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MCU 中內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)量取決于存儲(chǔ)器的分類方式。主要有兩種存儲(chǔ)器：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。但是，根據(jù)內(nèi)存性能不同，RAM 和 ROM 有不同的類型。這些不同類型的存儲(chǔ)器可用于各種功能，例如高速緩存、主存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器等。另一方面，存在內(nèi)存的虛擬與物理定義的問(wèn)題。

RAM 的兩種主要類型是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (DRAM)。兩者都需要施加電壓來(lái)保存它們的信息。DRAM 很簡(jiǎn)單，基本實(shí)現(xiàn)只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器。DRAM是所有內(nèi)存技術(shù)中使用最廣泛的一種。當(dāng)集成到 MCU 中時(shí)，它被稱為嵌入式 DRAM (eDRAM)。與用作外部存儲(chǔ)器的等效獨(dú)立 DRAM 芯片相比，eDRAM 的每比特成本更高。盡管如此，將 eDRAM 放置在與處理器相同的芯片上的性能優(yōu)勢(shì)仍超過(guò)了高性能應(yīng)用中的成本劣勢(shì)。

SRAM 比 eDRAM 更復(fù)雜，通常由六個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)。 SRAM 比 DRAM 更快，因此非常適合集成到 MCU 中。它是最常用的內(nèi)部 MCU 內(nèi)存技術(shù)之一。 SRAM 通常用作高速緩存和處理器寄存器。

MCU 中的非易失性存儲(chǔ)器包括閃存和電可擦可編程 ROM (EEPROM)。閃存是 EEPROM 的一種形式。它們之間的主要區(qū)別在于它們的管理方式； Flash 在塊級(jí)別進(jìn)行管理（寫入或擦除），而 EEPROM 可以在字節(jié)級(jí)別進(jìn)行管理。閃存可用于 NAND 和 NOR 架構(gòu)。 NAND 閃存以塊為單位處理數(shù)據(jù)，讀取速度快于寫入速度。它可以快速傳輸多頁(yè)數(shù)據(jù)。它提供比 NOR 更高的單位面積容量，用于高密度存儲(chǔ)。NOR Flash支持更細(xì)粒度的操作，并提供高速隨機(jī)訪問(wèn)。NOR Flash可以讀寫特定的數(shù)據(jù)。

Fujio Masuoka 在 1980 年代在東芝工作時(shí)發(fā)明了閃存。他的同事 Shoji Ariizumi 使用 Flash 一詞來(lái)描述新技術(shù)，因?yàn)椴脸袛?shù)據(jù)讓他想起了相機(jī)的 Flash。易失性和非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)可以根據(jù)幾個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較：

速度：易失性內(nèi)存通常更快

成本：易失性內(nèi)存成本更低

壽命：易失性存儲(chǔ)器的壽命更長(zhǎng)。非易失性存儲(chǔ)器由于其重寫能力而具有有限的壽命。

能耗：DRAM等易失性存儲(chǔ)器需要重復(fù)數(shù)據(jù)刷新，這會(huì)消耗額外的功率。非易失性存儲(chǔ)器通常消耗較少的功率。

表 1：多種類型的 RAM 和 ROM 存儲(chǔ)器提供特定的性能權(quán)衡。（來(lái)源：東芝）

內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)

高速緩存是 MCU 中的關(guān)鍵系統(tǒng)。有兩種方法可以對(duì)高速緩存進(jìn)行分類：層次結(jié)構(gòu)或功能。當(dāng)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述時(shí)，最多可以有 4 級(jí)高速緩存。高速緩存由快速存儲(chǔ)器組成，例如 SRAM 和 eDRAM，以補(bǔ)償主 Flash 存儲(chǔ)器較慢的訪問(wèn)時(shí)間。 1 級(jí)高速緩存是一小塊內(nèi)存，可以與 CPU 一樣快地運(yùn)行以支持最大處理速度。 2 級(jí)和 3 級(jí)緩存支持 1 級(jí)緩存。它們比 1 級(jí)緩存更大、但是慢一些，不過(guò)依然比主內(nèi)存快（圖 1）。

圖 1：處理器和主存儲(chǔ)器之間的高速緩存集，以提供支持高效處理器操作所需的更快訪問(wèn)時(shí)間。 

在性能和大小方面，eDRAM 位于內(nèi)存總線上的 3 級(jí)緩存和傳統(tǒng) DRAM 之間，用作 4 級(jí)緩存。與 SRAM 相比，更高密度的 eDRAM 可以支持更寬的總線和更高的運(yùn)行速度。與 SRAM 相比，更大量的 eDRAM 可以集成到更小的區(qū)域中。制造 eDRAM 比 SRAM 更復(fù)雜，但是當(dāng)需要大量?jī)?nèi)存時(shí)，eDRAM 節(jié)省的 3 倍面積可以抵消制造成本。

對(duì)于任何給定級(jí)別的高速緩存，所有塊都具有相同的大小和關(guān)聯(lián)性。像 1 級(jí)緩存這樣的較低級(jí)別具有更少且更快的塊。隨著級(jí)別增加到 2 和 3，緩存內(nèi)存的塊數(shù)越來(lái)越多，塊大小越來(lái)越大，而且一組中的塊也越來(lái)越多。但是每一級(jí)高速緩存都比主存快得多。除了主緩存外，特殊類型用于特定功能。示例包括：

管道緩存。例如，在 RISC MCU 中，流水線 CPU 從流水線中的多個(gè)點(diǎn)訪問(wèn)內(nèi)存，包括數(shù)據(jù)提取、指令提取和虛擬到物理地址轉(zhuǎn)換。管道使用三個(gè)專用緩存：數(shù)據(jù)、指令和轉(zhuǎn)換緩沖區(qū) (TLB)。

犧牲緩存。已從 CPU 緩存中替換和刪除的數(shù)據(jù)塊保存在犧牲緩存中。犧牲緩存設(shè)置在主緩存和重新填充路徑之間。它是完全關(guān)聯(lián)的，旨在減少可以從高度關(guān)聯(lián)映射中受益程序的沖突未命中次數(shù)。在一些實(shí)現(xiàn)中，4 級(jí)緩存可以用作犧牲緩存。

微操作緩存。該高速緩存存儲(chǔ)從指令高速緩存或指令解碼器接收到的已解碼指令的微操作。它可以加快處理速度。當(dāng)指令需要解碼以查看其解碼形式是否已經(jīng)可用時(shí)，檢查微操作緩存。如果它在微操作緩存中不可用，則該指令將被解碼并緩存以供將來(lái)使用。

內(nèi)存組織和 MCU 架構(gòu)

不同的 MCU 類型，例如 AVR 和 ARM 架構(gòu)，使用不同的方式來(lái)組織內(nèi)存。基于哈佛的 AVR 架構(gòu)將內(nèi)存拆分成閃存、內(nèi)部和外部 DRAM 以及 EEPROM（圖 2）。因此，使用這些 MCU 的系統(tǒng)將內(nèi)存組織成特定的部分，包括：

文本部分包含加載到閃存中的指令；數(shù)據(jù)部分包含已初始化的變量，BSS 包含未初始化的數(shù)據(jù)，堆棧包含函數(shù)和中斷的數(shù)據(jù)，堆包含運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的變量。

圖 2：在基于哈佛的 AVR 微控制器中，存儲(chǔ)器分為閃存（左）、內(nèi)部和外部 DRAM（中）和 EEPROM（右）。 

在 ARM MCU 中，內(nèi)存映射與 32 位、36 位和 40 位的不同地址配置一起使用，具體取決于系統(tǒng)地址空間和額外 DRAM 的要求。內(nèi)存管理單元 (MMU) 控制內(nèi)存訪問(wèn)指令，這些指令可用于高級(jí)代碼以管理中斷模塊和集成外設(shè)。

MMU 的主要目的是使處理器能夠在虛擬內(nèi)存空間中獨(dú)立運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。 MMU 使用轉(zhuǎn)換表來(lái)橋接虛擬和物理內(nèi)存地址。虛擬地址通過(guò)帶有內(nèi)存指令的軟件進(jìn)行管理。物理地址根據(jù)虛擬地址給出的轉(zhuǎn)換表輸入進(jìn)行控制（圖 3）。

圖 3：在混合 ARM 處理器中，轉(zhuǎn)換表在虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間進(jìn)行映射。 （圖片：阿杜諾）

MMU 是一個(gè)專門的內(nèi)存單元，包括從內(nèi)存中讀取翻譯表的單元和緩存最近使用的翻譯的 TLB。 CPU 軟件中的所有內(nèi)存地址都是虛擬的。 MMU 檢查 TLB 是否有最近緩存的翻譯。如果不存在，table walk 單元從內(nèi)存中讀取適當(dāng)?shù)谋項(xiàng)l目。

總結(jié)

MCU 包括各種形式的 RAM 和 ROM，以支持特定的性能要求。 MCU 中最常見(jiàn)的存儲(chǔ)器形式包括 eDRAM 和 SRAM 易失性存儲(chǔ)器以及閃存和 EEPROM 非易失性存儲(chǔ)器。 Flash 和 EEPROM 一般用于主存儲(chǔ)器，而 eDRAM 和 SRAM 用于各種高速緩存功能。此外，MCU 存儲(chǔ)器基于虛擬和物理地址和功能進(jìn)行組織，并通過(guò) MMU 進(jìn)行管理。

編輯：冀凱 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/mcu/ic624851.html