對於所有基於微控制器的嵌入式系統而言，記憶體都是其中的主要元件。 例如開發人員需要足夠的RAM以儲存所有易失性變數、創建緩衝區以及管理各種應用堆疊。RAM對於嵌入式系統相當重要，同樣，開發人員也需要一定空間用於儲存應用代碼、非易失性數據和配置資訊。然而問題在於非易失性記憶體技術不斷擴展，選擇眾多，使選擇適合應用的記憶體頗具挑戰性。

本文介紹各種記憶體技術，並以各家供應商推出的產品為例，幫助開發人員瞭解各種記憶體類型的特性。此外，本文還探討了各種類型記憶體的最佳應用，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、最常考慮用於嵌入式系統的記憶體元件。在嵌入式應用中，這類非易失性記憶體通常用於儲存系統配置參數。例如連接至CAN總線網路的設備可能會將CAN ID儲存於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

‧ 100kbps至1000kbps的典型比特率範圍

‧ 標準化電氣介面

‧ 通常支援I2C和SPI介面

目前在Digi-Key網站共有9家EEPROM供應商提供的5，800多款EEPROM。例如ON Semiconductor的CAT24C32WI-GT3是一款32Kb（4KB）EEPROM器件，採用8引腳SOIC封裝，連接I2C總線時速度可達1MHz（圖1）。

圖1 : ON Semiconductor的CAT24C32WI-GT3是一款1Kb的EEPROM，可通過I2C或SPI埠連接微控制器以存儲配置和應用數據。（source：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4KB板載EEPROM可供開發人員使用。

因此，配置需求不能超過4KB，否則，開發人員就需要使用外部記憶體件，或使用微控制器的快閃記憶體來類比EEPROM以擴展容量。

儘管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

‧ 寫週期約為500ns

‧ 寫入單個數據單元需要多條指令

‧ 資料保存期為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，但對於汽車、醫療或航太系統等可靠性要求較高的應用，開發人員則希望使用FRAM等更可靠的記憶體解決方案。

FRAM是「鐵電隨機存取記憶體」的縮寫，相較於EEPROM記憶體，頗具優勢：

‧ 速度更快（寫週期小於50ns）

‧ 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1.5V）

‧ 輻射耐受性更強

FRAM的儲存容量與EEPROM相當。例如Cypress Semiconductor的FRAM系列容量範圍從4Kb至4Mb。其中，FM25L16B-GTR容量為16Kb（圖2）。 該元件採用8引腳SOIC封裝，工作頻率可達20MHz。

圖2 : Cypress的FRAM系列記憶體容量從4Kb至4Mb不等，可通過SPI連接微控制器以存儲配置和應用數據。FM25L16B-GTR的工作頻率可達20MHz。（source：Cypress Semiconductor）

針對高端產品，Cypress Semiconductor推出CY15B104Q-LHXIT，容量為4Mb，支援的介面速度高達40MHz（圖3）。 這款FRAM記憶體具有以下特性：

‧ 151年數據保存期

‧ 100萬億次讀/寫

‧ 直接替代串行快閃記憶體和EEPROM

FRAM的價格比EEPROM昂貴，因此選擇適合應用的記憶體時，務必仔細權衡器件的各種工作環境因素。

圖3 : CY15B104Q-LHXIT是一款4Mb器件，工作頻率可達40MHz。該元件所屬的Cypress FRAM系列產品，容量範圍從4Kb至4Mb。（source：CypressSemiconductor）

嵌入式系統中的快閃記憶體、eMMC和SD卡

嵌入式系統中的快閃記憶體具有多種不同用途。首先，外部快閃記憶體可用於擴展內部快閃記憶體，從而增加應用代碼的可用記憶體空間。 常用解決方法是：使用GigaDevice Semiconductor的GD25Q80CTIGR等SPI快閃記憶體模組（圖4）。如果微控制器支援SPI介面，則可通過該介面使用GD25Q80CTIGR將內部記憶體擴展8Mb。

圖4 : 使用GigaDevice Semiconductor Limited的GD25Q80CTIR快閃記憶體，可通過SPI埠將內部快閃記憶體空間擴展8Mb。（source：GigaDevice Semiconductor Limited）

其次，外部快閃記憶體可用於儲存配置資訊或應用數據，而非使用EEPROM或FRAM。為了降低BOM成本或擴展內部記憶體以存儲應用數據，可以改用外部快閃記憶體晶片。微控制器外設和記憶體映射可以配置為加入該外部快閃記憶體，以便開發人員能夠更輕鬆地進行訪問，而無需專門對所需的驅動程式進行自定義調用，來連接EEPROM或FRAM。

Adesto Technologies的AT25SF161是一款適用於該用途的外部快閃記憶體器件範例（圖5）。該元件使用佇列式SPI（QSPI）介面。QSPI是對常規SPI協議的擴展，提高了系統數據輸送量。對於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，並將介面由標準的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個引腳可用於輸入和輸出，而傳統SPI只用2個引腳。

圖5 : Adesto Technologies的AT25SF161外部快閃記憶體器件可用於擴展內部快閃記憶體，具有QSPI介面，可實現更快的數據存儲和檢索。（source：Adesto Technologies）

最後，快閃記憶體可用於儲存應用數據和有效載荷資訊。例如GPS系統往往不會試圖將所有GPS地圖儲存於本地處理器，而是使用SD卡或eMMC器件等外部記憶體件。這些儲存介質可通過SPI或專用SDIO介面連接微控制器，從而有效連接外部記憶體件。

例如ISSI推出的IS21ES04G-JCLI eMMC可直接連接微控制器的SDIO介面，為其擴展32Gb的快閃記憶體（圖6）。

圖6 : ISSI的eMMC快閃記憶體模組記憶體容量達32Gb，可通過SPI或SDIO連接主機。（source：ISSI）

就電氣介面而言，SD卡與eMMC器件別無二致。換言之，二者雖採用不同的封裝，但都具有通用引腳可用於連接微控制器。不過，這兩種記憶體類型卻截然不同。相較於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

如果使用者無需拆卸記憶體，那麼使用eMMC可以提供更可靠的解決方案，但仍取決於最終應用。無論哪種情況下，開發人員都需要仔細選擇記憶體，因為每款記憶體的特性各不相同。

例如，車載子系統可能要求記憶體經過可靠性驗證，標準往往高於標準快閃記憶體器件。在這種情況下，開發人員需要選擇通過汽車級鑒定的記憶體，例如Silicon Motion的SM668GE4-AC 4GB eMMC模組。

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儲存卡的速度等級和工作溫度。例如，多數SD卡的額定溫度範圍為0至70℃，適用於消費類電子產品。

此外，每款儲存卡都具有相關速度等級，用於描述預期最大介面速度。 例如，在需要存儲圖像的應用中，使用Class 2儲存卡則速度較慢，遠不如專為高畫質視頻設計的Class 10儲存卡，例如Advantech推出的SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4GB microSD卡。

圖7 : Advantech的SQF-MSDM1-4G-21CSQFlash microSD卡記憶體容量達4GB，速度等級為高端Class 10。（source：Advantech Corp）

記憶體選擇技巧與訣竅

@內文:為嵌入式產品選擇合適的記憶體類型和介面頗具挑戰性。選擇適合應用程式的記憶體時，開發人員可以參考以下「技巧與訣竅」：

‧ 明確記憶體工作條件，例如：

o 預期擦/寫次數

o 溫度、振動和輻射等環境條件和因素

‧ 數據載入要求

記錄應用中記憶體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記憶體介面類型

‧ 對於汽車或航空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記憶體

‧ 使用分線板將所選記憶體件連接至微控制器開發套件以測試其性能

上述技巧有助於確保開發人員找到適合嵌入式應用的記憶體。

總結

如今，可供開發人員選擇的非易失性記憶體件種類繁多，可用於儲存各種數據，從應用代碼到配置資訊，不一而足。如上所述，開發人員需仔細評估應用需求，慎重選擇記憶體類型和介面，以期取得這些需求與成本之間的平衡。

（本文作者Jacob Beningo任職於Digi-Key公司）