|
Improve Memory Throughput with SPI NOR Flash ■ Spansion公司 在嵌入式系統(tǒng)中，NOR閃存一直以來仍然是較受青睞的非易失性內(nèi)存，NOR器件的低延時特性可以接受代碼執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲在一個單一的產(chǎn)品。雖然NAND記憶體已成為許多高密度應(yīng)用的首選解決方案，但NOR仍然是低密度解決方案的首選之一。 未來閃存產(chǎn)品具有快速發(fā)展的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，閃存產(chǎn)品從低密度、低性能、低功能的發(fā)展特點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏取⒏咝阅�、高功能的發(fā)展特點(diǎn)。Spansion的NOR閃存廣泛運(yùn)用于汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、機(jī)頂盒等。 SPI Flash特性 SPI串行結(jié)構(gòu)的EEPROM最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期，由摩托羅拉在其MC68HC系列中首先引入，MicroWire是由國半制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，它和SPI非常相似，只是MicroWire的時鐘極性CPOL和時鐘相位CPHA是固定的，均為0。I2C也是出現(xiàn)在80年代，由Philips制定，它通過一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線實現(xiàn)半雙工通信，I2C總線接口實現(xiàn)了最簡單的總線接口方式。三種標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。 SPI和MicroWire很相近，速度非�？�，且在設(shè)計中無需上拉電阻，可以支持全雙工通信操作，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要占用較多的數(shù)據(jù)總線，且需要為設(shè)備分配單獨(dú)的片選信號，沒有接收數(shù)據(jù)的硬板機(jī)制。對I2C總線來說，它占用的總線較少，可以多個設(shè)備共同用一根總線，支持接收數(shù)據(jù)的硬板機(jī)制，缺點(diǎn)是速度較低，為3.4MHz以下，只支持半雙工的操作，設(shè)計時需要上拉電阻，且對噪聲的干擾相對敏感。 
圖1 三種總線標(biāo)準(zhǔn) SPI的接口從傳統(tǒng)的單進(jìn)單出已經(jīng)提升到雙進(jìn)雙出或者四進(jìn)四出。如圖2所示，通過單向輸入SI，輸出SO變?yōu)殡p向的傳輸，同時將WP引腳和HOLD引腳復(fù)用為雙向的IO口來實現(xiàn)多IO口的接口通信，其協(xié)議及基本的讀寫操作和原始EEPROM兼容，同時硬件上實現(xiàn)簡單的完全兼容。 相對于傳統(tǒng)的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6個引腳就能夠?qū)崿F(xiàn)單I/O，雙I/O和4個I/O口的接口通信，而并行的NOR Flash則至少需要40個引腳。人們普遍使用的是標(biāo)準(zhǔn)NOR Flash異步讀模式，而ADM及地址數(shù)據(jù)信號復(fù)用，這種并行NOR Flash引腳數(shù)相對較少，通過實現(xiàn)突發(fā)讀模式，其數(shù)據(jù)輸出最快可超過120MB/s，SPI具有較少的引腳，同時，通過采用DDR的方式讀操作，在80MHz的時鐘下，其數(shù)據(jù)輸出可以達(dá)到80MB/s，甚至超過并行NOR Flash的異步讀速度。
圖2 SPI的接口轉(zhuǎn)變 在過去的幾年中，隨著直接CPU 內(nèi)存映射功能的支持， SPI的讀操作取得了極大的進(jìn)步，而傳統(tǒng)的SPI外設(shè)控制器仍然在用于傳統(tǒng)的SPI的讀或別的操作，相比之下，通過CPU的直接讀取操作，速度比通過SPI控制器來的更快，延遲低。 SPI雙通道控制器示意圖如圖3所示，雙通道可以使SPI的數(shù)據(jù)輸出增加一倍，硬件上將片選和時鐘共用的話，只需要10個引腳就能實現(xiàn)SPI Flash所有功能�？梢钥紤]，實現(xiàn)一片SPI Flash 8bits數(shù)據(jù)的傳輸，從而提升SPI Flash的數(shù)據(jù)輸出能力。
圖3 SPI雙通道控制器 關(guān)于SPI時序?qū)ψx速度的影響，如圖4所示。tV是指時鐘的下降沿到有效數(shù)據(jù)輸出所需要的時間，一般最大為8ns。tHO是數(shù)據(jù)輸出后到下一個時鐘下降沿可持續(xù)的時間，一般最小值0ns。這兩個參數(shù)和時鐘頻率一起決定了SPI Flash的最大數(shù)據(jù)輸出速度。事實上，tHO在實際應(yīng)用中并不能像時鐘周期一樣可以無限壓縮，而往往都會大于0ns。 早期的4個I/O口輸出協(xié)議需要對地址和數(shù)據(jù)分別串行傳送。如，8個命令周期加上24個地址周期至少需要32個時鐘周期完成一個讀操作命令周期，如果Flash的尋址超過128Mbits，僅地址周期就需要32個時鐘周期，非常耗時。
圖4 SPI時序?qū)ψx速度的影響 新的4個I/O口輸出模式，其地址可以通過4個I/O口同時傳送，如，24位地址信號僅需要6個時鐘周期就可以完成，加上8個命令周期共需要14個周期完成命令，其速度比早期的4個I/O口的傳輸要快很多。 模式bit的應(yīng)用用于通知SPI Flash下一個命令和前一個命令是同樣的命令。使我們在需要重復(fù)進(jìn)行讀操作的時候，可以減少命令周期帶來的總線開銷，從而進(jìn)一步提高SPI Flash的讀取性能。 DDR的4 I/O口讀模式由一個8bits的命令開始，而輸入地址和輸出的數(shù)據(jù)按照DDR的模式進(jìn)行，這種模式需要協(xié)議的開銷，需要8個命令時鐘周期，加上3個地址時鐘周期，一共11個時鐘周期可以完成一個讀命令操作。 通過模式bit消除可以節(jié)省重復(fù)輸入相同命令時的時鐘周期，完成一個DDR口的讀操作僅需要3個時鐘周期。 數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)會由于時鐘頻率太高而出現(xiàn)歪斜或失真，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的讀錯誤，而DLP（data learning pattern）的功能在DDR多I/O口協(xié)議中的使用可以使Flash在時鐘頻率高時同樣穩(wěn)定地工作。DLP的功能是通過利用真實數(shù)據(jù)輸出前的假數(shù)據(jù)周期，它不會影響整個命令的時鐘周期，DLP的數(shù)據(jù)采用可以使主機(jī)端明確什么時候可以采用到正確的目標(biāo)數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)在高頻率SPI數(shù)據(jù)在讀操作時的可靠性及穩(wěn)定性。 4 I/O口的DDR讀模式增加了DLP和模式bit消除模式后，只需要3個時鐘周期的協(xié)議開銷，目前的器件在80MHz頻率下，數(shù)據(jù)輸出可以達(dá)到80MB/s。 從設(shè)計的角度來說，如圖5所示。芯片內(nèi)部的引腳連接點(diǎn)的放置同樣會影響到SPI Flash的數(shù)據(jù)輸出速度，時鐘和I/O口信號的緊湊設(shè)計會減少芯片的數(shù)據(jù)失真，從而提高SPI Flash芯片的工作速度。
圖5 芯片內(nèi)部的引腳連接點(diǎn)設(shè)計 SPI Flash未來發(fā)展 未來SPI Flash的發(fā)展需要一種簡單、高效和高速接口。隨著傳統(tǒng)的應(yīng)用越來越多地轉(zhuǎn)向SPI Flash的存儲接口，人們希望傳統(tǒng)的一些并行NOR Flash的功能也能出現(xiàn)在SPI Flash中，比如Reset復(fù)位功能、寬電壓功能，及以扇區(qū)為單位的寫保護(hù)等功能。同時隨著DDR接口被越來越多廣泛地運(yùn)用，低電壓總線操作的支持等，數(shù)據(jù)SPI Flash將會提供更高的讀性能。 低成本存儲器解決方案 Spansion的FL-S是65nm工藝的產(chǎn)品，它具有增強(qiáng)的性能和豐富的功能。從產(chǎn)品性能上說，擦除速度快5倍以上，寫速度快3倍以上，同時，最快速讀功能快20%以上。從產(chǎn)品功能上說，容量覆蓋了主流的128 Mbits~1Gbits，其封裝是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，并能實現(xiàn)老產(chǎn)品到下一代新產(chǎn)品的兼容。產(chǎn)品在安全性方面也有很大的提高，除了支持OTP以外，部分型號支持讀保護(hù)功能。 目前，人們普遍使用的并行NOR Flash，如圖6所示，通過異步讀取的方式操作Flash，理想的時序設(shè)計基本上輸出速度是達(dá)到61MB/s。而Spansion的SPI Flash頁讀取模式可以達(dá)到98MB/s，和傳統(tǒng)的異步讀模式不同，第一個讀取周期地址時序和異步讀相同，但后續(xù)的讀取速度可以遞增25ns，從而大大提高Flash的讀取速度。總的來說，DDR的讀取模式可以在極少的引腳基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)超過傳統(tǒng)的讀取速度，未來會被越來越多地被采用。
圖6 Page-mode NOR讀取速度優(yōu)勢 Spansion的FL-S性能較高，對于SPI Flash來說，成本的節(jié)省來源于三個主要方面，第一，主芯片成本降低，從傳統(tǒng)的40個引腳或以上并行NOR Flash的支持到僅需要6個引腳的SPI Flash支持，成本會大大降低，但是如果主芯片各種芯片接口都支持的話，成本也不會明顯降低。第二，SPI Flash自身的封裝生產(chǎn)成本降低，同時從生產(chǎn)的成本來說，SPI由于引腳的減少會降低成本，測試成本也會降低。第三，F(xiàn)lash的速度提升對于客戶體驗會有很大的改善，會給最終客戶端產(chǎn)品帶來競爭力，如開機(jī)時間、運(yùn)行速度等等。 隨著競爭的國際化和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識的提高，工程師們對Flash芯片及芯片存儲的代碼安全性要求越來越高。Spansion的新系列Flash提供了非常豐富的保護(hù)功能。首先，普通的Flash可以支持扇區(qū)的寫保護(hù)功能，這種保護(hù)可以是動態(tài)的也可以是永久性的，動態(tài)的就是指Flash的保護(hù)設(shè)置在掉電的時候或者復(fù)位時保護(hù)功能失效，在上電或者復(fù)位后重新需要設(shè)置。而永久性的則不會因為掉電或者復(fù)位而使保護(hù)的狀態(tài)失效。大部分的Flash還提供了OTP的一次性的寫入功能。部分產(chǎn)品特別是針對高安全性的機(jī)頂盒產(chǎn)品可以支持將Flash扇區(qū)的操作OTP的功能，以扇區(qū)為單位，通過設(shè)置OTP可以防止任何的寫操作命令從而實現(xiàn)Flash存儲內(nèi)容的保護(hù)。另外，Spansion的65nm產(chǎn)品部分型號還可以實現(xiàn)讀加密的要求，客戶可以通過設(shè)置讀保護(hù)密碼防止Flash的內(nèi)容被讀取，從而保護(hù)產(chǎn)品的軟件不會被輕易地抄襲。 在線座談（Online Seminar）是中電網(wǎng)于2000年推出的創(chuàng)新服務(wù)，通過“視頻演示＋專家解說＋在線問答”三位一體相結(jié)合的形式，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)平臺的便捷性，實現(xiàn)了先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)提供商與系統(tǒng)設(shè)計工程師的實時互動交流，其形式和內(nèi)容都廣受電子行業(yè)工程師的好評。本刊每期將挑選一些精華內(nèi)容整理成文，以饗讀者。欲了解更多、更詳細(xì)的內(nèi)容，敬請登錄http://seminar.eccn.com。 問答選編 問：存儲器接口可以和現(xiàn)在的CPUSPI接口完全兼容嗎？ 答：可以的，CPI所帶的SPI接口可以專門用來連接SPI接口的Flash。 問：是否可以實現(xiàn)多I/O口技術(shù)？ 答：以SPI為例， 目前有x1/x2/x4三種I/O方式，并行NOR Flash和NAND Flash 有x8/x16兩種I/O方式。 問：可不可以用串行NOR Flash做程序存儲器，和并行NOR Flash相比，應(yīng)該注意些什么？ 答：當(dāng)然可以，串行Flash和傳統(tǒng)的并行NOR Flash相比，只是接口不同（當(dāng)然這種接口的不同需要控制端芯片的支持），其可靠性和穩(wěn)定性和并行NOR Flash相同。存儲代碼的應(yīng)用中，需要注意硬件上可能因為時鐘頻率高帶來的單板干擾，軟件設(shè)計中可以采用一些寫保護(hù)功能體改代碼存儲的安全性，另外Spansion的新系列串行Flash產(chǎn)品還支持了硬件復(fù)位RESET功能，在一些特殊的應(yīng)用中可以考慮采用。 問：產(chǎn)品現(xiàn)在應(yīng)用情況如何，容量怎么樣？ 答：現(xiàn)在已經(jīng)有很多的機(jī)頂盒客戶，網(wǎng)通客戶，工業(yè)類客戶在使用，最新FL-S flash是業(yè)界速度(讀寫擦除)較快的，容量從128Mbits~512Mbits都已經(jīng)量產(chǎn)，當(dāng)然Spansion公司有全系列的嵌入式的Flash提供給客戶，串型的容量從4Mbits~512Mbits，并行的容量從8Mbits~2Gbits。 問：安全性怎么樣啊？ 答：串行的Flash和傳統(tǒng)的并行NOR Flash相類似，只是接口不一樣。另外，65nm技術(shù)的產(chǎn)品Spansion公司去年上半年已經(jīng)量產(chǎn)，工藝本身非常成熟。從應(yīng)用的角度來說，如果需要進(jìn)一步提高其安全性，可以采用Spansion非常豐富的各種寫保護(hù)方式來保護(hù)代碼，同時部分產(chǎn)品且支持密碼加密的讀保護(hù)方式，提高產(chǎn)品的安全性。 問：Spansion的SPI閃存目前的存取速度可到多快? 答：單I/O是fast read是133Mhz，多I/O每個是80Mhz。如果是四I/O那就是320Mhz。如果能支持DDR SPI，double data rate，最快是66MB/s。 問：產(chǎn)品的性價比如何？ 答：由于市場競爭的關(guān)系，目前各家廠商的Flash價格相差不大，但是Spansion NOR Flash容量組合全，與其他家的產(chǎn)品相比，讀寫擦性能更高，尤其是目前的65nm系列產(chǎn)品FL-S和GL-S。 問：產(chǎn)品的壽命有多長？ 答：具體的使用壽命要看具體的使用方法，對Flash而言，基本上可以做到單個扇區(qū)10萬次的擦寫次數(shù)。應(yīng)用中建議考慮到損耗均衡，以提高在一些需要頻繁擦寫的應(yīng)用中的使用壽命。 問：NOR閃存的性能優(yōu)勢主要有哪些？ 答：NOR Flash主要性能優(yōu)勢有：（1）可靠性高，沒有壞塊，位翻轉(zhuǎn)的幾率低；（2）讀速度快能夠支持片上執(zhí)行代碼，也就是XIP，一般代碼存儲，產(chǎn)品的生命周期長的產(chǎn)品，推薦使用NOR閃存。 問：NOR Flash與NAND Flash的不同點(diǎn)有哪些? 答：（1）NOR flash沒有壞扇區(qū)，而NAND有；（2）引腳，數(shù)據(jù)通信不一樣，NOR有串行并行之分，NAND主要是I/O通信，地址數(shù)據(jù)復(fù)用；（3）應(yīng)用領(lǐng)域不太一樣，NOR主要用于存儲程序代碼，需要高可靠性的應(yīng)該，NAND主要保存數(shù)據(jù)用的。 問：除了SPI，還支持何種通信方式？ 答：Flash有分NOR和NAND。NAND Flash主要是用I/O通信，數(shù)據(jù)地址復(fù)用，NOR又分串行并行，串行就只有SPI，但SPI有單I/O或多I/O，還可以支持DDR SPI。并行就有分ADP， ADM， AADM等等。 問：SPI NOR的最主要優(yōu)點(diǎn)是什么？ 答：引腳少，封裝小，價格好，兼容性大，速度已經(jīng)可以跟普通的并行Flash比了。 問：Spansion產(chǎn)品采用的是通用引腳嗎？ 答：是的。都是滿足JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的。不管是串行還是并行的NOR Flash而且容量增大引腳依然是兼容的。 問：Spansion閃存產(chǎn)品是否具有寫保護(hù)功能？ 答：是的，Spansion的產(chǎn)品提供非常豐富的寫保護(hù)，可以是動態(tài)的（掉電或者復(fù)位之后失去保護(hù)，需要使用的時候重新設(shè)置），也可以是永久性的，可以按照單個扇區(qū)任意大小保護(hù)，且無需傳統(tǒng)的12V操作。另外，部分產(chǎn)品且支持讀保護(hù)功能。 GEC （中電網(wǎng)、《世界電子元器件》） |
