嵌入式設(shè)計人員必須掌握的存儲技術(shù)

微控制器的存儲架構(gòu)可能很簡單(圖1)。但是，隨著應(yīng)用開始朝便攜化、虛擬化和個性化方向發(fā)展，它們現(xiàn)在變得相當(dāng)復(fù)雜。多核(multicore)、許多核(many core)和集群架構(gòu)，它們同樣在一個設(shè)備中融合了各種存儲技術(shù)。高端微處理器將多個緩存級別與超多的互連和緩存一致方案整合在一起。

不久以前，高速緩存缺失還只能調(diào)用擴(kuò)展到附近硬盤驅(qū)動器的事件鏈。而現(xiàn)在，這種效應(yīng)已經(jīng)擴(kuò)展到固態(tài)磁盤(SDD)驅(qū)動器和硬盤驅(qū)動器，或者可能通過iSCSI將頁面提供給虛擬存儲系統(tǒng)從而延伸到云或局域網(wǎng)(LAN)。并且，與應(yīng)用程序相關(guān)的所有操作都以透明方式處理。

盡管如此，設(shè)計人員、開發(fā)人員、管理人員和用戶還需要考慮系統(tǒng)要使用的存儲器類型和數(shù)量及其配置方式。由于選擇方案多種多樣，他們現(xiàn)在所面臨的挑戰(zhàn)比過去更大。

DRAM發(fā)展動態(tài)

DRAM的容量越來越大，速度越來越高，價格也越來越便宜。DDR3雙列直插內(nèi)存模塊(DIMM)目前的最高容量已經(jīng)達(dá)到16GB,運(yùn)行速率為533至800MHz,支持1066至1600 Mtransfers/s.標(biāo)準(zhǔn)DDR3的工作電壓為1.5V,但是最新的低功耗DDR3L的工作電壓為1.35 V,可以顯著降低功耗和減少發(fā)熱。

DIMM和小外形DIMM(SODIMM)是臺式電腦、服務(wù)器和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置，而嵌入式存儲要求同樣永無止境。BGA器件(比如Micron的DDR3芯片)因其外形尺寸而受到移動、工業(yè)和耐用型應(yīng)用的青睞(圖2)。DDR3內(nèi)存與處理器的堆疊式封裝匹配，在蘋果iPad等高端移動設(shè)備中非常普遍。

BGA封裝可以為耐用型應(yīng)用提供內(nèi)存，但是對耐用型存儲器的需求仍然沒有降溫。SFF-SIG的RS-DIMM平臺填補(bǔ)了這一空白(圖3)。該模塊的尺寸為67.5mm×38mm×7.36mm(長×寬×高)，支持9芯片和18芯片設(shè)計。用于DDR3的Samtec連接器的引腳分布，類似于標(biāo)準(zhǔn)DIMM的引腳分布。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了可選的SATA接口。

除了臺式電腦、筆記本電腦和服務(wù)器領(lǐng)域的其他內(nèi)存替代市場外，DDR3已經(jīng)占領(lǐng)了幾乎所有市場。不過，它確實還沒能取代嵌入式設(shè)計中的DDR2,在嵌入式設(shè)計中，兼容性和低速率較為普遍。芯片和系統(tǒng)設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)是，DDR3的低功耗、高容量和成本優(yōu)勢非常明顯。此外，仍有大量的微控制器沒有DDR3的速度或存儲要求，而片上存儲器又不足以滿足要求。

GDDR5顯存基于DDR3.由于其設(shè)計規(guī)則與DDR3相似，因此有助于降低成本和簡化系統(tǒng)設(shè)計。與上一代相比，GDDR5的數(shù)據(jù)線路數(shù)有所增加。它現(xiàn)在主要用于高性能圖形和超級計算機(jī)環(huán)境。

到目前為止，各種DDR實現(xiàn)方案采用的都是單端信令技術(shù)。截至目前，設(shè)計必須遵從信令限制，但是隨著實現(xiàn)的速度越來越高，這種局面有可能發(fā)生變化。高速串行接口，比如PCI Express、USB 3.0、SATA和串行連接SCSI(SAS)，采用的都是差分信令技術(shù)。DDR可能也會經(jīng)歷這個階段。

Rambus公司的太比特倡儀(Terabit Initiative)是該公司針對用于新一代內(nèi)存的差分信令系統(tǒng)所提出的倡儀。該公司正在展示為應(yīng)對這種轉(zhuǎn)變而推出的20Gbps串并轉(zhuǎn)換器(SERDES)。

FlexMode設(shè)計定義了可處理DDR3、GDDR5及其新差分支持的接口，采用同一組引腳，由于差分對需要兩倍的線路，因此引腳的用途并不相同。

這種技術(shù)用控制/尋址(C/A)引腳換來了額外的差分?jǐn)?shù)據(jù)引腳。C/A信號也是差分信號，這就進(jìn)一步減少了實際的C/A信號量。該設(shè)計得以實現(xiàn)的原因在于C/A線路數(shù)據(jù)速率的提高。

串行端口內(nèi)存技術(shù)(SPMT)聯(lián)盟正在采用另一種差分技術(shù)。其解決方案針對移動設(shè)備，采用低壓差分信令(LVDS)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)像PCI Express一樣可以通過增加通道進(jìn)行擴(kuò)展。與PCI Express一樣，SPMT是一種自同步技術(shù)。20引腳的方案具有6GBps的帶寬。

非易失性存儲器

NAND和NOR閃存技術(shù)仍是非易失性存儲器的核心，但磁阻(MRAM)、鐵電RAM(FRAM)和相變存儲器(PCM)等其他技術(shù)正在逐步普及。單個系統(tǒng)一般都融合了多種技術(shù)。基于微控制器的獨立冗余磁盤陣列(RAID)系統(tǒng)可能將NAND或NOR閃存用于程序存儲器，而將MRAM、FRAM或PCM用于RAID數(shù)據(jù)表，來替代帶蓄電池后備電源的動態(tài)RAM(DRAM)。

所有這些技術(shù)的存儲容量都在日益增長，其中以NAND的容量最大，這是因為NAND更多地使用了多級單元(MLC)，盡管單級單元(SLC)NAND閃存仍可提供比較理想的成本、吞吐能力、使用壽命和可靠性。MLC也可與NOR技術(shù)配合使用。

大多數(shù)USB閃存驅(qū)動器和其他移動存儲卡都將采用MLC NAND閃存。與高級閃存控制器配合使用時，它甚至還可以用于高容量企業(yè)驅(qū)動器中。企業(yè)級產(chǎn)品的最佳使用壽命是五年，因此系統(tǒng)設(shè)計人員一般都要求閃存驅(qū)動器的“保質(zhì)期”至少有五年。

盡管閃存的速度很快，但是6Gbps SATA和多通道PCI Express等接口正在推動著SSD控制器技術(shù)的發(fā)展。除了性能和可靠性之外，MLC閃存控制器還面臨著諸多挑戰(zhàn)。

區(qū)塊循環(huán)和負(fù)載均衡是驅(qū)動器具有長使用壽命的關(guān)鍵。甚至溫度管理對使用壽命也有影響。SandForce是一家閃存控制器供應(yīng)商。該公司的DuraClass RAISE(獨立硅元素冗余陣列)技術(shù)采用了RAID架構(gòu)來實現(xiàn)閃存區(qū)塊故障的恢復(fù)。

NOR閃存的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋到更嚴(yán)苛的環(huán)境中。Spansion公司的65nm MirrorBit GL-s 2Gb技術(shù)，可用于溫度范圍為–40°C至105°C的汽車車內(nèi)應(yīng)用。它現(xiàn)在采用9mm×9mm BGA封裝。

此外，NOR閃存還擁有支持直接從閃存執(zhí)行代碼的優(yōu)勢。三星等公司正在結(jié)合使用SRAM和NAND閃存，從而向NOR閃存提出挑戰(zhàn)。三星的OneNAND在其NAND控制器中集成了3KB SRAM緩沖器。必要時，開發(fā)人員可以通過此控制器的接口連接外部NOR閃存。

兩線和四線串行外設(shè)接口(SPI)也會影響非易失性存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域，非易失性存儲器一般用來替代并行存儲器芯片。大多數(shù)非易失性存儲器都附帶這類接口。

NXP公司基于Cortex-M3的LPC1800微處理器甚至可以從四線SPI存儲器運(yùn)行，而不僅僅是引導(dǎo)。最近，LPC1800還強(qiáng)調(diào)在微控制器中混合使用存儲器。此器件具有片上ROM、一次性可編程(OTP)存儲器、閃存和SRAM.

OTP存儲器是另一種往往被人們所忽略的非易失性存儲器技術(shù)。Kilopass和Sidense等公司可以為各種應(yīng)用提供反熔絲OTP技術(shù)。OTP可以實現(xiàn)安全和低功耗的運(yùn)行，還能夠方便地整合到大多數(shù)廠商支持的現(xiàn)有CMOS制造流程中。該技術(shù)通常用于密鑰或配置存儲器，還可以用來替代ROM.

圖4: Rambus FlexMode架構(gòu)將采用同樣的內(nèi)存外形尺寸和連接，但是會用差分信號替代單端通信。這需要增加一倍的線纜。實現(xiàn)該目的的具體做法是：減小控制/尋址(C/A)信號的寬度，同時提高其吞吐能力。

磁盤驅(qū)動器容量節(jié)節(jié)攀升

Seagate公司的6Gbps、3TB Barracuda XT硬盤驅(qū)動器(HDD)在容量上突破了Windows XP的2.1TB極限。值得慶幸的是，像Windows 7和Linux等大多數(shù)64bit操作系統(tǒng)都不存在大容量3TB分區(qū)的問題。

不過3TB驅(qū)動器帶來了統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口(UEFI)BIOS.設(shè)計UEFI旨在解決PC BIOS的局限性。它可以處理GUID分區(qū)表(GPT)，并且可以提供更快的引導(dǎo)時間，同時支持獨立驅(qū)動器。

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