[发明专利]一种采用STT-MRAM作为单一存储器的微控制器

说明书

技术领域

本发明属于微控制器领域，具体涉及一种采用STT-MRAM作为单一存储器的微控制器。

背景技术

微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)，又称单片微型计算机(SingleChip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(CPU)、内存(Memory)、存储器(Storage Device)计数器(Timer)、USB、A/D转换、通用异步收发传输器(UART)、可编程逻辑控制 器(PLC)以及内存访问控制(DMA)都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应 用场合做不同组合控制。MCU在手机、显示器、家用电器、汽车电子、工业马达以及机器手 臂等众多领域有着非常广泛的应用。

通常，MCU中分别由两种存储器完成数据读写和程序存储功能，如图1所示。CPU11负 责整个MCU的控制、运算等核心处理；数据存取器12通常为静态随机存储器SRAM(Static RandomAccessMemory)，主要负责程序运行和数据存取，可通过SRAM接口14与CPU高速 通信；程序存储器13通常由OTPROM，EPROM，EEPROM或FLASH中的一种或几种组成，主要 负责存储程序代码，用户配置等，可通过程序存储器接口15与CPU通信；程序存储器接口 15可以是以下接口：I2C,SPI,并行接口中的任意一种或多种。其他逻辑和信号处理部件 16可包括计数器(Timer)、USB、A/D转换、通用异步收发传输器(UART)、可编程逻辑控制 器(PLC)以及内存访问控制(DMA)等。

静态随机存取存储器SRAM是一种具有高速存取数据功能的内存，其读写速度最高可达 1GHz以上，能够与CPU主频匹配，而且读写功耗低，擦写寿命无限，是一种常见的MCU数 据存取器。其缺点是掉电不能保存数据，而且集成度低，价格昂贵，容量难以随着半导体工 艺提升而大幅增加。

以EEPROM和FLASH为主的程序存储器掉电也能可靠保存数据，用户可以通过高压对存 储器进行擦除和重编程，但其读写速度较低，读延时在微秒量级，写延时在毫秒量级，而且 擦除寿命有限，一般用来存储用户配置和源程序代码。除此之外，随着半导体工艺节点进入 40纳米甚至更低，由于EEPROM和FLASH的制备掩膜数目需要13～15层，而制备掩膜数目越 多，制造成本越高，因此40纳米及更小半导体工艺制程制备的EEPROM和FLASH的制造成本 高，是一个亟需解决的问题。

STT-MRAM是一种新型的掉电非易失存储器，与SRAM相比，STT-MRAM存储器同样具有极 高的访问速度，读写时延可达5纳秒甚至更低，擦写寿命达无限次。同时，STT-MRAM在掉 电的情况下仍然能可靠保存数据，相比SRAM具有更高的存储密度，文献“‘45nmLowPower CMOSLogicCompatibleEmbeddedSTTMRAMUtilizingaReverse-Connection1T/1MTJ Cell’,C.J.Linet.al,ElectronDevicesMeeting(IEDM),7-9Dec.2009,Page1～4.”表明，在相 同的半导体工艺制造节点下，STT-MRAM的密度是SRAM的3倍。与EEPROM和FLASH相比， STT-MRAM不仅读写速度更快，而且其制备掩膜数只需要3～5层，在40纳米及更小半导体工 艺制程下相比EEPROM和FLASH有较大的制造成本优势。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种采用STT-MRAM作为单一存储器的微 控制器，利用STT-MRAM不同分区分别完成存取运行数据，存储源程序代码和用户配置的功 能，解决传统MCU架构中，数据存取器的存储密度较低，程序存储器的擦写寿命有限，制造 成本较高的问题。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种采用STT-MRAM作为单一存储器的微控 制器，包括：中央处理器、STT-MRAM存储器、SRAM接口、其他逻辑和信号处理部件，所述 STT-MRAM存储器包括运行数据存取区和程序存储区,不同分区分别完成存取运行数据，存储 源程序代码和用户配置的功能；所述中央处理器与STT-MRAM存储器之间通过SRAM接口连接， 中央处理器与其他逻辑和信号处理部件连接。