腳兼容、密度更高的器件，無需重新設(shè)計電路板即可輕松升級。這是以略高的功耗和更大的延遲為代價的，這可能會對整體性能產(chǎn)生影響。

代碼也可以存儲在外部閃存中，并引入內(nèi)部SRAM或TCM執(zhí)行。這提供了最高性能，因為代碼是通過快速SRAM執(zhí)行的，但是根據(jù)SRAM大小對代碼大小有限制，如果代碼大小超過可用的SRAM或TCM，則會增加軟件復(fù)雜性。喚醒時間也可能增加，因為SRAM關(guān)閉時丟失的代碼需要在每次重啟時重新加載。

結(jié)論

在內(nèi)存選項選擇方面，沒有單一的正確答案。雖然大多數(shù)中低端IoT應(yīng)用程序可以使用內(nèi)部閃存，但許多高性能應(yīng)用程序需要使用外部閃存。內(nèi)存選擇必須基于幾個考慮因素-應(yīng)用程序要求、所需的內(nèi)存大小、預(yù)期性能、系統(tǒng)架構(gòu)、功耗目標(biāo)、安全問題和未來的產(chǎn)品/平臺計劃等。

兩種解決選項都有優(yōu)點和缺點：

通過了解這些權(quán)衡，開發(fā)人員可以做出符合其項目目標(biāo)的明智決策。

在每個器件產(chǎn)品頁面上獲取有關(guān)RA8 MCU系列上可用的靈活存儲器選項的所有詳細(xì)信息，以及數(shù)據(jù)表、樣品和評估套件。