基于MCU的Flash預取加速控制器設計與實現

馮海英，范學仕

（中科芯集成電路股份有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著智能可穿戴設備、智能硬件的普及以及物聯網的興起，MCU在消費電子、工業控制、醫療設備以及人工智能等領域得到了廣泛應用[1]。為了減少外圍分立器件，增加通用型，MCU通常采用內嵌非易失性存儲器（Non-Volatile Memory，NVM）保存程序和少量數據，而Flash作為典型的NVM，具有體積小、成本低、高靈活性、多次擦除編程等特點，可以滿足高速訪問和系統安全性等不同需求，逐漸成為MCU存儲器的首選[2]，因此MCU市場的蓬勃發展使得嵌入式Flash得到了越來越廣泛的研究和應用[3]。十多年來，Flash以高于摩爾定律的增長速度高速發展。目前，Flash已成為集成電路（Integrate Circuit，IC）技術發展的主要驅動器，已和傳統的動態隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）、靜態隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）一起構成IC存儲的三大支柱產業[4]。

嵌入式Flash特定的接口協議與標準的總線接口協議不同，不能直接集成到芯片中。因此需要設計控制器實現兩種接口協議的轉換，完成Flash的基本操作[5]。同時，與處理器較高的運行頻率相比，嵌入式Flash屬于低速存儲設備。自20世紀80年代起，處理器性能以每年60%的速率提升，而存儲器訪問時間的改善速率每年大約為7%[6]。相對于處理器可以通過指令集并行[7]、超標量設計[8]和大量使用寄存器提高自身性能，而Flash性能的提升只能依賴于工藝改良等方法[9]。當前大多數MCU可以工作在100 MHz以上的系統頻率上，而Flash的讀取速度大多在30～60 ns之間。例如本文使用的Flash最大讀取速度為40 ns，理想情況最高速率為25 MHz；……