基于MCU外部存儲器接口的系統(tǒng)設(shè)計

MCU是許多嵌入式子系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵元素，但實現(xiàn)必要的系統(tǒng)功能通常需要額外的功能。也許基于MCU的設(shè)計中最受限制的元素之一是片上存儲器。越來越多的應(yīng)用程序需要比MCU可用的系統(tǒng)內(nèi)存更多的系統(tǒng)內(nèi)存。特別是，先進的人機界面（HMI）設(shè)計可能需要大量的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。這將有助于設(shè)計人員更有效地實現(xiàn)需要額外外部存儲的基于MCU的系統(tǒng) - 無論是NVM閃存還是易失性SRAM/DRAM。

SDRAM的外部存儲器接口

也許最多擴展存儲能力所需的明顯外部存儲器接口適用于大型工作SRAM。通常，MCU具有相對少量的片上SRAM，并且通常應(yīng)用將需要比片上可用的更多的工作存儲器。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)文件時使用壓縮技術(shù)以降低本地存儲要求或系統(tǒng)帶寬要求。這意味著可能需要大量的工作存儲來解壓縮這些文件。通常，通信應(yīng)用或數(shù)字信號處理應(yīng)用中需要大量工作存儲器作為緩沖存儲器。

許多MCU為外部存儲器接口控制器提供了用于控制外部SDRAM器件的特殊電路。強調(diào)支持SDRAM接口的關(guān)鍵硬件元件的示例MCU是恩智浦LPC1787 MCU。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 ：恩智浦LPC1787 MCU外部存儲器控制器。 （恩智浦提供）

恩智浦LPC1787外部存儲器接口還包括幾個其他重要的硬件功能，使外部SDRAM接口更高效。例如，框圖頂部顯示的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可用作讀緩沖區(qū)，寫緩沖區(qū)或組合使用。作為寫入緩沖區(qū)，它們允許對事務(wù)進行分組，以最大限度地減少外部寫入操作的數(shù)量，從而提高系統(tǒng)帶寬并降低功耗。作為讀緩沖器，它們充當本地數(shù)據(jù)副本，因此對相同位置的進一步訪問可以使用片上緩沖器版本。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Flash的靜態(tài)存儲器接口。這是大多數(shù)現(xiàn)代MCU存儲器 - 控制器外設(shè)中使用的典型方法，因為大多數(shù)硬件在兩個應(yīng)用程序之間都很常見，并且應(yīng)用程序通常不需要同時使用這兩種類型的存儲器。

配置外部存儲器

外部存儲器通常用于多種用途 - 應(yīng)用程序不會將其視為存儲的單塊“塊”。用于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 MCU系列使用了這種技術(shù)的一個例子。在該MCU中，使用特殊的MOVX指令訪問外部存儲器。為了便于將訪問組合到片上和片外存儲器，可以將片上存儲器的一部分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映射到完整的外部存儲器空間，當片上XRAM存儲器地址超過片上存儲器的數(shù)量時，地址“包裹”。當芯片退出復(fù)位時，這可能是一種有用的模式，以避免未初始化外部存儲器的啟動問題。成功配置和測試存儲器接口后，可以啟用外部存儲器空間。如果不使用外部存儲器，也可以使用該模式。

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

在模式2和3中，圖2中左起第二個和第三個，地址空間在片上和片外訪問之間分配。在模式2中，存儲體選擇不用于將高階地址位驅(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，從而提供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。這使得可以訪問在其他地址模式中可能無法訪問的外部數(shù)據(jù)，以充分利用可用內(nèi)存。如果您的應(yīng)用程序具有多種不同類型的外部存儲器要求 - 代碼，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)換表或音頻/視頻處理，則可以簡化設(shè)計，以使用具有地址映射和塊訪問功能的外部存儲器控制器。

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小化器件引腳數(shù)量至關(guān)重要。常見的組合是用于程序存儲的Flash和用作工作存儲器的SRAM。如果MCU上使用多個存儲器接口，則可能會在封裝中添加20個或更多引腳，從而增加了成本，功耗和電路板空間要求。一些MCU在外部存儲器控制器中提供了額外的靈活性，可以輕松適應(yīng)各種存儲器設(shè)備。例如，流行的Microchip PIC18F MCU系列提供了靈活的存儲器接口，可以擴展到多種器件類型。圖3顯示了使用單個外部總線連接標準閃存和標準SRAM的一種方法。在這種情況下，使用一些外部組件（兩個373鎖存器和一個138解碼器）來最小化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，最大化引腳效率，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。 （由Microchip Technology提供）

接口時序靈活性

除IO互連靈活性外，外部接口通常還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。當外部接口不僅可用于標準存儲器而且可用于存儲器映射器外設(shè)（如液晶顯示器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器）時，此功能更為重要。 Atmel 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。如下面的圖4所示，存儲器配置A允許外部存儲器被分成兩個扇區(qū) - 上部扇區(qū)和下部扇區(qū)。扇區(qū)大小可以有八個不同的值之一，以0x2000為增量從0x2000到0xE000調(diào)整上段和下段之間的分界線。

圖4：Atmel ATmega64外部存儲空間。 （由Atmel提供）

將外部存儲器空間劃分為兩個扇區(qū)可以輕松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。這樣可以最大限度地降低MCU引腳要求，同時提高性能并節(jié)省功耗。

結(jié)論

MCU有時需要使用外部存儲器接口擴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。