基于MCU系統(tǒng)的外部存儲器接口配置

　　MCU 是許多嵌入式子系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵元素，但通常需要額外的功能來實現(xiàn)必要的系統(tǒng)功能。在基于 MCU 的設(shè)計中，最受限制的元素之一可能是片上存儲器。越來越多的應(yīng)用程序需要比 MCU 可用的更多的系統(tǒng)內(nèi)存。特別是，高級人機(jī)界面 （HMI） 設(shè)計可能需要大量只讀圖像和音頻信息，這些信息不容易存儲在 MCU 片上閃存中。此外，越來越多的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)片上 RAM 過度限制了需要大量數(shù)據(jù)緩沖和存儲的高級通信通道。

　　本文將快速回顧現(xiàn)代 MCU 上可用的一些外部存儲器接口。這將幫助設(shè)計人員更有效地實現(xiàn)需要額外外部存儲（如 NVM 閃存或易失性 SRAM/DRAM）的基于 MCU 的系統(tǒng)。

　　到 SDRAM 的外部存儲器接口

　　擴(kuò)展存儲能力所需的最明顯的外部存儲器接口可能是大型工作 SRAM。通常，MCU 的片上 SRAM 數(shù)量相對較少，而且應(yīng)用程序需要的工作內(nèi)存通常比片上可用內(nèi)存多。例如，高級用戶界面可能需要大量緩沖存儲器來處理圖形用戶界面 （GUI） 和創(chuàng)建視頻或音頻提示。通常，在存儲或傳輸這些數(shù)據(jù)文件時會使用壓縮技術(shù)來降低本地存儲需求或系統(tǒng)帶寬需求。這意味著解壓縮這些文件可能需要大量的工作存儲空間。通常，在通信應(yīng)用或數(shù)字信號處理應(yīng)用中也需要大的工作存儲器作為緩沖存儲器。

　　許多 MCU 提供帶有特殊電路的外部存儲器接口控制器，用于控制外部 SDRAM 設(shè)備。NXP LPC1787是一個突出用于支持 SDRAM 接口的關(guān)鍵硬件元素的示例 MCU單片機(jī)。外部存儲器控制器外設(shè)，如圖 1 所示，具有幾個可編程延遲元件，用于調(diào)整關(guān)鍵 SDRAM 信號中使用的關(guān)鍵接口信號的時序。例如，可以調(diào)整兩個潛在 SDRAM 時鐘（CLKOUT1 和 CLKOUT2）的延遲值，以根據(jù)存儲器的要求定位轉(zhuǎn)換。此外，另一個可編程延遲調(diào)整從存儲器讀取的數(shù)據(jù)被采樣的時間。這種時序調(diào)整及其范圍和精度對于簡化存儲器接口、電路板布局和相關(guān)的信號時序檢查至關(guān)重要。

　　圖 1：NXP LPC1787 MCU 外部存儲器控制器。（恩智浦提供）

　　NXP LPC1787 外部存儲器接口還包括其他幾個重要的硬件特性，使外部 SDRAM 接口更加高效。例如，框圖頂部顯示的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可用作讀取緩沖區(qū)、寫入緩沖區(qū)或組合使用。作為寫緩沖器，它們允許對事務(wù)進(jìn)行分組，以最大限度地減少外部寫操作的數(shù)量，提高系統(tǒng)帶寬并降低功耗。作為讀取緩沖區(qū)，它們充當(dāng)本地數(shù)據(jù)副本，因此對同一位置的進(jìn)一步訪問可以使用片上緩沖區(qū)版本。這減少了外部讀取操作的數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)帶寬并降低了功耗。

　　請注意，NXP 內(nèi)存控制器還支持 RAM、ROM 和閃存的靜態(tài)內(nèi)存接口。這是大多數(shù)現(xiàn)代 MCU 內(nèi)存控制器外設(shè)中使用的典型方法，因為大部分硬件在兩個應(yīng)用程序之間是通用的，而且應(yīng)用程序通常不需要同時使用兩種類型的內(nèi)存。

　　配置外部存儲器

　　外部存儲器通常有多種用途——應(yīng)用程序不會將其視為單一的存儲“塊”。一種配置片外存儲器塊以簡化存儲器訪問的方法有助于簡化應(yīng)用程序編碼。Silicon Labs C8051F70x/71x使用了這種技術(shù)的一個示例MCU 系列。在這個 MCU 中，使用特殊的 MOVX 指令訪問外部存儲器。為了方便組合對片上和片外存儲器的訪問，可以將一部分片上存儲器映射到外部存儲器空間。圖 2 顯示了可用于將內(nèi)部和外部存儲器映射到外部存儲器地址空間的四種配置模式。在模式 1 中，如圖 2 的最左側(cè)所示，內(nèi)部 XRAM 被映射到完整的外部存儲器空間，當(dāng)片上 XRAM 存儲器地址超過片上存儲器量時，地址“回繞”。當(dāng)使芯片退出復(fù)位以避免未初始化外部存儲器的啟動問題時，這可能是一種有用的模式。成功配置和測試內(nèi)存接口后，即可啟用外部內(nèi)存空間。

　　圖 2：Silicon Labs C8051F70x/71x 外部存儲器配置。（由 Silicon Labs 提供）

　　在模式 2 和 3（圖 2 中從左數(shù)第二個和第三個）中，地址空間在片上和片外訪問之間劃分。在模式 2 中，組選擇不用于將高位地址位驅(qū)動到地址總線上；用戶可以控制這些地址值以提供額外的靈活性。在模式 3 中，片上存儲體地址自動用于驅(qū)動外部地址總線，提供了一種更簡單但不太靈活的方法。在模式 4 中，在圖 2 的最右側(cè)，片外存儲器完全映射到外部地址空間。這使得訪問在其他地址模式下可能無法訪問的外部數(shù)據(jù)成為可能，以充分利用可用內(nèi)存。如果您的應(yīng)用程序有幾種不同類型的外部存儲器需求——代碼、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、轉(zhuǎn)換表、

　　外部存儲器接口靈活性

　　在某些應(yīng)用中，MCU 外部存儲器接口支持多種存儲器類型同時最大限度地減少器件引腳數(shù)至關(guān)重要。一個常見的組合是用于程序存儲的閃存和用作工作存儲器的 SRAM。如果在 MCU 上使用多個存儲器接口，這可能會在封裝中增加 20 個或更多引腳，從而增加成本、功耗和電路板空間要求。一些 MCU 在外部存儲控制器中提供了額外的靈活性，可以輕松適應(yīng)各種存儲設(shè)備。例如，流行的Microchip PIC18FMCU 系列提供靈活的存儲器接口，可擴(kuò)展到多種設(shè)備類型。圖 3 顯示了一種將標(biāo)準(zhǔn)閃存和標(biāo)準(zhǔn) SRAM 與單個外部總線接口的方法。在這種情況下，一些外部組件（兩個 373 鎖存器和一個 138 解碼器）用于最大限度地減少 MCU 上使用的引腳數(shù)量。（對于只需要一個 373 鎖存器的 8 位接口，也可以實現(xiàn)更簡單的實現(xiàn)）。具有這種靈活性的外部存儲器接口允許“保存”的 IO 用于其他功能，最大限度地提高引腳效率，這是基于 MCU 的設(shè)計中最重要的元素之一。

　　圖 3：Microchip PIC18F MCU 外部存儲器接口框圖。（微芯科技提供）

　　接口時序靈活性

　　除了 IO 互連靈活性之外，外部接口通常需要一定的時序靈活性。例如，如果內(nèi)存慢于 MCU 時鐘周期，則可能需要插入等待狀態(tài)。理想情況下，可以為不同的外部存儲器塊分配不同的等待狀態(tài)特性。當(dāng)外部接口不僅可用于標(biāo)準(zhǔn)存儲器，還可用于存儲器映射器外圍設(shè)備（如液晶顯示器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器）時，這種能力就更加重要。愛特梅爾 ATmega _MCU 系列可以為外部存儲器空間分配兩個不同的等待狀態(tài)值。如下圖 4 所示，存儲器配置 A 允許將外部存儲器分為兩個扇區(qū)——上扇區(qū)和下扇區(qū)。扇區(qū)大小可以有八個不同的值之一，以 0x2000 的增量從 0x2000 到 0xE000 調(diào)整上段和下段之間的分界線。

　　圖 4：Atmel ATmega64 外部存儲器空間。（由愛特梅爾提供）

　　將外部存儲器空間劃分為兩個扇區(qū)可以很容易地將具有較大等待狀態(tài)值的設(shè)備和具有較小等待狀態(tài)值的設(shè)備組合在一起。也許最重要的是，如果零等待狀態(tài)存儲器用于頻繁訪問的程序數(shù)據(jù)，即使較慢的設(shè)備共享相同的存儲器總線，也可以使用零等待狀態(tài)值。這最大限度地減少了 MCU 引腳要求，同時提高了性能并節(jié)省了功耗。

　　結(jié)論

　　MCU 有時需要通過使用外部存儲器接口來擴(kuò)展可用的片上存儲器。了解這些接口的功能可以縮短設(shè)計時間、降低成本并提高系統(tǒng)性能。