为什么单片机内部的RAM这么少？

也许大家都注意到了，在过去的 20 多年的时间里，微控制器（MCU）经历了跨越式的发展，这反映在很多方面，比如更高的系统时钟、更多的外设模块、更加便利的调试手段、32 位的内核等等。但 MCU 内部的数据内存空间则始终在十几 K（16~32KB）的左右徘徊，虽然有些基于 Cortex M4 核单片机有多达 265kB RAM 的型号，但是在众多单片机型号阵列中，它们是寥寥无几。

那么，究竟什么原因使得单片机很容易拥有多达数 MB 的程序 Flash 空间，而数据内存只有那么小呢？

△ 小型封装的 MCU

在所有影响单片机内 RAM 增加的原因中，一个基础的问题就是 RAM 会占用很多硅片面积，这也会直接引起芯片价格的增加。这是因为在同样的硅片上，占用硅片面积大会使得 MCU 数量就会减少，特别是在晶圆片的边界部分造成更大的浪费。祸不单行，面积大的 IC 也更会产生缺陷，使得成品率下降。

第二个原因就是制作 RAM 的工序复杂。可以通过不同手段优化 RAM 生产工艺，但在制作 MCU 过程中， 同一芯片不可能经历过多的工序。有一些芯片加工服务厂商专门生产 DRAM，这是利用特殊的半导体电容技术来极大减少 RAM 所占用的硅片面积。但 DRAM 需要通过不停刷新来维持其内部数据。为了延迟 DRAM 单元保持数据的能力，就要求晶体管漏电流小，这也会造成晶体管的运行速度降低。这需要在速度和数量之间做折中，但这种折中工艺不利于制作高速逻辑电路。

△ IC 和晶片

此外，大容量 RAM 电路在后期的测试阶段也会消耗大量的时间，从而增加生产的时间成本。所以，经济原因造成生产 RAM 的专门厂商兴起。

功耗是另外一个限制因素。单片机系统通常对功耗有限制，很多情况下，单片机通过进入睡眠状态来减少耗电量。普通的 SRAM 耗电量很小，通过备用电池往往可以工作很多年。但 DRAM 则需要通过不断刷新来维持存储的数据。一旦停止刷新，由于漏电流的存在，DRAM 的内容在不到一秒钟的时间内就会消失。所以，单片机中不能够使用 DRAM 而只能使用占用硅片面积更大的 SRAM。

在现代 CPU 技术中，往往在新品中保留数量较少的 SRAM 作为缓存（Cache），而将大容量的 DRAM 作为 CPU 外部的数据存储空间。

有一些非常酷的手段可以将不同生产工艺的 RAM 和 MCU 制作工艺融合在一起，例如多芯片封装技术(Multi-Chip Package)，将 RAM 新品放在 MCU 芯片上面堆叠一起进行封装，这比在电路板上将 RAM 与 MCU 集成更加节省系统体积，也提高数据传输速率。

△ AMD 的带有堆叠封装的 MCU

最后一个原因，那就是在绝大多数单片机应用的场合所需要的 RAM 的容量都比较少。比如在嵌入式控制领域，很多很多传感器信息都可以用极少字节的数据来表示，用于控制的参数和控制逻辑占用数据空间也很少。

所以当需要大量 RAM 的应用出现的时候，往往就会直接采用集成有大容量 DRAM 的电路板来工作。通过外部集成大容量 RAM 芯片要远比 MCU 内部集成的 RAM 更加经济。

除了前面的原因之外，单片机指令集也会限制 RAM 访问空间。比如 Microchip 公司的单片机，PIC10LF320，是 12bit 的指令，它只能够范围 128 字节的 RAM 空间。对于 8031 单片机，直接寻址的 RAM 空间也只有 128 字节。如果访问更大的外部存储空间，则需要借助于执行效率更低的间接指令。

单片机总线结构分为 Harvard 结构和 Von Neumann 结构，后者中，程序和数据存储空间是在同一个访问空间中。如果单片机中集成了大量的 Flash 区，那么留给数据 RAM 空间访问地址就少了。

此外，高效的 C 语言编译器，可以有效重复应用有限的 RAM 空间完成所需要的任务。在复杂的应用中，往往会采用多个单片机协同完成，这大大提高系统实时特性。巧妙的设计方案会避免嵌入式系统对大容量 RAM 的需求。所以，有人认为，正是由于没有大量需要高 RAM 容量的应用要求，是造成现在单片机内部 RAM 少的真正原因。

别忘了，早期那些令我们着迷的电子游戏，虽然有着炫酷的图形界面，但它们连程序带数据总共也只有 8k 字节的存储空间，比如吃豆子游戏，太空入侵游戏等。让我们向早期的这些极简风格嵌入式编程人员致敬吧。

参考资料

[1]Why do microcontrollers have so little RAM?

审核编辑 黄昊宇