MCU 是許多嵌入式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元素，但通常需要額外的功能來實(shí)現(xiàn)必要的系統(tǒng)功能。在基于 MCU 的設(shè)計(jì)中，最受限制的元素之一可能是片上存儲(chǔ)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(jí)人機(jī)界面 （HMI） 設(shè)計(jì)可能需要大量只讀圖像和音頻信息，這些信息不容易存儲(chǔ)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(chǔ)的高級(jí)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(chǔ)器接口。這將幫助設(shè)計(jì)人員更有效地實(shí)現(xiàn)需要額外外部存儲(chǔ)（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(chǔ)器接口

　　擴(kuò)展存儲(chǔ)能力所需的最明顯的外部存儲(chǔ)器接口可能是大型工作 SRAM。通常，MCU 的片上 SRAM 數(shù)量相對(duì)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(jí)用戶界面可能需要大量緩沖存儲(chǔ)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(chǔ)或傳輸這些數(shù)據(jù)文件時(shí)會(huì)使用壓縮技術(shù)來降低本地存儲(chǔ)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(chǔ)空間。通常，在通信應(yīng)用或數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中也需要大的工作存儲(chǔ)器作為緩沖存儲(chǔ)器。

　　許多 MCU 提供帶有特殊電路的外部存儲(chǔ)器接口控制器，用于控制外部 SDRAM 設(shè)備。NXP LPC1787是一個(gè)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(chǔ)器控制器外設(shè)，如圖 1 所示，具有幾個(gè)可編程延遲元件，用于調(diào)整關(guān)鍵 SDRAM 信號(hào)中使用的關(guān)鍵接口信號(hào)的時(shí)序。例如，可以調(diào)整兩個(gè)潛在 SDRAM 時(shí)鐘（CLKOUT1 和 CLKOUT2）的延遲值，以根據(jù)存儲(chǔ)器的要求定位轉(zhuǎn)換。此外，另一個(gè)可編程延遲調(diào)整從存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)被采樣的時(shí)間。這種時(shí)序調(diào)整及其范圍和精度對(duì)于簡化存儲(chǔ)器接口、電路板布局和相關(guān)的信號(hào)時(shí)序檢查至關(guān)重要。

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

　　NXP LPC1787 外部存儲(chǔ)器接口還包括其他幾個(gè)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?cè)试S對(duì)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?cái)?shù)據(jù)副本，因此對(duì)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(qǐng)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?yàn)榇蟛糠钟布趦蓚€(gè)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(shí)使用兩種類型的內(nèi)存。

　　配置外部存儲(chǔ)器

　　外部存儲(chǔ)器通常有多種用途——應(yīng)用程序不會(huì)將其視為單一的存儲(chǔ)“塊”。一種配置片外存儲(chǔ)器塊以簡化存儲(chǔ)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(gè)示例MCU 系列。在這個(gè) MCU 中，使用特殊的 MOVX 指令訪問外部存儲(chǔ)器。為了方便組合對(duì)片上和片外存儲(chǔ)器的訪問，可以將一部分片上存儲(chǔ)器映射到外部存儲(chǔ)器空間。圖 2 顯示了可用于將內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器映射到外部存儲(chǔ)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(chǔ)器空間，當(dāng)片上 XRAM 存儲(chǔ)器地址超過片上存儲(chǔ)器量時(shí)，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(chǔ)器的啟動(dòng)問題時(shí)，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(chǔ)器配置。（由 Silicon Labs 提供）

　　在模式 2 和 3（圖 2 中從左數(shù)第二個(gè)和第三個(gè)）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(dòng)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(chǔ)體地址自動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)器需求——代碼、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、轉(zhuǎn)換表、

　　外部存儲(chǔ)器接口靈活性

　　在某些應(yīng)用中，MCU 外部存儲(chǔ)器接口支持多種存儲(chǔ)器類型同時(shí)最大限度地減少器件引腳數(shù)至關(guān)重要。一個(gè)常見的組合是用于程序存儲(chǔ)的閃存和用作工作存儲(chǔ)器的 SRAM。如果在 MCU 上使用多個(gè)存儲(chǔ)器接口，這可能會(huì)在封裝中增加 20 個(gè)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(chǔ)控制器中提供了額外的靈活性，可以輕松適應(yīng)各種存儲(chǔ)設(shè)備。例如，流行的Microchip PIC18FMCU 系列提供靈活的存儲(chǔ)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(gè)外部總線接口的方法。在這種情況下，一些外部組件（兩個(gè) 373 鎖存器和一個(gè) 138 解碼器）用于最大限度地減少 MCU 上使用的引腳數(shù)量。（對(duì)于只需要一個(gè) 373 鎖存器的 8 位接口，也可以實(shí)現(xiàn)更簡單的實(shí)現(xiàn)）。具有這種靈活性的外部存儲(chǔ)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(jì)中最重要的元素之一。

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

　　接口時(shí)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(shí)序靈活性。例如，如果內(nèi)存慢于 MCU 時(shí)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(chǔ)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(chǔ)器，還可用于存儲(chǔ)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(shí)，這種能力就更加重要。愛特梅爾 ATmega _MCU 系列可以為外部存儲(chǔ)器空間分配兩個(gè)不同的等待狀態(tài)值。如下圖 4 所示，存儲(chǔ)器配置 A 允許將外部存儲(chǔ)器分為兩個(gè)扇區(qū)——上扇區(qū)和下扇區(qū)。扇區(qū)大小可以有八個(gè)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(chǔ)器空間。（由愛特梅爾提供）

　　將外部存儲(chǔ)器空間劃分為兩個(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)提高了性能并節(jié)省了功耗。

　　結(jié)論

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