MCU內(nèi)存
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-09
MCU內(nèi)存的實(shí)例教程
內(nèi)存需求的變化
首先，與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)中使用的MCU相比，域和區(qū)域架構(gòu)需要提供更高計(jì)算能力的 MCU。當(dāng)前域架構(gòu)中需要主頻為400MHz的多核實(shí)時(shí)MCU。符合這種條件的MCU有的具有多達(dá)6個(gè)Arm Cortex-R52 內(nèi)核或者Tricore內(nèi)核，其中多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核以鎖步配置運(yùn)行，以執(zhí)行實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢查。
盡管 MCU 內(nèi)核和工作頻率是系統(tǒng)架構(gòu)師常用的參考規(guī)格，但非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 也對(duì)整體系統(tǒng)性能和成本產(chǎn)生重大影響。盡管如此，NVM的規(guī)格是最容易被忽視的。例如，兩個(gè)具有相同內(nèi)核和工作頻率的 MCU 在計(jì)算性能、功耗以及可靠性方面可能會(huì)因其使用的NVM類型和讀寫速度而存在顯著差異。NVM類型和NVM讀寫速度也會(huì)影響 MCU 的固件升級(jí)能力。
新架構(gòu)中的NVM限制
通常在計(jì)算系統(tǒng)中，NVM用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。大多數(shù)通用 MCU使用的是Flash，其類型通常是浮柵或某種CT(charge-trap) NOR Flash。這些NVM中的大多數(shù)的讀寫速度都非常慢，甚至支持的最大頻率低于20 MHz。
對(duì)于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，內(nèi)存需要大約 15 個(gè)等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運(yùn)行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個(gè)周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來(lái)最小化這些等待狀態(tài)，但是緩存也是通過(guò)一套算法來(lái)預(yù)測(cè)下一條執(zhí)行的指令，當(dāng)預(yù)測(cè)失效時(shí)，還是需要臨時(shí)從內(nèi)存中獲取，這種等待還是在所難免。
雖然隨著技術(shù)的創(chuàng)新，NOR Flash的讀寫速度有明顯提高，在技術(shù)工藝上，當(dāng)前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常復(fù)雜的high-k金屬柵極前端技術(shù)中集成這些存儲(chǔ)單元的困難，成本顯著增加。
展開(kāi) 內(nèi)存需求的變化
首先，與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)中使用的MCU相比，域和區(qū)域架構(gòu)需要提供更高計(jì)算能力的 MCU。當(dāng)前域架構(gòu)中需要主頻為400MHz的多核實(shí)時(shí)MCU。符合這種條件的MCU有的具有多達(dá)6個(gè)Arm Cortex-R52 內(nèi)核或者Tricore內(nèi)核，其中多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核以鎖步配置運(yùn)行，以執(zhí)行實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢查。
盡管 MCU 內(nèi)核和工作頻率是系統(tǒng)架構(gòu)師常用的參考規(guī)格，但非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 也對(duì)整體系統(tǒng)性能和成本產(chǎn)生重大影響。盡管如此，NVM的規(guī)格是最容易被忽視的。例如，兩個(gè)具有相同內(nèi)核和工作頻率的 MCU 在計(jì)算性能、功耗以及可靠性方面可能會(huì)因其使用的NVM類型和讀寫速度而存在顯著差異。NVM類型和NVM讀寫速度也會(huì)影響 MCU 的固件升級(jí)能力。
新架構(gòu)中的NVM限制
通常在計(jì)算系統(tǒng)中，NVM用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。大多數(shù)通用 MCU使用的是Flash，其類型通常是浮柵或某種CT(charge-trap) NOR Flash。這些NVM中的大多數(shù)的讀寫速度都非常慢，甚至支持的最大頻率低于20 MHz。
對(duì)于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，內(nèi)存需要大約 15 個(gè)等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運(yùn)行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個(gè)周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來(lái)最小化這些等待狀態(tài)，但是緩存也是通過(guò)一套算法來(lái)預(yù)測(cè)下一條執(zhí)行的指令，當(dāng)預(yù)測(cè)失效時(shí)，還是需要臨時(shí)從內(nèi)存中獲取，這種等待還是在所難免。
展開(kāi) 本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
內(nèi)存的基本概念
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)的，CPU可以直接尋址的存儲(chǔ)空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的叫做外存。
ROM RAM Flash
內(nèi)存一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元，分為只讀存儲(chǔ)器（ROM，Read Only Memory）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能讀取不能寫入，掉電后其中的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。RAM既可以從中讀取也可以寫入，但是掉電后其中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。內(nèi)存一般指的就是RAM。
ROM在嵌入式系統(tǒng)中一般用于存儲(chǔ)BootLoader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當(dāng)硬盤使用。近年來(lái)閃存（Flash）已經(jīng)全面代替了ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位，它結(jié)合了ROM和RAM的長(zhǎng)處，不僅具備電子可擦除可編程的特性，而且斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù)。
兩類內(nèi)存管理方式
內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。
從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。
連續(xù)內(nèi)存管理：
為進(jìn)程分配的內(nèi)存空間是連續(xù)的，但這種分配方式容易形成內(nèi)存碎片（碎片是難以利用的空閑內(nèi)存，通常是小內(nèi)存），降低內(nèi)存利用率。連續(xù)內(nèi)存管理主要分為單一連續(xù)內(nèi)存管理和分區(qū)式內(nèi)存管理兩種。
展開(kāi) 本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
內(nèi)存的基本概念
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)的，CPU可以直接尋址的存儲(chǔ)空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的叫做外存。
ROM RAM Flash
內(nèi)存一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元，分為只讀存儲(chǔ)器（ROM，Read Only Memory）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能讀取不能寫入，掉電后其中的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。RAM既可以從中讀取也可以寫入，但是掉電后其中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。內(nèi)存一般指的就是RAM。
ROM在嵌入式系統(tǒng)中一般用于存儲(chǔ)BootLoader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當(dāng)硬盤使用。近年來(lái)閃存（Flash）已經(jīng)全面代替了ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位，它結(jié)合了ROM和RAM的長(zhǎng)處，不僅具備電子可擦除可編程的特性，而且斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù)。
兩類內(nèi)存管理方式
內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。
從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。
連續(xù)內(nèi)存管理：
為進(jìn)程分配的內(nèi)存空間是連續(xù)的，但這種分配方式容易形成內(nèi)存碎片（碎片是難以利用的空閑內(nèi)存，通常是小內(nèi)存），降低內(nèi)存利用率。連續(xù)內(nèi)存管理主要分為單一連續(xù)內(nèi)存管理和分區(qū)式內(nèi)存管理兩種。
展開(kāi) 兩類內(nèi)存管理方式
內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。
從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。
連續(xù)內(nèi)存管理：
為進(jìn)程分配的內(nèi)存空間是連續(xù)的，但這種分配方式容易形成內(nèi)存碎片（碎片是難以利用的空閑內(nèi)存，通常是小內(nèi)存），降低內(nèi)存利用率。連續(xù)內(nèi)存管理主要分為單一連續(xù)內(nèi)存管理和分區(qū)式內(nèi)存管理兩種。
非連續(xù)內(nèi)存管理：
將進(jìn)程分散到多個(gè)不連續(xù)的內(nèi)存空間中，可以減少內(nèi)存碎片，內(nèi)存使用率更高。如果分配的基本單位是頁(yè)，則稱為分頁(yè)內(nèi)存管理；如果基本單位是段，則稱為分段內(nèi)存管理。
當(dāng)前的操作系統(tǒng)，普遍采用非連續(xù)內(nèi)存管理方式。不過(guò)因?yàn)榉峙淞６容^大，對(duì)于內(nèi)存較小的嵌入式系統(tǒng)，一般采用連續(xù)內(nèi)存管理。本文主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)中常用的連續(xù)內(nèi)存管理的分區(qū)式內(nèi)存管理進(jìn)行介紹。
分區(qū)式內(nèi)存管理
分區(qū)式內(nèi)存管理分為固定分區(qū)和動(dòng)態(tài)分區(qū)。
固定分區(qū)：
事先就把內(nèi)存劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域。分區(qū)大小既可以相等也可以不等。固定分區(qū)易于實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)造成分區(qū)內(nèi)碎片浪費(fèi)，而且分區(qū)總數(shù)固定，限制了可以并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)量。
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MCU內(nèi)存的最新內(nèi)容
ASR6601在單一芯片上集成了通用微控制器和射頻單元，包括射頻收發(fā)器，調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)48 MHz 主頻、采用Arm Cortex M4架構(gòu)的32位MCU。多種內(nèi)存選擇包括最大256KB的閃存和64KB的SRAM等，內(nèi)置嵌入式LCD驅(qū)動(dòng)程序，支持AES、DES、RSA、ECC、SHA、SM2/3/4硬件加密。
因?yàn)?em>MCU 運(yùn)算和內(nèi)存資源比較有限，且不支持MMU(Memory Management Unit，比MPU強(qiáng)大的內(nèi)存管理單元)，一般只能運(yùn)行如FreeRTOS之類的小型RTOS。車載行業(yè)一般要求RTOS達(dá)到ASIL D級(jí)別，常用的MCU RTOS主要有AUTOSAR OS, SafeRTOS。一般沒(méi)有配套的libc和STL庫(kù)，對(duì)C++的支持不夠友好，比較難開(kāi)發(fā)維護(hù)復(fù)雜軟件。
為了滿足用戶對(duì)舒適度、安全性和自動(dòng)駕駛功能的需求，車載ECU(電子控制單元)的數(shù)量不斷增加。然而ECU數(shù)量的增加也給汽車制造商帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。因此，全球大多數(shù)汽車制造商正在從傳統(tǒng)的分布式 ECU 架構(gòu)過(guò)渡到基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)。
在分布式的架構(gòu)中，所有的功能緊密交互，難以管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，域控架構(gòu)目的是將分散的控制鏈路，整合到單個(gè)大型ECU中(如圖
為了滿足用戶對(duì)舒適度、安全性和自動(dòng)駕駛功能的需求，車載ECU(電子控制單元)的數(shù)量不斷增加。然而ECU數(shù)量的增加也給汽車制造商帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。因此，全球大多數(shù)汽車制造商正在從傳統(tǒng)的分布式 ECU 架構(gòu)過(guò)渡到基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)。
在分布式的架構(gòu)中，所有的功能緊密交互，難以管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，域控架構(gòu)目的是將分散的控制鏈路，整合到單個(gè)大型ECU中(如圖1所示)。例如將在新能源車上，
ECU一般由MCU，擴(kuò)展內(nèi)存，擴(kuò)展輸入和輸出（CAN/LIN，AD,PWM等），電源電路和其他一些電子元器件組成，特定功能的ECU還帶有諸如紅外線收發(fā)器、脈沖發(fā)生器，強(qiáng)弱電隔離等元器件。整塊電路板設(shè)計(jì)安裝與一個(gè)鋁質(zhì)盒內(nèi)，通過(guò)卡扣或者螺釘方便安裝于車身鈑金上。
本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
內(nèi)存的基本概念
盡管如此，半導(dǎo)體行業(yè)設(shè)計(jì)和制造了大量不同的芯片，例如模擬芯片、GPU、MCU、內(nèi)存、微處理器和功率半導(dǎo)體。GPU、處理器和其他高級(jí)邏輯芯片在 12 英寸晶圓廠中生產(chǎn)，使用從 16nm/14nm 到 5nm 節(jié)點(diǎn)的各種工藝技術(shù)。
從 16nm/14nm 到 5nm，芯片制造商依賴于 finFET。
本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
內(nèi)存的基本概念
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)的，CPU可以直接尋址的存儲(chǔ)空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的叫做外存
本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
內(nèi)存的基本概念
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)的，CPU可以直接尋址的存儲(chǔ)空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的叫做外存。
