隨著邊緣和端點(diǎn)對(duì)更高功能和智能的需求不斷增長(zhǎng)，這些設(shè)備對(duì)更強(qiáng)處理能力和更大內(nèi)存的需求也在增長(zhǎng)。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(jí)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(jí)安全性。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)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(dòng)了對(duì)代碼和數(shù)據(jù)的快速、可靠、低功耗和非易失性存儲(chǔ)的需求。在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員的內(nèi)存選擇會(huì)顯著影響性能、成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功耗。需要新的架構(gòu)來滿足對(duì)更高性能、更大內(nèi)存和更低功耗的不斷變化的需求，同時(shí)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(yàn)證。我們來看看各種內(nèi)存架構(gòu)選項(xiàng)及其最佳使用案例。

內(nèi)部閃存或外部存儲(chǔ)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(chǔ)。這些集成MCU非常適合工業(yè)或樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療、家用電器或智能家居等不同細(xì)分市場(chǎng)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(shì)，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(jiǎn)化、空間有限的應(yīng)用以及低復(fù)雜的設(shè)計(jì)。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(huì)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，通常可以看到速度在 400MHz至1GHz范圍內(nèi)的MCU，這些MCU支持高級(jí)圖形、模擬、連接和安全功能，以及高級(jí)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(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榍度胧介W存在較低的工藝幾何形狀上不能很好地?cái)U(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(chǔ)器

設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)了這一需求，而獨(dú)立內(nèi)存價(jià)格的急劇下降推動(dòng)了這一趨勢(shì)。使用外部存儲(chǔ)器可以擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)中的代碼和數(shù)據(jù)空間，因?yàn)橥獠块W存基本上是MCU存儲(chǔ)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(chǔ)和執(zhí)行。

對(duì)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括在存儲(chǔ)器大小選擇方面提供靈活性，以及使其設(shè)計(jì)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(gè)相當(dāng)普遍的做法。它還允許他們?yōu)楦鞣N設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一的平臺(tái)方法。

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

對(duì)于MCU制造商來說，將MCU與存儲(chǔ)器分離，使他們能夠轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，以獲得更高的性能、更高的功能和能效，并降低其器件成本。現(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(dòng)態(tài)解密（DOTF），它允許將加密圖像存儲(chǔ)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(jí)安全性。

圖1. 存儲(chǔ)器拓?fù)洙C具有內(nèi)部和外部閃存的MCU

外部存儲(chǔ)器和環(huán)節(jié)措施的挑戰(zhàn)

當(dāng)然，外部存儲(chǔ)器也存在挑戰(zhàn)，包括對(duì)與外部閃存相關(guān)的延遲及其對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)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(huì)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(chǔ)器存在一些安全風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗黾恿送獠康墓裘妫瑥亩斐闪丝杀?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/10353/" target="_blank">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(chǔ)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(chǔ)器的多個(gè)存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)設(shè)備的接口，并實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)吞吐量、低信號(hào)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(gè)外部存儲(chǔ)器件連接到八通道SPI接口，如下所示，為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性。一些RA8 MCU還支持動(dòng)態(tài)解密（DOTF），允許安全地導(dǎo)入存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(gè)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(chǔ)器接口外，RA8 MCU還包括緊密耦合存儲(chǔ)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(chǔ)器和存儲(chǔ)器接口，可以實(shí)現(xiàn)多種靈活的存儲(chǔ)器配置。代碼可以存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低延遲、高度安全且節(jié)能的系統(tǒng)。然而，這不是一個(gè)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(chǔ)器來解決。

在第二種配置中，代碼存儲(chǔ)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(xiàng)。隨著代碼大小的增加，外部存儲(chǔ)器可以簡(jiǎn)單地?fù)Q成引腳兼容、密度更高的器件，無需重新設(shè)計(jì)電路板即可輕松升級(jí)。這是以略高的功耗和更大的延遲為代價(jià)的，這可能會(huì)對(duì)整體性能產(chǎn)生影響。

代碼也可以存儲(chǔ)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?yàn)榇a是通過快速SRAM執(zhí)行的，但是根據(jù)SRAM大小對(duì)代碼大小有限制，如果代碼大小超過可用的SRAM或TCM，則會(huì)增加軟件復(fù)雜性。喚醒時(shí)間也可能增加，因?yàn)镾RAM關(guān)閉時(shí)丟失的代碼需要在每次重啟時(shí)重新加載。

結(jié)論

在內(nèi)存選項(xiàng)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(gè)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(tái)計(jì)劃等。

兩種解決選項(xiàng)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

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

在每個(gè)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(chǔ)器選項(xiàng)的所有詳細(xì)信息，以及數(shù)據(jù)表、樣品和評(píng)估套件。