為什么單片機(jī)內(nèi)部RAM這么少？

也許大家都注意到了，在過去的20多年的時(shí)間里，微控制器（MCU）經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展，這反映在很多方面，比如更高的系統(tǒng)時(shí)鐘、更多的外設(shè)模塊、更加便利的調(diào)試手段、32位的內(nèi)核等等。但MCU內(nèi)部的數(shù)據(jù)內(nèi)存空間則始終在十幾K（16~32KB）的左右徘徊，雖然有些基于Cortex M4核單片機(jī)有多達(dá)265kB RAM的型號(hào)，但是在眾多單片機(jī)型號(hào)陣列中，它們是寥寥無幾。

那么，究竟什么原因使得單片機(jī)很容易擁有多達(dá)數(shù) MB的程序Flash空間，而數(shù)據(jù)內(nèi)存只有那么小呢？

在一篇博文“Why do microcontrollers have so little RAM?^[1]”中，眾人給出了單片機(jī)RAM容量小的很多原因。

在所有影響單片機(jī)內(nèi)RAM增加的原因中，一個(gè)基礎(chǔ)的問題就是RAM會(huì)占用很多硅片面積，這也會(huì)直接引起芯片價(jià)格的增加。這是因?yàn)樵谕瑯拥墓杵?，占用硅片面積大會(huì)使得MCU數(shù)量就會(huì)減少，特別是在晶圓片的邊界部分造成更大的浪費(fèi)。禍不單行，面積大的IC也更會(huì)產(chǎn)生缺陷，使得成品率下降。

第二個(gè)原因就是制作RAM的工序復(fù)雜?？梢酝ㄟ^不同手段優(yōu)化RAM生產(chǎn)工藝，但在制作MCU過程中， 同一芯片不可能經(jīng)歷過多的工序。有一些芯片加工服務(wù)廠商專門生產(chǎn)DRAM，這是利用特殊的半導(dǎo)體電容技術(shù)來極大減少RAM所占用的硅片面積。但DRAM需要通過不停刷新來維持其內(nèi)部數(shù)據(jù)。為了延遲DRAM單元保持?jǐn)?shù)據(jù)的能力，就要求晶體管漏電流小，這也會(huì)造成晶體管的運(yùn)行速度降低。這需要在速度和數(shù)量之間做折中，但這種折中工藝不利于制作高速邏輯電路。

此外，大容量RAM電路在后期的測(cè)試階段也會(huì)消耗大量的時(shí)間，從而增加生產(chǎn)的時(shí)間成本。所以，經(jīng)濟(jì)原因造成生產(chǎn)RAM的專門廠商興起。

功耗是另外一個(gè)限制因素。單片機(jī)系統(tǒng)通常對(duì)功耗有限制，很多情況下，單片機(jī)通過進(jìn)入睡眠狀態(tài)來減少耗電量。普通的SRAM耗電量很小，通過備用電池往往可以工作很多年。但DRAM則需要通過不斷刷新來維持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。一旦停止刷新，由于漏電流的存在，DRAM的內(nèi)容在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)就會(huì)消失。所以，單片機(jī)中不能夠使用DRAM而只能使用占用硅片面積更大的SRAM。

在現(xiàn)代CPU技術(shù)中，往往在新品中保留數(shù)量較少的SRAM作為緩存（Cache），而將大容量的DRAM作為CPU外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

有一些非常酷的手段可以將不同生產(chǎn)工藝的RAM和MCU制作工藝融合在一起，例如多芯片封裝技術(shù)(Multi-Chip Package)，將RAM新品放在MCU芯片上面堆疊一起進(jìn)行封裝，這比在電路板上將RAM與MCU集成更加節(jié)省系統(tǒng)體積，也提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

最后一個(gè)原因，那就是在絕大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合所需要的RAM的容量都比較少。比如在嵌入式控制領(lǐng)域，很多很多傳感器信息都可以用極少字節(jié)的數(shù)據(jù)來表示，用于控制的參數(shù)和控制邏輯占用數(shù)據(jù)空間也很少。

所以當(dāng)需要大量RAM的應(yīng)用出現(xiàn)的時(shí)候，往往就會(huì)直接采用集成有大容量DRAM的電路板來工作。通過外部集成大容量RAM芯片要遠(yuǎn)比MCU內(nèi)部集成的RAM更加經(jīng)濟(jì)。

單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)，后者中，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是在同一個(gè)訪問空間中。如果單片機(jī)中集成了大量的Flash區(qū)，那么留給數(shù)據(jù)RAM空間訪問地址就少了。

此外，高效的C語言編譯器，可以有效重復(fù)應(yīng)用有限的RAM空間完成所需要的任務(wù)。在復(fù)雜的應(yīng)用中，往往會(huì)采用多個(gè)單片機(jī)協(xié)同完成，這大大提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)特性。巧妙的設(shè)計(jì)方案會(huì)避免嵌入式系統(tǒng)對(duì)大容量RAM的需求。所以，有人認(rèn)為，正是由于沒有大量需要高RAM容量的應(yīng)用要求，是造成現(xiàn)在單片機(jī)內(nèi)部RAM少的真正原因。

別忘了，早期那些令我們著迷的電子游戲，雖然有著炫酷的圖形界面，但它們連程序帶數(shù)據(jù)總共也只有8k字節(jié)的存儲(chǔ)空間，比如吃豆子游戲，太空入侵游戲等。讓我們向早期的這些極簡(jiǎn)風(fēng)格嵌入式編程人員致敬吧。

參考資料