隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 逐漸需要執(zhí)行更為復(fù)雜的任務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的存儲(chǔ)器需求隨之增加，尤其是執(zhí)行高級(jí)邊緣計(jì)算的端點(diǎn)。不過，片上微控制器閃存的上限約為 1 兆位 （Mbit），而許多高端物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的存儲(chǔ)器需求通常是其數(shù)倍之多。

　　傳統(tǒng)的解決方案是利用外部閃存芯片擴(kuò)展微控制器的程序存儲(chǔ)器，但是存儲(chǔ)器要求高達(dá) 8 Mbit 或更大時(shí)，往往就必須使用片外存儲(chǔ)器。

　　因此，在許多情況下，設(shè)計(jì)人員最好干脆忽略片上閃存，而使用無閃存微處理器（即無 ROM 微控制器），搭配外部高速八線 SPI 芯片內(nèi)執(zhí)行 （XiP） 閃存芯片，從而顯著降低微控制器成本，同時(shí)加強(qiáng)可擴(kuò)展性以提高設(shè)計(jì)保障。由于增加了高速八線存儲(chǔ)器接口，因而無需再擔(dān)心存儲(chǔ)器訪問時(shí)間。

　　本文介紹了無 ROM 微控制器和外部存儲(chǔ)器，探討了在需要大容量程序存儲(chǔ)器的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)和嵌入式系統(tǒng)中如何使其成為可行選擇。此外，本文還以 NXP Semiconductors 的無 ROM 微控制器和 Adesto Technologies 的八線 SPI XiP 閃存芯片為例，介紹了如何應(yīng)用這一概念。

　　物聯(lián)網(wǎng)邊緣端點(diǎn)的存儲(chǔ)器擴(kuò)展

　　中低性能的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)大多使用微控制器來管理端點(diǎn)，固件存儲(chǔ)在片上閃存中。由于增加了額外的應(yīng)用代碼、無線 IP 通信堆棧和增強(qiáng)安全代碼，因而固件也需擴(kuò)展。代碼擴(kuò)展可以在開發(fā)階段進(jìn)行，也可在現(xiàn)場(chǎng)更新時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　如今，部分物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)需要執(zhí)行更多計(jì)算功能。這些物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)需要執(zhí)行傳感器融合算法、數(shù)據(jù)插值、模式或圖像識(shí)別，以及日益復(fù)雜的人工智能 （AI） 計(jì)算等復(fù)雜任務(wù)，而非只是通過網(wǎng)絡(luò)將原始或部分處理的傳感器數(shù)據(jù)傳輸至中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

　　因此，中央計(jì)算機(jī)僅僅只接收物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的本地處理結(jié)果，而非原始傳感器數(shù)據(jù)的所有字節(jié)，從而減少無線網(wǎng)絡(luò)流量。射頻發(fā)射器可能是物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)中功耗最大的組件，因此邊緣計(jì)算往往可以延長(zhǎng)電池供電端點(diǎn)的電池續(xù)航時(shí)間。

　　除此之外，需要現(xiàn)場(chǎng)更新的系統(tǒng)還面臨其他存儲(chǔ)器挑戰(zhàn)。常規(guī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器需求至少是預(yù)估程序存儲(chǔ)空間的兩倍，以便處理現(xiàn)場(chǎng)更新。這樣既能包含現(xiàn)有的程序存儲(chǔ)器，又可處理所有無線 （OTA） 更新。某些系統(tǒng)可能需要預(yù)估程序存儲(chǔ)空間的三倍，剩余的存儲(chǔ)器分配給只讀出廠固件鏡像。若檢測(cè)到黑客攻擊或出現(xiàn)固件鏡像損壞等特定類型的系統(tǒng)故障，系統(tǒng)則可以加載出廠固件鏡像以恢復(fù)系統(tǒng)。

　　對(duì)于某些應(yīng)用，存儲(chǔ)器擴(kuò)展很快就會(huì)超過 1 Mbit 的嵌入式閃存上限，因而必須擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。過去采用的解決方案是添加外部并行閃存芯片。不過，這一方案的缺陷是會(huì)占用微控制器約 36 個(gè)外部引腳，否則這些引腳就可用于應(yīng)用 I/O。此外，這也浪費(fèi)了印刷電路板空間，增加了電路板電磁干擾 （EMI） 的可能性。

　　SPI 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展

　　除了使用并行總線外，還可使用串行外設(shè)接口 （SPI） 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。傳統(tǒng) SPI 只用一條數(shù)據(jù)線路進(jìn)行半雙工單比特傳輸，但是近年來，該接口已發(fā)展為支持兩條和四條數(shù)據(jù)線路，從而使數(shù)據(jù)吞吐量相應(yīng)增加，最終使得連接大容量外部 SPI 閃存芯片成為可行之舉。

　　對(duì)于程序存儲(chǔ)器應(yīng)用，傳統(tǒng)的雙線或四線 SPI 使用陰影閃存配置，將外部數(shù)據(jù)閃存復(fù)制到嵌入式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （SRAM），再映射至程序存儲(chǔ)空間。這樣既能輕松擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，又可由高速 SRAM 運(yùn)行以提高執(zhí)行速度。雖頗具優(yōu)勢(shì)，卻也不乏缺點(diǎn)。由于閃存將根據(jù)需要復(fù)制到內(nèi)部 SRAM，而內(nèi)部 SRAM 容量有限，因此存儲(chǔ)器需以分頁(yè)模式訪問。盡管增加片上 SRAM 能克服這一瓶頸，但對(duì)于任何半導(dǎo)體而言，SRAM 都是最昂貴的模塊之一，因而此舉的缺點(diǎn)在于會(huì)顯著增加微控制器成本。

　　近來，SPI 已經(jīng)演變成 XiP。SPI XiP 允許微控制器 CPU 直接通過外部 SPI 閃存執(zhí)行固件代碼。在 SPI XiP 接口添加緩存可大幅提高程序執(zhí)行速度。

　　最近，SPI XiP 的廣泛應(yīng)用促使演化出支持八條數(shù)據(jù)線路的接口。這種八線 SPI XiP 接口的吞吐量顯著提高，運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于片上閃存，高達(dá) 100 Mbit/s 以上。

　　SPI 存儲(chǔ)器革命

　　這引發(fā)了一場(chǎng)倒退 30 年的不尋常演變。試想一下，某系統(tǒng)具有 1 Mbit 的片上閃存，以及可由八線 SPI XiP 接口訪問的 32 Mbit 外部程序閃存。容量如此小的片上程序存儲(chǔ)器引出了一個(gè)問題：若移除片上微控制器閃存，仍算是高性價(jià)比的系統(tǒng)嗎？

　　一直以來，人們普遍認(rèn)為相較于具有外部閃存芯片的無閃存微控制器，使用閃存微控制器的中等性能系統(tǒng)性價(jià)比更高。直到近年，這一觀念才有所轉(zhuǎn)變。

　　如果移除片上閃存，自然會(huì)降低微控制器成本。經(jīng)深入研究調(diào)查表明，若不再需要片上閃存，則僅用于閃存的工藝技術(shù)特性也可舍棄，從而降低制造工藝成本，進(jìn)一步降低微控制器成本。于是，大約 30 年前推出的“無 ROM”微控制器又重現(xiàn)于世。現(xiàn)如今，我們稱之為無閃存微控制器。

　?。ㄖ匦拢┮霟o閃存微控制器

　　NXP Semiconductors 的 MIMXRT1052DVL6B （RT1052） 是一款能夠充分利用閃存速度的高性能無閃存微控制器。RT1052 是 NXP 的 i.MX RT1050 處理器系列產(chǎn)品之一，基于 600 MHz 的 Arm? Cortex?-M7，具有 32 KB 的指令緩存和 32 KB 的數(shù)據(jù)緩存。這款微控制器移除了閃存，采用高速 CMOS 工藝技術(shù)不受內(nèi)部閃存限制，從而實(shí)現(xiàn) 600 MHz 的時(shí)鐘速度。RT1052 具有高達(dá) 512 KB 的大容量 SRAM，可分區(qū)作為程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。

　　該微控制器具有各種高端外設(shè)，包括 LCD 接口、支持高端相機(jī)的數(shù)碼相機(jī)傳感器接口 （CSI） 和像素處理流水線 （PXP）、用于數(shù)字音頻的 SPDIF 接口、兩個(gè) USB OTG 接口、兩個(gè) eMMC/SD 閃存卡接口、兩個(gè) 20 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和一個(gè)加密模塊。完整的外設(shè)列表如框圖所示（圖 1）。

圖 1：NXP 的 RT1052 具有各種高端外設(shè)，包括 SPI XiP 串行接口并支持?jǐn)?shù)據(jù)加密。（圖片來源：NXP）

　　另一個(gè)選擇是 NXP 的 MIMXRT1051DVL6B （RT1051）。這款微控制器的功能與 RT1052 完全相同，但不具備 LCD 接口、CSI 和 PXP。

　　RT1052 具有 FlexSPI 接口，可使用雙線、四線或八線 SPI XiP 閃存接口執(zhí)行代碼。為了增加固件的安全性，該微控制器支持通過 SPI XiP 連接加密程序存儲(chǔ)器，Adesto Technologies 的 ATXP032-CCUE-T 就是一個(gè)典型的加密存儲(chǔ)器實(shí)例。

　　新型 XiP 閃存操作

　　Adesto 的 ATXP032-CCUE-T 是一款 32 Mbit 八通道閃存芯片，八條數(shù)據(jù)線路支持雙通道傳輸速率 （DTR） 模式下數(shù)據(jù)傳輸高達(dá) 266 MB/s，遠(yuǎn)高于片上微控制器閃存。該閃存由 1.8 V 單電源供電，典型八線模式待機(jī)電流為 35 μA，支持的最高 SPI 時(shí)鐘速度為 133 MHz。

圖 2：Adesto 的 ATXP032-CCUE-T 閃存使用八線 SPI（I/O0 至 I/O7）與微控制器連接。SRAM 寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可提高寫入閃存操作的性能。（圖片來源：Adesto Technologies）

　　在有效讀取閃存期間，ATXP32 電流消耗為 142 μA/MHz，外加 1 mA 電流開銷（典型值）。八線模式下，最高 SPI 時(shí)鐘速度為 133 MHz，電流消耗僅為 19.9 mA。

　　此外，ATXP032-CCUE-T 還支持標(biāo)準(zhǔn) SPI 模式 0 和 3，以及四線 SPI 模式。256 字節(jié)的安全寄存器包含 128 字節(jié)出廠設(shè)置的唯一標(biāo)識(shí)符，以及 128 字節(jié)的一次性可編程 （OTP） 存儲(chǔ)器，后者可用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制 （MAC） 地址或安全密鑰等設(shè)備信息。

　　ATXP032-CCUE-T 的存儲(chǔ)器布局值得注意，共分為四個(gè)存儲(chǔ)體，單個(gè)容量為 8 Mbit。內(nèi)部邏輯已預(yù)先配置，因此主機(jī)微控制器可在某個(gè)存儲(chǔ)體中執(zhí)行代碼，而在另一個(gè)存儲(chǔ)體中編程或擦除。這項(xiàng)操作對(duì)主機(jī)微控制器是透明的，無需特殊配置設(shè)置。

　　此外，ATXP032-CCUE-T 還有三個(gè)狀態(tài)和控制寄存器，可用于配置低功耗模式等器件工作參數(shù)，啟用或禁止 DTR 模式，以及設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)、四線或八線 SPI 模式（默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn) SPI）。通過讀取狀態(tài)寄存器，可以指示編程或擦除操作狀態(tài)、低功耗狀態(tài)，以及是否有任何存儲(chǔ)器設(shè)置為寫保護(hù)。

　　將無閃存微控制器與外部 XiP 連接在一起

　　將 RT1052 與 ATXP032-CCUE-T 連接在一起相當(dāng)簡(jiǎn)單（圖 3）。上電后，RT1052 開始在 96 KB 的片上引導(dǎo) ROM 中執(zhí)行代碼。引導(dǎo) ROM 讀取 14 個(gè)引導(dǎo)模式配置引腳的狀態(tài)，這些引腳可用于選擇 RT1052 多個(gè)外部存儲(chǔ)器接口之一以連接程序存儲(chǔ)器?？蛇x接口包括外部 eMMC 卡、micro SD 卡、常規(guī)外部并行接口和 SPI XiP（本例中使用 Adesto 的 ATXP032-CCUE-T）。

圖 3：NXP RT1052 無閃存微控制器具有八線 SPI XiP 接口，可輕松連接 Adesto ATXP032-CCUE-T。八線 SPI XiP 接口的操作對(duì) Arm 內(nèi)核是透明的。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　RT1052 引導(dǎo)選項(xiàng)還包括從 USB OTG 或 UART 下載代碼并由 SRAM 執(zhí)行。此外，在制造過程中，也可通過熔斷 RT1052 的內(nèi)部保險(xiǎn)絲來設(shè)置引導(dǎo)模式選項(xiàng)，而非使用引導(dǎo)模式配置引腳。只要 RT1052 的引導(dǎo) ROM 啟用八線 SPI XiP 接口用于程序存儲(chǔ)器執(zhí)行，程序就會(huì)立即執(zhí)行。接著，Arm 內(nèi)核會(huì)從 Adesto ATXP032-CCUE-T 執(zhí)行固件，其方式與從外部并行閃存設(shè)備或內(nèi)部閃存相同。

　　由于涉及高速數(shù)據(jù)傳輸，八通道串行閃存應(yīng)放置在印刷電路板上盡可能靠近微控制器八線 SPI XiP 端口的地方。為了減少干擾，印制線長(zhǎng)度不應(yīng)超過 120 mm。與時(shí)鐘信號(hào)的距離應(yīng)至少是印刷電路板印制線寬度的三倍，并且遠(yuǎn)離其他信號(hào)以避免干擾。I/O［0:7］ 雙向數(shù)據(jù)信號(hào)間距應(yīng)保持在 10 mm 以內(nèi)，以避免偏移。

　　總結(jié)

　　鑒于對(duì)邊緣計(jì)算、OTA 更新及相關(guān)存儲(chǔ)器擴(kuò)展性的需求，物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的存儲(chǔ)器需求隨之增加。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在這些端點(diǎn)設(shè)備中使用無閃存微控制器是不錯(cuò)的選擇。

　　如上所述，無閃存微控制器、高速接口和八線 SPI XiP 閃存芯片的進(jìn)步，為開發(fā)人員提供了構(gòu)建高性能、高性價(jià)比的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)或嵌入式系統(tǒng)的新選項(xiàng)，從而替代傳統(tǒng)基于閃存的微控制器方法。