TCM、Cache、SPM
| 项目 | TCM (Tightly Coupled Memory) | Cache | SPM (Scratchpad Memory) |
|---|---|---|---|
| 中文 | 紧耦合存储器 | 高速缓存 | 擦写板内存/工作内存 |
| 位置 | 紧耦合在 CPU 内核旁 | CPU 内核旁（通常层级多级） | 片上 SRAM，CPU 可直接寻址 |
| 访问方式 | 直接寻址（物理地址直接访问） | 透明访问（硬件自动缓存管理） | 直接寻址（软件直接访问） |
| 控制方式 | 软件和硬件配合控制 | 完全硬件控制 | 完全软件控制 |
| 确定性 | 高，可预测访问延时 | 不确定，取决于命中率 | 高，可预测访问延时 |
详细特点与区别
📌 (1) TCM (Tightly Coupled Memory)
- 通常用于 ARM Cortex-M 系列等微控制器架构
- 与 CPU 核心紧耦合，通过 专用总线访问
- 可用作 指令 TCM (ITCM) 和 数据 TCM (DTCM)
- 不会被 Cache 替换机制影响，实时性强，延时稳定
- 地址映射固定，开发者可直接分配函数或数据到 TCM 中
- 应用场景：实时任务、ISR、关键数据区
📌 (2) Cache
- 作为 CPU 和主存（DRAM）之间的缓冲区
- 完全由硬件自动管理： 替换、加载、写回策略自动处理
- 层次结构：L1 / L2 / L3
- 访问速度快，延迟低于主存，但取决于命中率
- 不可预测延时（miss penalty 不稳定）
- 应用场景：通用加速内存访问，提升平均性能
📌 (3) SPM (Scratchpad Memory)
- 片上 SRAM，软件可直接访问和管理
- 没有硬件替换机制，内存管理完全由软件负责
- 常用于 DSP、嵌入式 SoC（部分 Cortex-A、DSP 架构）
- 访问延时固定，可预测性好，实时性强
- 开发者需要 手动搬移数据（通过 DMA 或软件 copy）
- 应用场景：FFT、卷积等确定性算法的中间缓存
本质区别
| 维度 | TCM | Cache | SPM |
|---|---|---|---|
| 访问方式 | CPU 直接访问 | CPU 透明访问 | CPU 直接访问 |
| 控制权 | 硬件+软件 | 完全硬件 | 完全软件 |
| 延迟可预测性 | ✅ 可预测 | ❌ 不可预测 | ✅ 可预测 |
| 是否自动搬移数据 | ❌ | ✅ 自动搬移 | ❌ |
| 是否会被替换 | ❌ | ✅ | ❌ |
| 编程复杂度 | 中 | 低 | 高 |
对应应用场景举例
- TCM：
- 实时操作系统内核代码
- 硬实时中断服务程序
- Cache：
- 提升一般任务 CPU 性能（如 Linux 上的应用程序运行）
- SPM：
- 图像卷积临时缓存
- 大规模矩阵运算分块计算临时区域
- FFT 算法缓冲区
晶体管
场效应晶体管 (FET)
场效应晶体管 (FET) 的概念首先由奥匈帝国出生的物理学家Julius Edgar Lilienfeld于 1925 年获得专利，并于 1934 年由Oskar Heil获得专利，但他们无法基于该概念构建出实用的半导体器件。
第一个成功制造的 FET 器件是结型场效应晶体管(JFET)。 JFET 最初由Heinrich Welker于 1945 年获得专利。静态感应晶体管(SIT) 是一种短沟道 JFET，由日本工程师Jun-ichi Nishizawa和 Y. Watanabe 于 1950 年发明。 1952 年的 JFET， George C. Dacey和Ian M. Ross在 1953 年制造了实用的 JFET。然而，JFET 仍然存在影响结型晶体管的问题。结型晶体管是体积相对较大的器件，难以大规模生产，这限制了它们在许多专业应用中的应用。绝缘栅场效应晶体管 (IGFET) 理论上被认为是结型晶体管的潜在替代品，但研究人员无法构建可工作的 IGFET，这主要是由于麻烦的表面态势垒阻止了外部电场渗透到材料中。到 20 世纪 50 年代中期，研究人员基本上放弃了 FET 概念，转而关注双极结型晶体管(BJT) 技术。
Mohamed Atalla和Dawon Kahng于 1959 年提出了一种硅 MOS 晶体管，并于 1960 年与他们的贝尔实验室团队成功演示了一种可工作的 MOS 器件。
CMOS （互补 MOS）是一种 MOSFET 的半导体器件制造工艺，由Fairchild Semiconductor的Chih-Tang Sah和Frank Wanlass于 1963 年开发。第一个关于浮栅 MOSFET的报告是由 Dawon Kahng 和Simon Sze于 1967 年提出的。
双栅极MOSFET 于 1984 年由电工实验室研究人员 Toshihiro Sekikawa 和 Yutaka Hayashi 首次演示。
FinFET （鳍式场效应晶体管）是一种3D非平面多栅极MOSFET，起源于1989年日立中央研究实验室的Digh Hisamoto及其团队的研究。
FET 的三个端子是：
- source (S), through which the carriers enter the channel. Conventionally, current entering the channel at S is designated by I.
源（S），载流子通过它进入信道。传统上，在S处进入通道的电流由I S表示。
- drain (D), through which the carriers leave the channel. Conventionally, current leaving the channel at D is designated by I. Drain-to-source voltage is V.
漏极 (D)，载流子通过它离开沟道。按照惯例，在 D 处离开通道的电流由 I D表示。漏源电压为V DS 。
- gate (G), the terminal that modulates the channel conductivity. By applying voltage to G, one can control I.
栅极 (G)，调节沟道电导率的端子。通过向 G 施加电压，可以控制 I D 。
互补金属氧化物半导体(CMOS)
互补金属氧化物半导体（ CMOS ，发音为“sea-moss”， / s iː m ɑː s / , /- ɒ s / ）是一种金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)制造工艺，采用用于逻辑功能的互补且对称的p 型和n 型MOSFET 对。 CMOS技术用于构建集成电路（IC）芯片，包括微处理器、微控制器、存储芯片（包括CMOS BIOS ）和其他数字逻辑电路。 CMOS 技术还用于模拟电路，例如图像传感器( CMOS 传感器)、数据转换器、射频电路( RF CMOS ) 以及用于多种类型通信的高度集成收发器。
使用互补的p沟道和n沟道MOSFET组合的电路称为CMOS（互补MOS）。CMOS逻辑IC以各种方式组合MOSFET来实现逻辑功能。
由一对p沟道和n沟道MOSFET组成的逻辑门称为反相器。
通过组合p沟道和n沟道MOSFET可以实现各种逻辑功能。
与门
或门
