當(dāng)今的大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都依賴于片上閃存或SRAM作為程序存儲器（固件）。然而，這些存儲器在成本和功耗方面通常很昂貴，并且還將程序大小限制在片上實(shí)現(xiàn)的存儲器量上。協(xié)議和存儲器設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展使固件能夠以就地?cái)U(kuò)展（XiP）方式直接從片外非易失性存儲器（NVM）設(shè)備中運(yùn)行，這種方法可能會緩解上述挑戰(zhàn)。

本文將介紹用于嵌入固件的傳統(tǒng)解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。隨后將對 XiP 解決方案進(jìn)行深入討論，最后就如何選擇最佳 XiP 架構(gòu)提出建議。

嵌入式閃存長期以來一直是微控制器（MCU）的支柱。這些MCU通過一個(gè)或多個(gè)NVM陣列來增強(qiáng)片上易失性存儲器陣列，用于存儲固件和其他常量。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要通過大量額外的制造步驟，用NVM單元增強(qiáng)基本的CMOS工藝。過去，添加這些制造步驟的成本很小，但隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橹С諲VM的工藝變得越來越復(fù)雜和昂貴。事實(shí)上，雖然當(dāng)今量產(chǎn)中最先進(jìn)的CMOS工藝低于10nm，但帶有嵌入式閃存的CMOS在40nm處落后于多代。

結(jié)果是，雖然MCU供應(yīng)商可以使用更快，更便宜且需要更低功率的工藝技術(shù)來構(gòu)建產(chǎn)品，但嵌入式NVM的使用使他們無法這樣做。即使他們選擇支持嵌入式NVM的老一代，支持閃存的工藝與不支持閃存的工藝之間的價(jià)格差距也可能超過40%。此外，將特定的 NVM 大小提交到 MCU 中可能適用于一個(gè)應(yīng)用程序，但對于另一個(gè)應(yīng)用程序來說可能是錯(cuò)誤的容量。

無論面臨所有這些挑戰(zhàn)，嵌入式NVM仍將在很長一段時(shí)間內(nèi)成為MCU的支柱。對于可以在不太先進(jìn)的CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)的較小設(shè)計(jì)，使用嵌入式閃存將是最有效的解決方案。但更高性能、更低功耗的MCU需要替代解決方案。

使用嵌入式閃存的另一種方法是由外部串行閃存器件備份的片上SRAM陣列。啟動(dòng)后，外部閃存的內(nèi)容被復(fù)制到片內(nèi)SRAM，然后MCU開始從SRAM執(zhí)行。該解決方案的最大優(yōu)點(diǎn)是SRAM可以采用最先進(jìn)的CMOS工藝制造，而無需修改工藝。但是，此解決方案需要兩個(gè)固件副本 - 一個(gè)在外部閃存中，另一個(gè)在SRAM中。大型片上SRAM陣列即使在高級工藝節(jié)點(diǎn)中也相當(dāng)昂貴。而且，由于SRAM會泄漏電流，因此當(dāng)系統(tǒng)處于省電模式時(shí)需要關(guān)閉它們，每次MCU喚醒時(shí)都需要重復(fù)耗電且耗時(shí)的復(fù)制操作。最后，與嵌入式閃存一樣，特定MCU中SRAM的尺寸是固定的，對于特定應(yīng)用的需求來說，它可能太大或太小。

MCU供應(yīng)商正在尋找新的內(nèi)存架構(gòu)，以滿足新興智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的性能和功耗要求。XiP的使用正在成為高性能、低功耗系統(tǒng)的首選解決方案。借助XiP，MCU可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)中實(shí)現(xiàn)，而只有外部閃存陣列需要特殊的NVM工藝。MCU通過保存常用代碼段的指令緩存進(jìn)行了增強(qiáng)。每當(dāng)處理器在緩存中找不到所需的指令（緩存未命中）時(shí)，MCU 就會啟動(dòng)對外部閃存的訪問，以帶來缺失的指令并將其存儲在緩存中。隨著新的JEDEC xSPI協(xié)議（JESD 251）的引入，閃存的接口可以達(dá)到200MHz，在雙數(shù)據(jù)速率（DDR）中切換8位寬的數(shù)據(jù)路徑。

最近，恩智浦和意法半導(dǎo)體都推出了可以使用外部閃存進(jìn)行就地?cái)U(kuò)展（XiP）操作的MCU。意法半導(dǎo)體的STM32L4+和STM32L5分別是基于Arm Cortex-M4和M33內(nèi)核的中端MCU，而高端恩智浦 i.MX RT1050和RT10xx系列的其他成員則實(shí)現(xiàn)了具有32KB指令緩存的600MHZ雙問題Cortex-M7。恩智浦還通過其基于M4的中端Kinetis K8x產(chǎn)品和最近推出的基于Arm Cortex-M33的MCURT600支持XiP。意法半導(dǎo)體MCU和Kinetis K8x實(shí)現(xiàn)了片上閃存和對XiP的支持的組合。RT600 和 RT10xx 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)沒有片上閃存，因此價(jià)格非常激進(jìn)。

選擇用于就地?cái)U(kuò)展的外部閃存設(shè)備時(shí)，首先要問的問題是固件的哪些部分將在 XiP 模式下運(yùn)行。一些設(shè)計(jì)人員選擇混合方法，將程序的性能關(guān)鍵部分保留在芯片上（ROM、閃存或SRAM），并在XiP模式下使用外部閃存來擴(kuò)展系統(tǒng)。

有關(guān)此的問題：

程序的全部或部分是否從片上ROM、閃存或SRAM執(zhí)行？如果是，這些內(nèi)存類型中的哪一種？

程序的全部或部分是否會以XiP方式直接從外部閃存中執(zhí)行？

如果（a）的答案是SRAM，則需要在SoC外部使用閃存，以便在啟動(dòng)時(shí)加載程序。設(shè)計(jì)人員可以選擇Adesto Phoenix（標(biāo)準(zhǔn)閃光燈）、Fusion（針對電池操作優(yōu)化的閃光燈）或EcoXiP（針對XiP優(yōu)化的八閃光燈）。對于對成本敏感且吞吐量不重要的應(yīng)用程序，應(yīng)選擇 Phoenix。Fusion適合具有非常嚴(yán)格的功率限制的最佳應(yīng)用。在這種情況下，只有當(dāng)客戶還需要 XiP 模式下的高性能，或者需要八通道閃存設(shè)備的吞吐量來實(shí)現(xiàn)非常快速的啟動(dòng)或頻繁的數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)，才應(yīng)考慮 Adesto 的 EcoXiP，例如人工智能推理引擎。

假設(shè)（b）的答案是肯定的（至少部分固件需要XiP），下一個(gè)問題是確定需要多少性能。由于采用了高速八通道 DDR 接口，EcoXiP 的吞吐量大約是標(biāo)準(zhǔn)閃存設(shè)備的 4 倍。此外，包裝并繼續(xù)命令進(jìn)一步提高了可實(shí)現(xiàn)的吞吐量。有許多問題要問：

SoC 是否包含指令緩存？（如果沒有指令緩存，XiP性能將非常低;但是EcoXiP相對于Quad設(shè)備的優(yōu)勢將更加顯著）

CPU 將以什么頻率運(yùn)行，SPI 總線的頻率是多少？

在 XiP 中運(yùn)行時(shí)需要什么級別的性能？

設(shè)備是否需要現(xiàn)場軟件更新（通常稱為無線 （OTA） 更新）？

（c）的答案至關(guān)重要。在低頻和對XiP性能要求較低的情況下，直接從標(biāo)準(zhǔn)四通道SPI閃存設(shè)備執(zhí)行是相當(dāng)可行的。但是，即使指令緩存中的失誤百分比非常小，與用完 EcoXiP 相比，從 Quad 設(shè)備執(zhí)行將提供大約 50% 的 CPU 性能。

請注意，如果對 （d） 的響應(yīng)是肯定的，則 EcoXiP 的邊寫邊讀功能將使 OTA 更新變得更加容易，前提是 SoC 在沒有其他代碼存儲存儲器的情況下構(gòu)建（僅依賴于 XiP）。還有其他無需隨寫即讀即可進(jìn)行 OTA 更新的解決方案，但它們都是 SRAM 密集型的，需要復(fù)雜的固件。

審核編輯：郭婷