具有不同的存儲器單元和存儲器架構(gòu)的微控制器介紹

內(nèi)存技術(shù)不會停滯不前。內(nèi)存架構(gòu)發(fā)生變化，更快，更有效的結(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。但是，內(nèi)存演進不僅限于結(jié)構(gòu)改進。存儲器單元本身的基礎(chǔ)技術(shù)一直在改進。專業(yè)工藝和設(shè)計針對低功耗，非易失性，安全存儲或其他專業(yè)需求進行了優(yōu)化。本文著眼于具有不同類型存儲器單元和存儲器架構(gòu)的嵌入式MCU。一些制造商提供這些MCU，并聲稱優(yōu)于傳統(tǒng)存儲器和架構(gòu)的競爭部件。

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器，如EPROM和Flash用于啟動代碼和固件。大多數(shù)啟動代碼都在芯片上，但是無ROM部件也存在，并且仍將使用外部OTP EPROM或Flash。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)場和工廠可編程解決方案。

雖然傳統(tǒng)的EPROM已經(jīng)有數(shù)十年的時間讓Flash作為主要的存儲技術(shù)，但一直在消除波動性和可重寫性之間的障礙。最終，每個人都在尋求一種可以在任何地方使用的單一高速，非易失性，低功耗，可重寫，高耐久性的電池。令人高興的是，已經(jīng)開發(fā)了幾種可以產(chǎn)生理想的電池結(jié)構(gòu)的好技術(shù)。想。然而，新的存儲器技術(shù)需要時間才能進入現(xiàn)代微控制器架構(gòu)。當(dāng)需要不同的制造工藝來制造這些特殊的存儲單元時尤其如此。在產(chǎn)量足夠高之前，這些部件總是會花費更多。

安全性是一種驅(qū)動力

當(dāng)專有算法或代碼塊為設(shè)計提供明顯優(yōu)勢時，代碼特別有價值。當(dāng)所有代碼都存儲在微控制器內(nèi)時，很難在代碼侵權(quán)的基礎(chǔ)上強制執(zhí)行專利。仍然，工具允許轉(zhuǎn)儲核心內(nèi)存，因此可以使用加密代碼。

外部存儲器中的加密代碼塊不會讓流浪眼以任何可用的形式反匯編它。 MCU包含一個解密算法，其中包含您定制的參數(shù)，可以為偽隨機函數(shù)發(fā)生器提供種子。除非您知道種子，否則您無法輕松解碼數(shù)據(jù)。

這是采用Maxim DS5000T-32-16 +等部件采用的方法，它是一種基于8位傳統(tǒng)8051內(nèi)核的安全微控制器。其核心是備用電池的SRAM，可創(chuàng)建“軟”安全設(shè)計。即使被迫通過其地址序列，內(nèi)部代碼數(shù)據(jù)也已加密。 10年的數(shù)據(jù)保留規(guī)范將在沒有電源的情況下保存內(nèi)容。

請注意固件是如何保存在ROM，EPROM或Flash中的。相反，48或80位隨機解密應(yīng)用于傳入的加密代碼。如果檢測到篡改，電池備份RAM甚至還具有自毀機制。

其他現(xiàn)代安全微處理器采用可交換模塊格式，例如Maxim DS2250-64-16＃（圖1）。請注意雙電池以確保使用壽命。整個微控制器模塊，存儲器，加密引擎和實時時鐘可以保持狀態(tài)并繼續(xù)在系統(tǒng)外部運行。這使得這些MCU成為安全密鑰訪問，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。

圖1：帶有加密SRAM的可交換安全模塊自毀功能，用于保護密碼和固件以及關(guān)鍵參數(shù)和安全設(shè)置。

新的非易失性單元結(jié)構(gòu)

松下的獨特技術(shù)及其ReRAM單元。該公司開發(fā)了一種新的非易失性存儲器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于單個晶體管 - 電阻器核心單元，在特殊的電阻層中使用鉭氧化物材料。使用普通的0.18μmCMOS工藝，ReRAM單元可以重新編程為1.8至3.6 V的低電平，而不必使用內(nèi)部電荷泵來啟動更高的電壓。重寫次數(shù)也很快：10 ns。另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，與許多閃存和EEPROM技術(shù)不同，單元在重寫之前不必擦除。

Panasonic在兩個8位內(nèi)核中使用該技術(shù)，如MN101L，E和C系列以及16/32位內(nèi)核，如MN103 L，S和H系列，性能級別為10至120 MHz，采用C優(yōu)化架構(gòu)。與閃存技術(shù)相比，ReRAM的優(yōu)勢在于降低了50％的功耗漏電流（圖2）。據(jù)Panasonic稱，與閃存或EEPROM不同，不需要中間數(shù)據(jù)擦除周期，因此寫入時間快5倍。與典型的帶有閃存的10 Kcycles相比，ReRAM的續(xù)航能力也增加到100 Kcycles。

圖2：ReRAM技術(shù)降低了平均電流，足以消除其中一個電池，松下表示。點擊例如，MN101LR04DXW等部件包含64 KB的ReRAM和另一個用于暫存器SRAM的4K。 8位器件具有16位內(nèi)部架構(gòu)，包括A/D（6通道，12位）等標(biāo)準外設(shè); I2C，UART和DMA。注意，ReRAM在程序區(qū)域只允許1K寫周期，但在數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)具有完整的100K寫入耐久性。另一種不同的技術(shù)來自瑞薩，它在其微控制器內(nèi)部使用專有存儲器技術(shù)來提高靈活性并減少生產(chǎn)掩模ROM型處理器的時間。一個示例部分是M37548G3FP＃U0，使用該公司的8位內(nèi)部740內(nèi)核，運行頻率為8 MHz。它非常適用于相對較小（20針，15-I/O）的簡單（6 KB QzROM）嵌入式設(shè)計，如電器，玩具和娛樂。更大的兄弟，M37542F8FP＃U0，采用更大的36引腳封裝，具有29個I/O，將其增加到64 KB。

QzROM技術(shù)幾乎取代了MASK ROM技術(shù)，大大縮短了開發(fā)周期。作為降低功率（圖3）。與基于閃存的微系統(tǒng)的系統(tǒng)編程中的OTP和J-Tag一樣，QzROM可以在安裝后進行編程，還具有防篡改功能，可防止未經(jīng)批準的訪問。松下也采用這種技術(shù)，其高容量4位系列以720核心為中心。這兩個內(nèi)核都由Segger Flasher系列生產(chǎn)工具提供支持。

圖3：與Flash和OTP一樣，QzROM允許開發(fā)和非常高容量的掩模類產(chǎn)量，但顯著與傳統(tǒng)的掩膜技術(shù)相比，可以減少大批量生產(chǎn)延遲。

Innovasic在其66 MHz 32位靈活輸入確定性輸出（FIDO）MCU中使用的RREM存儲器類型中提出了一種創(chuàng)新架構(gòu)。針對實時通信應(yīng)用并針對各種通信協(xié)議進行了優(yōu)化，F(xiàn)IDO1100BGB208IR1等部件使用Innovasic所稱的可重定位快速執(zhí)行存儲器（RREM）存儲器單元。這些用于通過將代碼映射到更高速的內(nèi)存來加速代碼的關(guān)鍵部分。 RREM連接到處理器的存儲器總線，看起來像該總線上的任何其他外設(shè)。 RREM的存儲器周期降至20 ns，以支持12.5μs的周期時間。通過不必使用等待狀態(tài)或外部用于緩存式代碼塊，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，EEPROM就是其中的一個例子。 EEPROM單元更大，更復(fù)雜，并且通常具有較慢的速度，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)部使用EEPROM進行非代碼相關(guān)的非易失性存儲是有好處的。

Flash是一種高密度形式的非易失性存儲器，面向頁面，必須在整個頁面中加載以讀取單個位于該頁面中任何位置的字節(jié)。寫入時也是如此，必須寫入整個頁面才能更改單個字節(jié)。但是，EEPROM可以在字節(jié)范圍內(nèi)訪問，并且微控制器可以運行自己的代碼來讀取或?qū)懭肫瑑?nèi)EEPROM。飛思卡爾在其部分微控制器中增加了16位EEPROM模塊，例如MC812A4CPVE8，這是供應(yīng)商的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模塊和通用數(shù)組。

雖然安排為16位模塊，但可以在單周期總線操作中讀取和編程數(shù)據(jù)以進行字節(jié)和對齊字訪問。未對齊的單詞需要第二個周期。還提供了批量擦除功能。

嵌入式MCU內(nèi)部現(xiàn)有的另一種新型非易失性字節(jié)寬可訪問存儲器技術(shù)來自德州儀器，它通過收購FRAM技術(shù)。 FRAM是鐵電RAM，類似于早期計算機中使用的原始核心存儲器。它具有可靠性，固有耐用性和抗輻射性。

從結(jié)構(gòu)上講，它就像一個DRAM單元總線，使用一層鐵電材料代替介電材料，使其具有非易失性，與閃存技術(shù)相比具有快速寫入和更低功耗。另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是幾乎無限制的寫入耐久性，如SRAM。

TI已將FRAM模塊放置在其流行的低功耗MSP430系列器件中，包括4k MSP430FR5720IRGER等小型器件和MSP430FR5739IRHAR等更大的16k器件。

有關(guān)FRAM微控制器的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述，請訪問Digi-Key網(wǎng)站。此外，還提供了另一個專門針對TI MSP430FR57xx FRAM MCU的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。總而言之，工程師應(yīng)該意識到我們在MCU中認為理所當(dāng)然的存儲器技術(shù)并非完全不存在。許多微控制器具有特殊的內(nèi)存功能和架構(gòu)，可以為您提供優(yōu)勢，我們在本文中重點介紹了其中的一些內(nèi)容。此外，現(xiàn)代微控制器中新型存儲器單元和傳統(tǒng)存儲器的組合可以為您的設(shè)計提供新穎，安全的應(yīng)用。