具有不同的存储器单元和存储器架构的微控制器介绍

内存技术不会停滞不前。内存架构发生变化，更快，更有效的结构被创建并用于连续几代，例如DRAM到SDRAM到DDR到DDR1，2，3等等。但是，内存演进不仅限于结构改进。存储器单元本身的基础技术一直在改进。专业工艺和设计针对低功耗，非易失性，安全存储或其他专业需求进行了优化。本文着眼于具有不同类型存储器单元和存储器架构的嵌入式MCU。一些制造商提供这些MCU，并声称优于传统存储器和架构的竞争部件。

为了寻找完美的单元，Van Neumann，Harvard和RISC架构都使用非易失性存储器，如EPROM和Flash用于启动代码和固件。大多数启动代码都在芯片上，但是无ROM部件也存在，并且仍将使用外部OTP EPROM或Flash。这两种技术都为微控制器的固件需求提供了密集，相当低功耗，低成本的现场和工厂可编程解决方案。

虽然传统的EPROM已经有数十年的时间让Flash作为主要的存储技术，但一直在消除波动性和可重写性之间的障碍。最终，每个人都在寻求一种可以在任何地方使用的单一高速，非易失性，低功耗，可重写，高耐久性的电池。令人高兴的是，已经开发了几种可以产生理想的电池结构的好技术。想。然而，新的存储器技术需要时间才能进入现代微控制器架构。当需要不同的制造工艺来制造这些特殊的存储单元时尤其如此。在产量足够高之前，这些部件总是会花费更多。

安全性是一种驱动力

当专有算法或代码块为设计提供明显优势时，代码特别有价值。当所有代码都存储在微控制器内时，很难在代码侵权的基础上强制执行专利。仍然，工具允许转储核心内存，因此可以使用加密代码。

外部存储器中的加密代码块不会让流浪眼以任何可用的形式反汇编它。 MCU包含一个解密算法，其中包含您定制的参数，可以为伪随机函数发生器提供种子。除非您知道种子，否则您无法轻松解码数据。

这是采用Maxim DS5000T-32-16 +等部件采用的方法，它是一种基于8位传统8051内核的安全微控制器。其核心是备用电池的SRAM，可创建“软”安全设计。即使被迫通过其地址序列，内部代码数据也已加密。 10年的数据保留规范将在没有电源的情况下保存内容。

请注意固件是如何保存在ROM，EPROM或Flash中的。相反，48或80位随机解密应用于传入的加密代码。如果检测到篡改，电池备份RAM甚至还具有自毁机制。

其他现代安全微处理器采用可交换模块格式，例如Maxim DS2250-64-16＃（图1）。请注意双电池以确保使用寿命。整个微控制器模块，存储器，加密引擎和实时时钟可以保持状态并继续在系统外部运行。这使得这些MCU成为安全密钥访问，安全和关键设置参数，秘密算法和处理技术，滤波器系数等的理想选择。

图1：带有加密SRAM的可交换安全模块自毁功能，用于保护密码和固件以及关键参数和安全设置。

新的非易失性单元结构

松下的独特技术及其ReRAM单元。该公司开发了一种新的非易失性存储器结构，该结构基于单个晶体管 - 电阻器核心单元，在特殊的电阻层中使用钽氧化物材料。使用普通的0.18μmCMOS工艺，ReRAM单元可以重新编程为1.8至3.6 V的低电平，而不必使用内部电荷泵来启动更高的电压。重写次数也很快：10 ns。另一个关键优势是，与许多闪存和EEPROM技术不同，单元在重写之前不必擦除。

Panasonic在两个8位内核中使用该技术，如MN101L，E和C系列以及16/32位内核，如MN103 L，S和H系列，性能级别为10至120 MHz，采用C优化架构。与闪存技术相比，ReRAM的优势在于降低了50％的功耗漏电流（图2）。据Panasonic称，与闪存或EEPROM不同，不需要中间数据擦除周期，因此写入时间快5倍。与典型的带有闪存的10 Kcycles相比，ReRAM的续航能力也增加到100 Kcycles。

图2：ReRAM技术降低了平均电流，足以消除其中一个电池，松下表示。点击例如，MN101LR04DXW等部件包含64 KB的ReRAM和另一个用于暂存器SRAM的4K。 8位器件具有16位内部架构，包括A/D（6通道，12位）等标准外设; I²C，UART和DMA。注意，ReRAM在程序区域只允许1K写周期，但在数据区域内具有完整的100K写入耐久性。另一种不同的技术来自瑞萨，它在其微控制器内部使用专有存储器技术来提高灵活性并减少生产掩模ROM型处理器的时间。一个示例部分是M37548G3FP＃U0，使用该公司的8位内部740内核，运行频率为8 MHz。它非常适用于相对较小（20针，15-I/O）的简单（6 KB QzROM）嵌入式设计，如电器，玩具和娱乐。更大的兄弟，M37542F8FP＃U0，采用更大的36引脚封装，具有29个I/O，将其增加到64 KB。

QzROM技术几乎取代了MASK ROM技术，大大缩短了开发周期。作为降低功率（图3）。与基于闪存的微系统的系统编程中的OTP和J-Tag一样，QzROM可以在安装后进行编程，还具有防篡改功能，可防止未经批准的访问。松下也采用这种技术，其高容量4位系列以720核心为中心。这两个内核都由Segger Flasher系列生产工具提供支持。

图3：与Flash和OTP一样，QzROM允许开发和非常高容量的掩模类产量，但显着与传统的掩膜技术相比，可以减少大批量生产延迟。

Innovasic在其66 MHz 32位灵活输入确定性输出（FIDO）MCU中使用的RREM存储器类型中提出了一种创新架构。针对实时通信应用并针对各种通信协议进行了优化，FIDO1100BGB208IR1等部件使用Innovasic所称的可重定位快速执行存储器（RREM）存储器单元。这些用于通过将代码映射到更高速的内存来加速代码的关键部分。 RREM连接到处理器的存储器总线，看起来像该总线上的任何其他外设。 RREM的存储器周期降至20 ns，以支持12.5μs的周期时间。通过不必使用等待状态或外部用于缓存式代码块，可以提高性能水平。

EEPROM和FRAM

并非所有形式的NovRAM都适用于代码存储，EEPROM就是其中的一个例子。 EEPROM单元更大，更复杂，并且通常具有较慢的速度，这限制了其为高速微控制器提供代码的能力。但是，在微控制器内部使用EEPROM进行非代码相关的非易失性存储是有好处的。

Flash是一种高密度形式的非易失性存储器，面向页面，必须在整个页面中加载以读取单个位于该页面中任何位置的字节。写入时也是如此，必须写入整个页面才能更改单个字节。但是，EEPROM可以在字节范围内访问，并且微控制器可以运行自己的代码来读取或写入片内EEPROM。飞思卡尔在其部分微控制器中增加了16位EEPROM模块，例如MC812A4CPVE8，这是供应商的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块和通用数组。

虽然安排为16位模块，但可以在单周期总线操作中读取和编程数据以进行字节和对齐字访问。未对齐的单词需要第二个周期。还提供了批量擦除功能。

嵌入式MCU内部现有的另一种新型非易失性字节宽可访问存储器技术来自德州仪器，它通过收购FRAM技术。 FRAM是铁电RAM，类似于早期计算机中使用的原始核心存储器。它具有可靠性，固有耐用性和抗辐射性。

从结构上讲，它就像一个DRAM单元总线，使用一层铁电材料代替介电材料，使其具有非易失性，与闪存技术相比具有快速写入和更低功耗。另一个关键优势是几乎无限制的写入耐久性，如SRAM。

TI已将FRAM模块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。

有关FRAM微控制器的产品培训模块概述，请访问Digi-Key网站。此外，还提供了另一个专门针对TI MSP430FR57xx FRAM MCU的产品培训模块。总而言之，工程师应该意识到我们在MCU中认为理所当然的存储器技术并非完全不存在。许多微控制器具有特殊的内存功能和架构，可以为您提供优势，我们在本文中重点介绍了其中的一些内容。此外，现代微控制器中新型存储器单元和传统存储器的组合可以为您的设计提供新颖，安全的应用。