对于所有基于微控制器的嵌入式系统而言，记忆体都是其中的主要元件。例如开发人员需要足够的RAM以储存所有易失性变数、创建缓冲区以及管理各种应用堆叠。 RAM对于嵌入式系统相当重要，同样，开发人员也需要一定空间用于储存应用代码、非易失性数据和配置资讯。然而问题在于非易失性记忆体技术不断扩展，选择众多，使选择适合应用的记忆体颇具挑战性。

本文介绍各种记忆体技术，并以各家供应商推出的产品为例，帮助开发人员了解各种记忆体类型的特性。此外，本文还探讨了各种类型记忆体的最佳应用，以便开发人员有效使用。

嵌入式系统中的EEPROM和FRAM

EEPROM往往是开发人员最先、最常考虑用于嵌入式系统的记忆体元件。在嵌入式应用中，这类非易失性记忆体通常用于储存系统配置参数。例如连接至CAN总线网路的设备可能会将CAN ID储存于EEPROM。

EEPROM的以下特性，使其成为嵌入式系统开发人员的理想之选：

‧ 小封装尺寸

‧ 相对实惠的价格

‧ 100kbps至1000kbps的典型比特率范围

‧ 标准化电气介面

‧ 通常支援I2C和SPI介面

目前在Digi-Key网站共有9家EEPROM供应商提供的5，800多款EEPROM。例如ON Semiconductor的CAT24C32WI-GT3是一款32Kb（4KB）EEPROM器件，采用8引脚SOIC封装，连接I2C总线时速度可达1MHz（图1）。

图1 : ON Semiconductor的CAT24C32WI-GT3是一款1Kb的EEPROM，可通过I2C或SPI埠连接微控制器以存储配置和应用数据。（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板载EEPROM可供开发人员使用。

因此，配置需求不能超过4KB，否则，开发人员就需要使用外部记忆体件，或使用微控制器的快闪记忆体来类比EEPROM以扩展容量。

尽管EEPROM深受青睐，却也存在一些潜在缺陷：

‧ 擦/写操作寿命通常为1，000，000次

‧ 写周期约为500ns

‧ 写入单个数据单元需要多条指令

‧ 资料保存期为10年以上（近期的产品可达100年以上）

‧ 易受辐射和高工作温度影响

EEPROM适合的应用众多，但对于汽车、医疗或航太系统等可靠性要求较高的应用，开发人员则希望使用FRAM等更可靠的记忆体解决方案。

FRAM是「铁电随机存取记忆体」的缩写，相较于EEPROM记忆体，颇具优势：

‧ 速度更快（写周期小于50ns）

‧ 写操作寿命更长（高达1万亿次，EEPROM仅为100万次）

‧ 功率较低（工作电压只需1.5V）

‧ 辐射耐受性更强

FRAM的储存容量与EEPROM相当。例如Cypress Semiconductor的FRAM系列容量范围从4Kb至4Mb。其中，FM25L16B-GTR容量为16Kb（图2）。该元件采用8引脚SOIC封装，工作频率可达20MHz。

图2 : Cypress的FRAM系列记忆体容量从4Kb至4Mb不等，可通过SPI连接微控制器以存储配置和应用数据。FM25L16B-GTR的工作频率可达20MHz。（source：Cypress Semiconductor）

针对高端产品，Cypress Semiconductor推出CY15B104Q-LHXIT，容量为4Mb，支援的介面速度高达40MHz（图3）。这款FRAM记忆体具有以下特性：

‧ 151年数据保存期

‧ 100万亿次读/写

‧ 直接替代串行快闪记忆体和EEPROM

FRAM的价格比EEPROM昂贵，因此选择适合应用的记忆体时，务必仔细权衡器件的各种工作环境因素。

图3 : CY15B104Q-LHXIT是一款4Mb器件，工作频率可达40MHz。该元件所属的Cypress FRAM系列产品，容量范围从4Kb至4Mb。（source：CypressSemiconductor）

嵌入式系统中的快闪记忆体、eMMC和SD卡

嵌入式系统中的快闪记忆体具有多种不同用途。首先，外部快闪记忆体可用于扩展内部快闪记忆体，从而增加应用代码的可用记忆体空间。常用解决方法是：使用GigaDevice Semiconductor的GD25Q80CTIGR等SPI快闪记忆体模组（图4）。如果微控制器支援SPI介面，则可通过该介面使用GD25Q80CTIGR将内部记忆体扩展8Mb。

图4 : 使用GigaDevice Semiconductor Limited的GD25Q80CTIR快闪记忆体，可通过SPI埠将内部快闪记忆体空间扩展8Mb。（source：GigaDevice Semiconductor Limited）

其次，外部快闪记忆体可用于储存配置资讯或应用数据，而非使用EEPROM或FRAM。为了降低BOM成本或扩展内部记忆体以存储应用数据，可以改用外部快闪记忆体晶片。微控制器外设和记忆体映射可以配置为加入该外部快闪记忆体，以便开发人员能够更轻松地进行访问，而无需专门对所需的驱动程式进行自定义调用，来连接EEPROM或FRAM。

Adesto Technologies的AT25SF161是一款适用于该用途的外部快闪记忆体器件范例（图5）。该元件使用伫列式SPI（QSPI）介面。 QSPI是对常规SPI协议的扩展，提高了系统数据输送量。对于单一事务需要存储或检索大量数据的应用，开发人员可留意这类器件。

QSPI免除了CPU对QSPI外设的干预，并将介面由标准的4引脚（MOSI、MISO、CLK和CS）变更为6引脚（CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3）。因此，其中4个引脚可用于输入和输出，而传统SPI只用2个引脚。

图5 : Adesto Technologies的AT25SF161外部快闪记忆体器件可用於扩展内部快闪记忆体，具有QSPI介面，可实现更快的数据存储和检索。（source：Adesto Technologies）

最后，快闪记忆体可用于储存应用数据和有效载荷资讯。例如GPS系统往往不会试图将所有GPS地图储存于本地处理器，而是使用SD卡或eMMC器件等外部记忆体件。这些储存介质可通过SPI或专用SDIO介面连接微控制器，从而有效连接外部记忆体件。

例如ISSI推出的IS21ES04G-JCLI eMMC可直接连接微控制器的SDIO介面，为其扩展32Gb的快闪记忆体（图6）。

图6 : ISSI的eMMC快闪记忆体模组记忆体容量达32Gb，可通过SPI或SDIO连接主机。（source：ISSI）

就电气介面而言，SD卡与eMMC器件别无二致。换言之，二者虽采用不同的封装，但都具有通用引脚可用于连接微控制器。不过，这两种记忆体类型却截然不同。相较于SD卡，eMMC通常具有以下差异：

‧ 更坚固耐用，不易出现物理损坏

‧ 交互更快

‧ 价格更昂贵

‧ 须焊接至电路板，不可拆卸

如果使用者无需拆卸记忆体，那么使用eMMC可以提供更可靠的解决方案，但仍取决于最终应用。无论哪种情况下，开发人员都需要仔细选择记忆体，因为每款记忆体的特性各不相同。

例如，车载子系统可能要求记忆体经过可靠性验证，标准往往高于标准快闪记忆体器件。在这种情况下，开发人员需要选择通过汽车级鉴定的记忆体，例如Silicon Motion的SM668GE4-AC 4GB eMMC模组。

选购SD卡时，开发人员必须慎重考虑，因为与eMMC一样，每款SD卡的特性各不相同。开发人员需仔细检查储存卡的速度等级和工作温度。例如，多数SD卡的额定温度范围为0至70℃，适用于消费类电子产品。

此外，每款储存卡都具有相关速度等级，用于描述预期最大介面速度。例如，在需要存储图像的应用中，使用Class 2储存卡则速度较慢，远不如专为高画质视频设计的Class 10储存卡，例如Advantech推出的SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4GB microSD卡。

图7 : Advantech的SQF-MSDM1-4G-21CSQFlash microSD卡记忆体容量达4GB，速度等级为高端Class 10。（source：Advantech Corp）

记忆体选择技巧与诀窍

@內文:为嵌入式产品选择合适的记忆体类型和介面颇具挑战性。选择适合应用程式的记忆体时，开发人员可以参考以下「技巧与诀窍」：

‧ 明确记忆体工作条件，例如：

o 预期擦/写次数

o 温度、振动和辐射等环境条件和因素

‧ 数据载入要求

记录应用中记忆体正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率

‧ 选择最接近记录中所需比特率的记忆体介面类型

‧ 对于汽车或航空系统等恶劣环境条件，须选择通过汽车级鉴定或辐射耐受性较强的记忆体

‧ 使用分线板将所选记忆体件连接至微控制器开发套件以测试其性能

上述技巧有助于确保开发人员找到适合嵌入式应用的记忆体。

总结

如今，可供开发人员选择的非易失性记忆体件种类繁多，可用于储存各种数据，从应用代码到配置资讯，不一而足。如上所述，开发人员需仔细评估应用需求，慎重选择记忆体类型和介面，以期取得这些需求与成本之间的平衡。

（本文作者Jacob Beningo任职于Digi-Key公司）