为什么单片机内部RAM这么少？

也许大家都注意到了，在过去的20多年的时间里，微控制器（MCU）经历了跨越式的发展，这反映在很多方面，比如更高的系统时钟、更多的外设模块、更加便利的调试手段、32位的内核等。但MCU内部的数据内存空间，则始终在十几K（16~32KB）的左右徘徊。虽然有些基于Cortex M4核单片机有多达265kB RAM的型号，但在众多单片机型号阵列中，它们是寥寥无几。

那么，究竟什么原因使得单片机很容易拥有多达数 MB的程序Flash空间，而数据内存只有那么小呢？

在一篇博文“Why do microcontrollers have so little RAM?[1]”中，众人给出了单片机RAM容量小的很多原因。

在所有影响单片机内RAM增加的原因中，一个基础的问题就是RAM会占用很多硅片面积，这也会直接引起芯片价格的增加。这是因为在同样的硅片上，占用硅片面积大会使得MCU数量就会减少，特别是在晶圆片的边界部分造成更大的浪费。祸不单行，面积大的IC也更会产生缺陷，使得成品率下降。

第二个原因就是制作RAM的工序复杂。可以通过不同手段优化RAM生产工艺，但在制作MCU过程中， 同一芯片不可能经历过多的工序。有一些芯片加工服务厂商专门生产DRAM，这是利用特殊的半导体电容技术来极大减少RAM所占用的硅片面积，但DRAM需要通过不停刷新来维持其内部数据。为了延迟DRAM单元保持数据的能力，就要求晶体管漏电流小，这也会造成晶体管的运行速度降低。这需要在速度和数量之间做折中，但这种折中工艺不利于制作高速逻辑电路。

此外，大容量RAM电路在后期的测试阶段也会消耗大量的时间，从而增加生产的时间成本。所以，经济原因造成生产RAM的专门厂商兴起。

功耗是另外一个限制因素。单片机系统通常对功耗有限制，很多情况下，单片机通过进入睡眠状态来减少耗电量。普通的SRAM耗电量很小，通过备用电池往往可以工作很多年。但DRAM则需要通过不断刷新来维持存储的数据。一旦停止刷新，由于漏电流的存在，DRAM的内容在不到一秒钟的时间内就会消失。所以，单片机中不能够使用DRAM而只能使用占用硅片面积更大的SRAM。

在现代CPU技术中，往往在新品中保留数量较少的SRAM作为缓存（Cache），而将大容量的DRAM作为CPU外部的数据存储空间。

有一些非常酷的手段可以将不同生产工艺的RAM和MCU制作工艺融合在一起，例如多芯片封装技术(Multi-Chip Package)，将RAM新品放在MCU芯片上面堆叠一起进行封装，这比在电路板上将RAM与MCU集成更加节省系统体积，也提高数据传输速率。

最后一个原因，就是在绝大多数单片机应用的场合所需要的RAM的容量都比较少。比如在嵌入式控制领域，很多很多传感器信息都可以用极少字节的数据来表示，用于控制的参数和控制逻辑占用数据空间也很少。

所以，当需要大量RAM的应用出现的时候，往往就会直接采用集成有大容量DRAM的电路板来工作。通过外部集成大容量RAM芯片，要远比MCU内部集成的RAM更加经济。

除了前面的原因之外，单片机指令集也会限制RAM访问空间。比如Microchip公司的单片机，PIC10LF320，是12bit的指令，它只能够范围128字节的RAM空间。对于8031单片机，直接寻址的RAM空间也只有128字节。如果访问更大的外部存储空间，则需要借助于执行效率更低的间接指令。

单片机总线结构分为Harvard结构和Von Neumann结构，后者中，程序和数据存储空间是在同一个访问空间中。如果单片机中集成了大量的Flash区，那么留给数据RAM空间访问地址就少了。

此外，高效的C语言编译器，可以有效重复应用有限的RAM空间完成所需要的任务。在复杂的应用中，往往会采用多个单片机协同完成，这大大提高系统实时特性。巧妙的设计方案会避免嵌入式系统对大容量RAM的需求。所以，有人认为，正是由于没有大量需要高RAM容量的应用要求，是造成现在单片机内部RAM少的真正原因。

别忘了，早期那些令我们着迷的电子游戏，虽然有着炫酷的图形界面，但它们连程序带数据总共也只有8k字节的存储空间，比如吃豆子游戏，太空入侵游戏等。让我们向早期的这些极简风格嵌入式编程人员致敬吧。

审核编辑：汤梓红