基于 ARM Cortex-M3 的 MCU闪存工艺

　　自从第一款片上系统产品问世以来，集成存储器一直是微控制器 （MCU） 领域的一部分。然而，今天，存储器架构（尤其是闪存）在 MCU 在应用中的性能方面发挥着越来越重要的作用。设计团队需要超越基本的内存大小参数，而是评估他们如何将应用程序映射到内存空间以满足项目性能要求。MCU 时钟频率已显着提高，但只有设计人员能够有效地将指令和数据馈送到处理器内核，这才等同于更好的系统性能。

　　从历史上看，MCU 的时钟速度相对较慢——尤其是相对于通用微处理器而言。因此，内存访问时间和带宽并不是 MCU 的主要问题。虽然微处理器供应商开发了多级缓存方案来有效地为内核供电，但 MCU 的速度仍然与集成内存的性能特征保持相对同步。然而，如今，即使是低成本 32 位 MCU 的时钟频率也达到了 100MHz 或更快的范围，而这样的速度要求设计团队仔细研究内存对性能的影响。

　　基于 ARM Cortex-M3 的 MCU

　　公司基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位 MCU 的趋势为启动闪存讨论提供了良好的环境。ARM 提供内核，但每个 MCU 供应商都必须用自己的外设集和内存围绕该内核。Flash 实施和性能取决于每个供应商拥有的 Flash IP 以及 MCU 供应商或其制造合作伙伴的晶圆厂能力。

　　Cotex-M3 被许可方包括德州仪器（TI）、恩智浦半导体、飞思卡尔和意法半导体等。每个制造商都开发了一种独特的方法来解决闪存问题，并且大多数制造商已经迁移到使用 90 纳米光刻技术的相对先进的制造工艺。

　　即使在 90 纳米，大多数闪存实现也无法提供与 100 MHz 或更快处理器的需求相匹配的访问时间和带宽。虽然闪存访问时间不断改进，但许多 MCU 实施仅支持 25 MHz 范围内的时钟速度，且等待状态为零。如果 Flash 的运行速度明显慢于处理器，则等待状态会严重影响性能。

　　为了解决这个问题，MCU 供应商正在采用其他新技术来为处理器供电。例如，基于 Cortex-M3 内核的 NXP Semiconductors LPC1800 MCU 的时钟速度可高达 150 MHz。NXP 利用双闪存组来减轻与等待状态相关的性能损失。LPC1800 系列包括具有高达 1 MB 闪存的 MCU，其中许多采用双存储体策略。

　　每个双组均为 256 位宽。对其中一个存储体的读取操作可以获取多达八个指令字，并且两个存储体之间的串行读取操作有效地使存储器的访问时间加倍。

　　这种方法的缺点是除了增加功耗外，还增加了硅空间和制造复杂性方面的成本。闪存通常是 MCU 上的主要功耗之一。然而，由于恩智浦提供具有单闪存组和双闪存组的 LPC1800 版本，设计团队可以决定手头的项目是否需要性能优势，并在选择过程中进行成本/收益评估。

　　内存加速器缓存指令

　　其他 MCU 供应商对闪存性能问题采取不同的方法。STMicroelectronics STM32F2 MCU 系列同样基于 Cortex-M3，提供 128 位宽的单闪存组。为了补充 MCU，该公司开发了一种自适应实时 （ART） 存储器加速器来缓存指令和数据，并加快闪存访问时间。

　　STMicroelectronics 提供速度高达 120 MHz 的 STM32F2 系列。由于单次 Flash 读取可以获取四个指令字，因此 Flash 访问速度可以支持零等待状态操作——假设对代码进行线性访问。但是，当然，分支构成了典型程序的很大一部分。尽管如此，STMicroelectronics 断言，一旦分支目标存储在 ART 寄存器中，ART 加速器将启用零等待状态操作。

　　缓存的挑战在于，程序不可避免地会遭受缓存未命中的等待状态。设计团队可以缓解 Flash 未命中问题的一种方法是手动编写应用程序的关键部分并确保关键例程适合缓存。不幸的是，这也会给任何编程任务增加大量时间。

　　STMicroelectronics 指出，缓存方法比使用更大的闪存阵列或多个存储体更有效地利用了硅空间。嵌入式系统设计人员评估与手头项目相关的成本要求和潜在的性能下降非常重要。

　　先进的晶圆厂工艺加速访问

　　闪存性能限制的另一种方法是改进单元设计和制造工艺。NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 都已转向 90 nm 工艺，并因此缩短了闪存访问时间。不幸的是，性能仍然延迟了处理器性能的升级。

　　瑞萨电子另一方面，开发了一种闪存架构，可提供 10 纳秒的读取访问。这意味着 100-MHz 处理器可以在无等待状态下访问代码或数据。

　　瑞萨电子不是 Cortex-M3 的被许可方，但提供范围广泛的专有内核，这些内核源自三菱半导体和日立半导体以及最近的 NEC 电子的合并。

　　该公司专注于主流 32 位市场中相对较新的RX600系列 MCU。迄今为止，该公司已经推出了具有高达 1 MB 闪存的 100 MHz 产品，尽管它表示未来将提供高达 4 MB 的闪存。

　　虽然似乎更快的闪存工艺可能会增加制造成本并导致更昂贵的 MCU，但 RX 似乎并非如此。MCU 系列相对较新，刚刚开始在大批量项目中赢得市场份额。设计团队应评估与项目考虑的每个 MCU 相关的成本。在考虑实现更快的 MCU 时要考虑的第一件事是应用程序的系统级性能和闪存要求。