Nuvoton的ARMMCU使用ReRAM片上存儲

當(dāng)今世界充斥著各種能夠運(yùn)行Linux并通過千兆以太網(wǎng)連接的先進(jìn)多核微控制器。在這種形勢下，Nuvoton的32位NuMicro M2L31微控制器作為一個獨(dú)特的產(chǎn)品，包含單核、72MHz Arm Cortex-M23處理器，不支持以太網(wǎng)，讓人回想起早期微控制器用于嵌入式設(shè)備的設(shè)計(jì)。在當(dāng)下，這類應(yīng)用仍然存在。因此還是需要這些微控制器的。

Nuvoton將這些微控制器定位為嵌入式應(yīng)用，包括電機(jī)控制、PC外圍設(shè)備、工業(yè)自動化和電池管理。M2L31低功耗微控制器家族在另一個方面是獨(dú)一無二的：它包含了多達(dá)0.5兆字節(jié)的片上ReRAM，用于存儲非易失性程序和數(shù)據(jù)，以及多達(dá)168KB的片上SRAM。

M2L31微控制器系列并不是Nuvoton首次涉足ReRAM。該公司的8位KM101微控制器是幾年前從松下收購的。此外，富士通半導(dǎo)體和Nuvoton在過去幾年中一直在共同開發(fā)ReRAM工藝技術(shù)。富士通在2022年宣布了一款基于這項(xiàng)開發(fā)工作的12Mbit ReRAM存儲設(shè)備——MB85AS12MT。Nuvoton的M2L31微控制器代表了ReRAM在微控制器上使用的飛躍，具有比KM101微控制器更強(qiáng)大的處理器和更大的片上存儲。Nuvoton較老的KM101微控制器由Tower Semiconductor制造，而較新的M2L31微控制器由臺積電制造。

M2L31微控制器的框圖如下所示：

上圖是一個非常典型的基于Arm的系統(tǒng)，高速的系統(tǒng)組件連接到Arm Amba 5 AHB硬件總線，低速的外圍設(shè)備連接到APB外圍總線。Arm Cortex-M23處理器核心采用two-stage執(zhí)行管道來執(zhí)行Arm的Thumb-2指令集。處理器核心包含一個32*32bit單周期硬件乘法器，可以執(zhí)行一個除法指令，在17個周期內(nèi)返回結(jié)果的低32位。這些特性對于數(shù)學(xué)密集型嵌入式應(yīng)用程序尤為重要。

M2L31微控制器家族的片上存儲器子系統(tǒng)與大多數(shù)其他微控制器上的存儲器子系統(tǒng)明顯不同。當(dāng)今大多數(shù)微控制器使用嵌入式閃存EEPROM進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)的非易失性存儲，而Nuvoton的M2L31系列采用ReRAM。根據(jù)家族成員的不同，片上ReRAM的大小從64到512 KB不等。Nuvoton聲稱，它的ReRAM片上存儲與Flash EEPROM相比至少有三個優(yōu)勢：更快的寫入速度，卓越的耐用性和更低的功耗。

更快的寫入速度來自于ReRAM在沒有頁面擦除周期的情況下更新數(shù)據(jù)的能力。同樣，優(yōu)異的持久性源于更新記憶中的單個word而無需擦除和重寫整個記憶頁的能力。Nuvoton聲稱ReRAM每個存儲周期的功耗低于Flash EEPROM，這點(diǎn)很難驗(yàn)證，因?yàn)?/span>ReRAM嵌入在設(shè)備中。然而，這些Nuvoton M2L31微控制器顯然是為低功耗操作而設(shè)計(jì)的。運(yùn)行模式下電流為60 uA/MHz，時(shí)鐘72 MHz；空閑模式下電流為33uA/MHz，所有外設(shè)關(guān)閉。此外，器件具有多種下電模式，功耗為85uA至0.54 uA。

ReRAM分為幾種方式，以方便應(yīng)用程序開發(fā)。首先，它被分成兩半，以方便無線更新。ReRAM還支持四個僅執(zhí)行內(nèi)存(execute-only memory，簡稱XOM)區(qū)域，以防止對程序代碼進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的修改。一個安全的引導(dǎo)加載程序，增強(qiáng)了支持SHA-256和ECDSA-P256加密協(xié)議的片上硬件加密引擎，有助于防止在軟件更新期間被惡意軟件替換已認(rèn)證的固件。

除了通常的數(shù)字外設(shè)(UARTs，定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，SPI和I2C端口，CAN和USB控制器)外，M2L31微控制器家族還包括幾種模擬外設(shè)，包括:

• 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)

• 內(nèi)部溫度傳感器

• 具有24通道模擬輸入多路復(fù)用器的12位，3.42 M sample/s ADC

• 兩個12位，1M sample/s的DAC

• 三個 rail-to-rail比較器與6bit、DAC驅(qū)動的參考電壓

• 三個運(yùn)算放大器，可編程增益

• 一個18通道的觸摸控制器

如果您想使用該微控制器系列的開發(fā)工作，Nuvoton提供了一種稱為NuMaker- M2L31KI的低成本開發(fā)平臺。在撰寫本文時(shí)，該公司在其網(wǎng)站上以36美元的價(jià)格出售該平臺。該開發(fā)板集成了Arduino UNO擴(kuò)展連接器，為簡單和低成本的外設(shè)擴(kuò)展提供了充足的機(jī)會，還包含USB調(diào)試端口。

對筆者來說，Nuvoton的M2L31微控制器家族代表了20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)的微控制器的邏輯演變。早期設(shè)備只有一個處理器核心，并且不是為網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，因?yàn)樘孤实卣f，它們不夠快，不能支持網(wǎng)絡(luò)所需的大量軟件堆棧。M2L31微控制器配備32位、72MHz的Arm Cortex-M23處理器內(nèi)核，速度當(dāng)然足夠快，并且擁有必要的片上內(nèi)存資源來支持網(wǎng)絡(luò)，但這不是它們針對的應(yīng)用程序。因此，它們?nèi)狈Υ祟悜?yīng)用程序所需的網(wǎng)絡(luò)外設(shè)。我不認(rèn)為這是這些設(shè)備的劣勢，因?yàn)?/span>Nuvoton將這些設(shè)備定位于其他嵌入式應(yīng)用。