微控制器的存儲(chǔ)架構(gòu)可能很簡(jiǎn)單(圖1)。但是，隨著應(yīng)用開始朝便攜化、虛擬化和個(gè)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(gè)設(shè)備中融合了各種存儲(chǔ)技術(shù)。高端微處理器將多個(gè)緩存級(jí)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(dòng)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(dòng)器和硬盤驅(qū)動(dòng)器，或者可能通過iSCSI將頁面提供給虛擬存儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)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(dòng)態(tài)

DRAM的容量越來越大，速度越來越高，價(jià)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(tái)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(chǔ)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(dòng)、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(dòng)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(duì)耐用型存儲(chǔ)器的需求仍然沒有降溫。SFF-SIG的RS-DIMM平臺(tái)填補(bǔ)了這一空白(圖3)。該模塊的尺寸為67.5mm×38mm×7.36mm(長(zhǎng)×寬×高)，支持9芯片和18芯片設(shè)計(jì)。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(tái)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(chǎng)外，DDR3已經(jīng)占領(lǐng)了幾乎所有市場(chǎng)。不過，它確實(shí)還沒能取代嵌入式設(shè)計(jì)中的DDR2,在嵌入式設(shè)計(jì)中，兼容性和低速率較為普遍。芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)是，DDR3的低功耗、高容量和成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外，仍有大量的微控制器沒有DDR3的速度或存儲(chǔ)要求，而片上存儲(chǔ)器又不足以滿足要求。

GDDR5顯存基于DDR3.由于其設(shè)計(jì)規(guī)則與DDR3相似，因此有助于降低成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(jí)計(jì)算機(jī)環(huán)境。

到目前為止，各種DDR實(shí)現(xiàn)方案采用的都是單端信令技術(shù)。截至目前，設(shè)計(jì)必須遵從信令限制，但是隨著實(shí)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(huì)經(jīng)歷這個(gè)階段。

Rambus公司的太比特倡儀(Terabit Initiative)是該公司針對(duì)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(duì)這種轉(zhuǎn)變而推出的20Gbps串并轉(zhuǎn)換器(SERDES)。

FlexMode設(shè)計(jì)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(duì)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(hào)也是差分信號(hào)，這就進(jìn)一步減少了實(shí)際的C/A信號(hào)量。該設(shè)計(jì)得以實(shí)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(duì)移動(dòng)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(chǔ)器

NAND和NOR閃存技術(shù)仍是非易失性存儲(chǔ)器的核心，但磁阻(MRAM)、鐵電RAM(FRAM)和相變存儲(chǔ)器(PCM)等其他技術(shù)正在逐步普及。單個(gè)系統(tǒng)一般都融合了多種技術(shù)。基于微控制器的獨(dú)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(chǔ)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(dòng)態(tài)RAM(DRAM)。

所有這些技術(shù)的存儲(chǔ)容量都在日益增長(zhǎng)，其中以NAND的容量最大，這是因?yàn)镹AND更多地使用了多級(jí)單元(MLC)，盡管單級(jí)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(dòng)器和其他移動(dòng)存儲(chǔ)卡都將采用MLC NAND閃存。與高級(jí)閃存控制器配合使用時(shí)，它甚至還可以用于高容量企業(yè)驅(qū)動(dòng)器中。企業(yè)級(jí)產(chǎn)品的最佳使用壽命是五年，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一般都要求閃存驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器具有長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。甚至溫度管理對(duì)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(dú)立硅元素冗余陣列)技術(shù)采用了RAID架構(gòu)來實(shí)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(shì)。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(shí)，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(huì)影響非易失性存儲(chǔ)器的應(yīng)用領(lǐng)域，非易失性存儲(chǔ)器一般用來替代并行存儲(chǔ)器芯片。大多數(shù)非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器。此器件具有片上ROM、一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器、閃存和SRAM.

OTP存儲(chǔ)器是另一種往往被人們所忽略的非易失性存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(huì)用差分信號(hào)替代單端通信。這需要增加一倍的線纜。實(shí)現(xiàn)該目的的具體做法是：減小控制/尋址(C/A)信號(hào)的寬度，同時(shí)提高其吞吐能力。

磁盤驅(qū)動(dòng)器容量節(jié)節(jié)攀升

Seagate公司的6Gbps、3TB Barracuda XT硬盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)器帶來了統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口(UEFI)BIOS.設(shè)計(jì)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(shí)間，同時(shí)支持獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器。

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