對于所有基于微控制器的嵌入式系統而言，存儲器都是其中的主要元件。例如，開發人員需要足夠的 RAM 以存儲所有易失性變量、創建緩沖區以及管理各種應用堆棧。RAM 對于嵌入式系統相當重要，同樣，開發人員也需要一定空間用于存儲應用代碼、非易失性數據和配置信息。

然而，問題在于非易失性存儲器技術不斷擴展，選擇眾多，使選擇適合應用的存儲器頗具挑戰性。

本文對各種存儲器技術進行了介紹，并以 ON Semiconductor、Adesto Technologies、Renesas、ISSI、Cypress Semiconductor、Advantech、GigaDevice Semiconductor 和 Silicon Motion 等供應商推出的產品為例，幫助開發人員了解各種存儲器類型的特性。此外，本文還探討了各種類型存儲器的最佳應用，以便開發人員有效使用。

嵌入式系統中的 EEPROM 和 FRAM

EEPROM 往往是開發人員最先、最常考慮用于嵌入式系統的存儲器件。在嵌入式應用中，這類非易失性存儲器通常用于存儲系統配置參數。例如，連接至 CAN 總線網絡的設備可能會將 CAN ID 存儲于 EEPROM。

EEPROM 的以下特性使其成為嵌入式系統開發人員的理想之選：

• 小封裝尺寸

• 相對實惠的價格

• 100 kbps 至 1000 kbps 的典型比特率范圍

• 標準化電氣接口

• 通常支持 I²C 和 SPI 接口

目前，在 Digi-Key 網站上快速搜索 EEPROM 可以發現，共有 9 家 EEPROM 供應商提供的 5,800 多款 EEPROM。例如，ON Semiconductor 的 CAT24C32WI-GT3 是一款 32 Kb (4 KB) EEPROM 器件，采用 8 引腳 SOIC 封裝，連接 I²C 總線時速度可達 1 MHz（圖 1）。

圖 1：ON Semiconductor 的 CAT24C32WI-GT3 是一款 1 Kb 的 EEPROM，可通過 I²C 或 SPI 端口連接微控制器以存儲配置和應用數據。（圖片來源：ON Semiconductor）

值得注意的是，某些微控制器中也包含 EEPROM。例如，Renesas 的 R7FS128783A01CFM＃AA1 32 位微控制器，具有 4 KB 板載 EEPROM 可供開發人員使用。

因此，配置需求不能超過 4 KB，否則，開發人員就需要使用外部存儲器件，或使用微控制器的閃存來模擬 EEPROM 以擴展容量。

盡管 EEPROM 深受青睞，卻也存在一些潛在缺陷：

• 擦/寫操作壽命通常為 1,000,000 次

• 寫周期約為 500 ns

• 寫入單個數據單元需要多條指令

• 數據保存期為 10 年以上（近期的產品可達 100 年以上）

• 易受輻射和高工作溫度影響

EEPROM 適合的應用眾多，但對于汽車、醫療或航天系統等可靠性要求較高的應用，開發人員則希望使用 FRAM 等更可靠的存儲器解決方案。

FRAM 是“鐵電隨機存取存儲器”的縮寫，相較于 EEPROM 存儲器，頗具優勢：

• 速度更快（寫周期小于 50 ns）

• 寫操作壽命更長（高達 1 萬億次，EEPROM 僅為 100 萬次）

• 功率較低（工作電壓只需 1.5 V）

• 輻射耐受性更強

FRAM 的存儲容量與 EEPROM 相當。例如，Cypress Semiconductor 的 FRAM 系列容量范圍從 4 Kb 至 4 Mb。其中，FM25L16B-GTR 容量為 16 Kb（圖 2）。該器件采用 8 引腳 SOIC 封裝，工作頻率可達 20 MHz。

圖 2：Cypress 的 FRAM 系列存儲器容量從 4 Kb 至 4 Mb 不等，可通過 SPI 連接微控制器以存儲配置和應用數據。FM25L16B-GTR（如圖所示）的工作頻率可達 20 MHz。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

針對高端產品，Cypress Semiconductor 推出 CY15B104Q-LHXIT，容量為 4 Mb，支持的接口速度高達 40 MHz（圖 3）。這款 FRAM 存儲器具有以下特性：

• 151 年數據保存期

• 100 萬億次讀/寫

• 直接替代串行閃存和 EEPROM

正如您所猜想，FRAM 的價格比 EEPROM 昂貴，因此選擇適合應用的存儲器時，務必仔細權衡器件的各種工作環境因素。

圖 3：CY15B104Q-LHXIT 是一款 4 Mb 器件，工作頻率可達 40 MHz。該器件所屬的 Cypress FRAM 系列產品，容量范圍從 4 Kb 至 4 Mb。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

嵌入式系統中的閃存、eMMC 和 SD 卡

嵌入式系統中的閃存具有多種不同用途。首先，外部閃存可用于擴展內部閃存，從而增加應用代碼的可用存儲器空間。常用解決方法是：使用 GigaDevice Semiconductor 的 GD25Q80CTIGR 等 SPI 閃存模塊（圖 4）。如果微控制器支持 SPI 接口，則可通過該接口使用 GD25Q80CTIGR 將內部存儲器擴展 8 Mb。

圖 4：使用 GigaDevice Semiconductor Limited 的 GD25Q80CTIR 閃存，可通過 SPI 端口將內部閃存空間擴展 8 Mb。（圖片來源：GigaDevice Semiconductor Limited）

其次，外部閃存可用于存儲配置信息或應用數據，而非使用 EEPROM 或 FRAM。為了降低 BOM 成本或擴展內部存儲器以存儲應用數據，可以改用外部閃存芯片。微控制器外設和存儲器映射可以配置為加入該外部閃存，以便開發人員能夠更輕松地進行訪問，而無需專門對所需的驅動程序進行自定義調用，來連接 EEPROM 或 FRAM。

Adesto Technologies 的 AT25SF161 是一款適用于該用途的外部閃存器件范例（圖 5）。該器件使用隊列式 SPI (QSPI) 接口。QSPI 是對常規 SPI 協議的擴展，提高了系統數據吞吐量。對于單一事務需要存儲或檢索大量數據的應用，開發人員可留意這類器件。

QSPI 免除了 CPU 對 QSPI 外設的干預，并將接口由標準的 4 引腳（MOSI、MISO、CLK 和 CS）變更為 6 引腳（CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3）。因此，其中 4 個引腳可用于輸入和輸出，而傳統 SPI 只用 2 個引腳。

圖 5：Adesto Technologies 的 AT25SF161 外部閃存器件可用于擴展內部閃存，具有 QSPI 接口，可實現更快的數據存儲和檢索。（圖片來源：Adesto Technologies）

最后，閃存可用于存儲應用數據和有效載荷信息。例如，GPS 系統往往不會試圖將所有 GPS 地圖存儲于本地處理器，而是使用 SD 卡或 eMMC 器件等外部存儲器件。這些存儲介質可通過 SPI 或專用 SDIO 接口連接微控制器，從而有效連接外部存儲器件。

例如，ISSI 推出的 IS21ES04G-JCLI eMMC 可直接連接微控制器的 SDIO 接口，為其擴展 32 Gb 的閃存（圖 6）。

圖 6：ISSI 的 eMMC 閃存模塊存儲器容量達 32 Gb，可通過 SPI 或 SDIO 連接主機。（圖片來源：ISSI）

就電氣接口而言，SD 卡與 eMMC 器件別無二致。換言之，二者雖采用不同的封裝，但都具有通用引腳可用于連接微控制器。不過，這兩種存儲器類型卻截然不同。相較于 SD 卡，eMMC 通常具有以下差異：

• 更堅固耐用，不易出現物理損壞

• 交互更快

• 價格更昂貴

• 須焊接至電路板，不可拆卸

如果用戶無需拆卸存儲器，那么使用 eMMC 可以提供更可靠的解決方案，但仍取決于最終應用。無論哪種情況下，開發人員都需要仔細選擇存儲器，因為每款存儲器的特性各不相同。

例如，車載子系統可能要求存儲器經過可靠性驗證，標準往往高于標準閃存器件。在這種情況下，開發人員需要選擇通過汽車級鑒定的存儲器，例如 Silicon Motion 的 SM668GE4-AC 4 GB eMMC 模塊。

選購 SD 卡時，開發人員必須慎重考慮，因為與 eMMC 一樣，每款 SD 卡的特性各不相同。開發人員需仔細檢查存儲卡的速度等級和工作溫度。例如，多數 SD 卡的額定溫度范圍為 0 至 70 ℃，適用于消費類電子產品。

此外，每款存儲卡都具有相關速度等級，用于描述預期最大接口速度。例如，在需要存儲圖像的應用中，使用 Class 2 存儲卡則速度較慢，遠不如專為高清視頻設計的 Class 10 存儲卡，例如 Advantech 推出的 SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4 GB microSD 卡。

圖 7：Advantech 的 SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash microSD 卡存儲器容量達 4 GB，速度等級為高端 Class 10。（圖片來源：Advantech Corp）

存儲器選擇技巧與訣竅

為嵌入式產品選擇合適的存儲器類型和接口頗具挑戰性。選擇適合應用的存儲器時，開發人員可以參考以下“技巧與訣竅”：

• 明確存儲器工作條件，例如：

• 預期擦/寫次數

• 溫度、振動和輻射等環境條件和因素

• 數據加載要求

• 記錄應用中存儲器正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率

• 選擇最接近記錄中所需比特率的存儲器接口類型

• 對于汽車或航天系統等惡劣環境條件，須選擇通過汽車級鑒定或輻射耐受性較強的存儲器

• 使用分線板將所選存儲器件連接至微控制器開發套件以測試其性能

上述技巧有助于確保開發人員找到適合嵌入式應用的存儲器。

總結

如今，可供開發人員選擇的非易失性存儲器件種類繁多，可用于存儲各種數據，從應用代碼到配置信息，不一而足。如上所述，開發人員需仔細評估應用需求，慎重選擇存儲器類型和接口，以期取得這些需求與成本之間的平衡。