新型RAM存储器QSPI PSRAM提升STM32性能及应用场景探讨

【本文介绍了一种日趋主流的存储方案：QSPI PSRAM，并以STM32为例，介绍其应用场景】

MCU主频越来越高，处理能力越来越强大，需要的RAM资源相应增加，但片上SRAM采用6T结构，成本较高，不容易做得太大。

通常MCU由于管脚数量的限制，不提供外部RAM扩展接口，无法使用并行SRAM或者SDRAM来实现RAM扩展。

有些IO的口较多的MCU有专用的接口如FSMC来连接SDRAM或并行PSRAM，但会占用多的管脚资源和PCB面积。

今天笔者要介绍的是近期新推出的面向IoT领域的新型RAM器件：IPUS公司的QSPI PSRAM （Pseudo SRAM）。它采用DRAM 1T1C的架构做memory cell，相比SRAM，单位面积的硅片可以实现更高的存储容量，内置刷新控制电路使得芯片的接口、协议等同于普通的SPI SRAM，其接口类似于SPI NOR，MCU可以通过SPI或Quad SPI接口，实现数据的快速存取。该器件主要规格如下：

容量16/32/64Mb，支持SPI/Quad SPI接口，最高时钟133MHz，1.8V或者3.3V供电。

该器件相比市场上的SPI 接口SRAM，具有容量大、速度高、价格更低的优势。

只要MCU具有SPI或者Quad SPI接口，就可以轻松实现RAM的扩展。该器件已广泛应用于（但不限于）如下产品：

1. 在智能音箱、儿童故事机上的应用

在入门级智能音箱或故事机上增加PSRAM作为语音数据的缓存，可以解决用户端网络连接不稳定、或带宽共享被卡或云端大量并发请求造成的响应不及时所引起的语音播放卡顿/断续问题，提升用户体验。

通过QSPI PSRAM在系统中增加RAM资源，能让原有产品的性能明显提升的同时，并可进一步实现更多复杂的诸如DLNA这样的协议，在Cortex-M3/4资源下实现语音唤醒，替代按键唤醒，极大地改善用户体验，提高产品档次。

2. 在高级指纹识别仪上的应用

某生物指纹识别仪，为了提高检测识别速度和改善用户体验，需要一次性在一次按压中抓取多个指纹图像（通常为每指纹50KB大小）。系统需要存储多个指纹图像并进行相关图像处理。采用QSPI PSRAM以后，优化了系统设计，避免了仅仅为了选用具有较大片上SRAM资源的MCU，从而不得不顺带选上其它不必要资源所引起的整体BOM成本上涨的尴尬情况。

3. 在移动打印机上的应用

在移动打印机上，需要通过互联网接入云端进行相关数据交互，或者需要做批量的票据打印，一次上百甚至上千张票据的打印，这就需要终端具有缓存一定大小的数据的能力；

有些则要求打印多种报表格式、并对打印字体有多样化要求，从而需要进行格式转换、字体变换等运算，需要较大的RAM来存储数据。

QSPI PSRAM很好的适应了这种应用需求，相对并口器件省电、体积小，容量也合适。

4. 用作可穿戴设备的显示缓存

在最近火热流行的可穿戴设备应用中，大部分中高端系统都会采用彩色显示，或者需要显示较大的尺寸，或者需要较高的分辨率，这就需要有较大的显示缓冲RAM。大部分的MCU的片上SRAM资源非常有限，一般仅几百KB的级别，此时通过QSPI PSRAM，就可以很好地满足了这种需求。

5. 在系统OTA在线升级上的应用

在基于MCU的相关系统中，由于RAM资源非常有限，这样的OTA软件升级需要多次传输数据，给升级带来不便。这个时候，如果系统带有16 ~64Mb 的QSPI PSRAM，较大且快速的RAM使得数据传输可以一次完成。这对一些需要经常自动升级软件的应用而言，是一个非常好的高性价比解决方案，简化、加速了升级过程，同时可以减少现有方案Flash容量加倍的冗余需求。

6. 在系统安全保护上的应用

系统安全的内容之一是防止代码被拷贝、系统被窃取、修改。传统的系统中，程序在Flash中运行，由于Flash的内容或掩膜是静止、不变的，因此，简单的磨片、版图提取等手段，就可能获取运行代码。

一种基于大RAM的系统，从安全的角度可以考虑这样的设计：系统自举是用简单的明码，其它代码，是加密后存储在flash中。当系统运行时，Flash中的数据，解密后转存到PSRAM中，程序从PSRAM中运行，当程序(或函数)运行结束时，可以轻易地再次在PSRAM中加密（用于再次使用）以及销毁（一次性使用）。其中密钥可以由MCU的唯一序列号、PSRAM的唯一序列号以及随机数并经过客户的定制算法生成，这样，结合MCU自身的安全机制（以STM32为例： 其作为在多个应用上占统治地位的微控制器，拥有读写保护、唯一序列号、内存保护单元、硬件防火墙、真随机数发生器、硬件AES及HASH加速器等等先进可靠的特性），破解代价将以几何级数递增，基本可以让绝大部分破解者望而却步。安全更是一个矛与盾的斗争永远都不会结束的话题，上面的讨论限于篇幅，无法展开讨论(有兴趣的读者可以和peter.sun@ipusltd.com）联系。

但每当一种质优价廉的新产品、新技术出现（QSPI PSRAM就是其中的一种），就可能帮助客户实现一些以前由于种种原因无法去试验的想法和设计，甚至引发相关领域的革新与革命。当变化到来时，主动地去了解和拥抱变化，更有可能让你的组织和产品立于不败之地。

IPUS QSPI PSRAM，为MCU产品提供了一种高效、灵活、高性价比的RAM扩展方案，为包括语音、图像处理在内的数据密集、算法密集类应用，提供了全新的解决方案。

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