NXP基于SPIFI外設(shè)的Cortex-M MCU徹底解決嵌入式閃存選型困擾
2011-07-18
作者：Rob Cosaro, Gene Carter
來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體公司
引言
新型恩智浦ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)(SPIFI，已申請(qǐng)專(zhuān)利)可以幫助32位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以小尺寸、低成本的串行閃存替代大尺寸、高成本的并行閃存。利用SPIFI (讀音與spiffy諧音，意為“出色、整潔、漂亮”等——譯注)，外部串行閃存可以映射到微控制器內(nèi)存中，達(dá)到片上內(nèi)存讀取效果。新技術(shù)可以解決傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)外部閃存選型難題，為設(shè)計(jì)人員在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)縮小尺寸及降低成本提供了一條新途徑。
目前恩智浦開(kāi)發(fā)出一種新型外設(shè)接口技術(shù)，該技術(shù)在基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的最新LPC1800微控制器上已得到成功應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用該技術(shù)可將串行閃存取代并行閃存，縮小封裝尺寸，降低系統(tǒng)成本。這種稱(chēng)為SPI閃存接口(SPIFI)的技術(shù)目前已申請(qǐng)專(zhuān)利，通過(guò)該技術(shù)可將外部串行閃存映射到微控制器內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)片上內(nèi)存讀取效果。SPIFI為設(shè)計(jì)人員提供了一種創(chuàng)新解決方案，在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)達(dá)到簡(jiǎn)化配置、縮小封裝體積、減少板載空間占用和節(jié)約系統(tǒng)成本的目的。
外部閃存的作用
采用32位微控制器(MCU)的嵌入式應(yīng)用目前越來(lái)越復(fù)雜，需要完成多媒體、照片和其他各種數(shù)據(jù)密集型內(nèi)容的管理任務(wù)。特別是人機(jī)接口系統(tǒng)，用戶(hù)現(xiàn)在都希望有圖形顯示，通過(guò)窗口、圖片、動(dòng)畫(huà)、聲音和其他多媒體方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。此外，隨著市場(chǎng)的國(guó)際化，產(chǎn)品需要滿(mǎn)足多國(guó)語(yǔ)言要求，支持各種字母和字符。所有這些都對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)資源提出了更高要求。
大部分32位微控制器都配有片上閃存，用于支持各種數(shù)據(jù)密集型功能，但是這種內(nèi)存容量有限，通常無(wú)法滿(mǎn)足整體應(yīng)用要求。片上閃存通常不足1Mb，雖然能夠解決主要應(yīng)用代碼存儲(chǔ)，卻無(wú)法滿(mǎn)足其他應(yīng)用資料的保存要求，比如：查找表單、圖像、照片、聲音文件、多國(guó)語(yǔ)言等。為此，設(shè)計(jì)人員通常要使用外部閃存。
與片上閃存相比，外部閃存成本要低很多，而且通常都有8Mb以上的現(xiàn)貨。使用外部閃存可以增加系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠更新升級(jí)軟件。
并行閃存與串行閃存的艱難選擇
對(duì)于外部閃存選型(串行和并行)，設(shè)計(jì)人員通常要綜合評(píng)估，折衷考慮。并行閃存的速度通常比串行閃存快，但需要使用更多管腳、PCB布線和板載空間。
圖1給出了串行和并行閃存典型的數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于并行閃存，圖中假定無(wú)緩沖，固定存取時(shí)間為90ns?；谏鲜鰲l件，16位并行閃存的最大傳輸速率22Mb/s。對(duì)于串行閃存，最大時(shí)鐘頻率80MHz的每位傳輸速率為80Mb/s，四通道串行閃存最大傳輸速率為40Mb/s。雖然該計(jì)算忽略了控制位，但四通道SPI閃存支持burst位，而SPIFI接口支持該功能，因此SPIFI接口可以達(dá)到上述傳輸速率。
圖1：串行和并行閃存的典型傳輸速率
如圖1所示，典型的16位并行閃存每秒傳輸速率為20Mb。對(duì)于使用32位微控制器和32位外部閃存通信總線的系統(tǒng)(如恩智浦產(chǎn)品)，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用兩個(gè)16位并行閃存達(dá)到40Mb/s的傳輸速率。但是，增加速度的同時(shí)也會(huì)增加成本。這種配置使用兩個(gè)獨(dú)立的并行閃存，每個(gè)閃存有數(shù)十個(gè)封裝管腳，無(wú)論是封裝尺寸、管腳數(shù)量，還是PCB空間占用，都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)人員的承受范圍。
串行閃存通常使用簡(jiǎn)單的四針串行外設(shè)接口(SPI),從空間占用、功耗和成本等因素考慮是并行閃存的理想替代產(chǎn)品，但是傳輸速率非常低。通過(guò)圖1我們可以看到典型SPI閃存50MHz的傳輸速率僅為5Mb/s，而采用兩個(gè)16位并行閃存配置系統(tǒng)的傳輸速率是其8倍。另一個(gè)問(wèn)題就是大多數(shù)微控制器SPI接口都與MCU外設(shè)矩陣連接，處理器訪問(wèn)數(shù)據(jù)前必須先由驅(qū)動(dòng)器代碼接收到內(nèi)容并保存在板載RAM中。由于每次讀取串行閃存都要通過(guò)SPI軟件層，因此速度無(wú)法提高。對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的外部閃存應(yīng)用，速度可能無(wú)法滿(mǎn)足要求。
新型四通道SPI閃存采用改進(jìn)的6針SPI配置，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的SPI接口。如圖1所示，四通道SPI每秒最大傳輸速率可達(dá)40Mb，與兩個(gè)16位并行閃存速度相當(dāng)。由于減少了管腳數(shù)量和封裝尺寸，與并行方案相比，四通道SPI串行閃存可有效降低成本。雖然四通道SPI閃存完全可替代嵌入式系統(tǒng)中的并行閃存，但目前32位微控制器設(shè)計(jì)并不支持四通道SPI閃存的最大傳輸速率。這主要是因?yàn)樗耐ǖ繱PI接口與傳統(tǒng)的SPI接口連接方式相同，直接連接了微控制器外設(shè)矩陣。
恩智浦新開(kāi)發(fā)的SPI閃存接口(SPIFI)可以徹底解決并行/串行閃存的選型困擾。已申請(qǐng)專(zhuān)利的SPIFI外設(shè)可以將低成本SPI和新型四通道SPI閃存映像到ARM Cortex-M3內(nèi)存中。與外部并行閃存方案相比，使用SPI外部閃存的MCU性能損失非常小。由于外部SPI閃存完整的內(nèi)存空間可以映像到MCU內(nèi)存中，微控制器對(duì)外部閃存直接訪問(wèn)，無(wú)需使用軟件API或庫(kù)。
例如，使用四通道SPI閃存，SPIFI外設(shè)傳輸速率可達(dá)40Mb/s。設(shè)計(jì)人員可以選擇更便宜的SPI閃存器件，在保證性能的基礎(chǔ)上縮小腳位尺寸，簡(jiǎn)化配置。由于系統(tǒng)無(wú)需針對(duì)外部并行閃存使用龐大的接口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員還可以選擇體積更小、成本更低的微控制器。嵌入式系統(tǒng)采用SPIFI外設(shè)可以提高內(nèi)存資源利用率，縮小尺寸，提高效率，降低系統(tǒng)總成本。
SPIFI外設(shè)是恩智浦LPC1800系列ARM Cortex-M3微控制器率先采用的一種專(zhuān)用技術(shù)。此外，即將面市的新產(chǎn)品還包括低成本Cortex-M0系列和Cortex M4數(shù)字符串行控制器(DSC)。
SPIFI支持目前市場(chǎng)上大部分串行閃存器件(含四通道讀/寫(xiě)產(chǎn)品)，配置編程非常簡(jiǎn)便，采用4/6引腳設(shè)計(jì)(取決于串行閃存類(lèi)型)，支持小型寄存器組，優(yōu)化內(nèi)存事務(wù)，其軟件指令可降低CPU開(kāi)銷(xiāo)，提高內(nèi)存數(shù)據(jù)交換效率。
SPIFI工作原理
圖2給出了SPIFI外設(shè)的功能框圖。SPIFI功能塊與微控制器應(yīng)用的高速總線(AHB)矩陣連接，后者主要用于處理器內(nèi)核和片上內(nèi)存。SPIFI將外部SPI閃存內(nèi)容映射到微控制器內(nèi)存中。當(dāng)片上ROM啟動(dòng)代碼激活SPIFI接口后，外部SPI內(nèi)存與核心處理單元上的片上內(nèi)存功能完全相似。
圖2：SPIFI外設(shè)功能框圖
初始化序列
SPFI接口的所有驅(qū)動(dòng)程序全部保存在ROM中。對(duì)于讀取操作，只需一個(gè)例程調(diào)用指令即可啟動(dòng)SPIFI外設(shè)。初始化序列結(jié)束后，整個(gè)SPI閃存可以象正常內(nèi)存一樣由處理器和/或DMA通道按字節(jié)、半字、整字訪問(wèn)。擦除和編程通過(guò)簡(jiǎn)單的API指令訪問(wèn)ROM命令調(diào)用即可，因此，使用外部SPI閃存與片上內(nèi)存幾乎沒(méi)有差別。
從SPIFI啟動(dòng)
對(duì)于需要微控制器從外部串行閃存啟動(dòng)的系統(tǒng)，恩智浦LPC1800微控制器已配置了SPIFI啟動(dòng)功能。啟動(dòng)源的選擇有兩種方法：第一種是使用微控制器引腳確定啟動(dòng)源的接口；第二種由用戶(hù)在非易失性?xún)?nèi)存中編程選擇啟動(dòng)接口。使用非易失性?xún)?nèi)存編程可保留引腳的雙重功能。
物理接口
圖3給出了SPIFI外設(shè)的物理接口。本示例對(duì)于傳統(tǒng)SPI閃存采用了標(biāo)準(zhǔn)的4引腳配置，如果是四信道SPI閃存，還需要增加兩個(gè)引腳以支持四信道功能。
圖3：SPIFI外設(shè)物理接口
不同的串行閃存廠商和產(chǎn)品需要不同的命令和命令格式。SPIFI外設(shè)為此提供了足夠的支持，可兼容大部分SPI閃存及衍生產(chǎn)品，確保今后產(chǎn)品的兼容性。
小寄存器組
SPIFI外設(shè)小寄存器組既保證了接口的功能又簡(jiǎn)化了操作，通過(guò)8個(gè)寄存器控制SPIFI功能，連接外部SPI閃存，保存和檢索數(shù)據(jù)以及監(jiān)控操作。由于設(shè)置、編程、擦除等工作均由集成的ROM API處理，因此外部SPI內(nèi)存操作只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)用命令?？傮w來(lái)看，SPIFI外設(shè)配置簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。
軟件命令
當(dāng)軟件讀取內(nèi)存映射的串行閃存內(nèi)容時(shí)，外部閃存可以識(shí)別并接受微控制器軟件發(fā)送的和SPIFI外設(shè)自動(dòng)發(fā)送的命令。這些命令可分為操作代碼、地址、中間和數(shù)據(jù)等字段，其中。地址、中間和數(shù)據(jù)字段為可選字段，這主要取決于操作代碼。部分閃存支持“讀”命令解釋操作代碼模式，以提高系統(tǒng)性能。根據(jù)操作代碼不同，數(shù)據(jù)字段可進(jìn)一步分為輸入和輸出數(shù)據(jù)字段。所有發(fā)送到外部SPI閃存的命令都可以通過(guò)調(diào)用ROM API指令進(jìn)行處理。SPIFI ROM API驅(qū)動(dòng)器允許通過(guò)簡(jiǎn)單的加載命令訪問(wèn)外部SPI閃存內(nèi)容，保證應(yīng)用操作代碼延續(xù)其緊湊和易寫(xiě)的特點(diǎn)。
獨(dú)立于CPU的運(yùn)行
SPIFI軟件可讀取外部閃存數(shù)據(jù)，并將其寫(xiě)入RAM或外設(shè)，無(wú)需CPU支持。比如，對(duì)于集成LCD控制器的微控制器，此功能可以提高系統(tǒng)性能，節(jié)約功耗。外部閃存可以保存圖像并通過(guò)LCD控制器讀取。由于LCD控制器大多數(shù)按地址順序讀取數(shù)據(jù)，SPIFI外設(shè)可根據(jù)需要預(yù)先獲取地址，無(wú)需等待。整個(gè)操作無(wú)需CPU參與，也不用將圖像加載到片上RAM，而由LCD控制器直接獲取。因此，系統(tǒng)對(duì)微控制器片上RAM的容量要求不高，或者可將現(xiàn)有RAM釋放出來(lái)用于完成其他任務(wù)。由于LCD控制器直接獲取圖像，LCD顯示屏圖像刷新速度更快，簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)窗口等操作顯得更加平滑流暢。另外，為降低功耗，系統(tǒng)還可以使用低時(shí)鐘速率運(yùn)行，不會(huì)對(duì)顯示性能有太大影響。
直接執(zhí)行代碼
從軟件的角度看，微控制器可以直接執(zhí)行外部SPI閃存中的代碼。直接執(zhí)行代碼有利于在線升級(jí)或者更新片上閃存的出廠功能。外部閃存可以存放通過(guò)驗(yàn)證的升級(jí)代碼。例如，如果系統(tǒng)功能地址保存在片上閃存的表單中，通過(guò)外部閃存的例程地址即可對(duì)該表單重新編程?；蛘?，如果包含原始例程起始信息的內(nèi)存頁(yè)保存在片上閃存中，通過(guò)外部分支長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)到外部閃存的新例程即可更新內(nèi)存頁(yè)。對(duì)于上述兩例，由于SPIFI外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)外部閃存代碼直接執(zhí)行，因此新代碼無(wú)需加載到片上RAM。
通過(guò)外部閃存執(zhí)行代碼的速度遠(yuǎn)不及片上內(nèi)存。SPIFI外設(shè)設(shè)計(jì)并非針對(duì)需要峰值性能的實(shí)時(shí)運(yùn)行功能，但是對(duì)于執(zhí)行非關(guān)鍵代碼序列，SPIFI具有很大的吸引力。
寫(xiě)/執(zhí)行并行操作功能
SPIFI支持寫(xiě)功能和執(zhí)行功能同時(shí)進(jìn)行，換句話說(shuō)，即使處理器正在執(zhí)行片上閃存代碼，也可以快速方便地對(duì)外部閃存進(jìn)行編程和擦除。由于SPIFI外設(shè)可以獨(dú)立運(yùn)行，不受CPU影響，因此在外部串行閃存編程的同時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。
由于系統(tǒng)在執(zhí)行關(guān)鍵應(yīng)用代碼的同時(shí)可以對(duì)外部閃存進(jìn)行寫(xiě)操作，因此該功能可用于在線軟件更新。例如，智能電表即使在更新軟件時(shí)也需要不間斷工作。利用SPIFI，公用工程公司可以配置系統(tǒng)，向外部閃存寫(xiě)入任何代碼，無(wú)需中斷智能電表的計(jì)量工作，最后再將新代碼集成到系統(tǒng)中。同樣，對(duì)于使用USB端口的系統(tǒng)，新代碼可以先保存在便攜式USB驅(qū)動(dòng)器中，再傳輸?shù)酵獠块W存，無(wú)需中斷重要操作。
本文小結(jié)
恩智浦LPC1800 ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)可以將外部閃存映射到微控制器內(nèi)存中，實(shí)現(xiàn)片上內(nèi)存功能。此項(xiàng)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更多的外置閃存選擇機(jī)會(huì)，同時(shí)降低系統(tǒng)成本，縮小封裝尺寸。
SPIFI外設(shè)為設(shè)計(jì)人員提供了一種新的解決方案，可以利用低成本串行閃存替代昂貴的并行閃存，在縮小尺寸的同時(shí)仍能保證系統(tǒng)性能。串行閃存的低成本、小尺寸和簡(jiǎn)化配置等眾多優(yōu)勢(shì)從此得以應(yīng)用，而對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常小。利用SPIFI，設(shè)計(jì)人員還可以選擇無(wú)并行接口的微控制器，以小型低成本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所需性能。
恩智浦計(jì)劃將SPIFI技術(shù)推廣到其他Cortex-M產(chǎn)品上，包括低端Cortex-M0和即將上市的Cortex-M4數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)。
作者：
Rob Cosaro
系統(tǒng)、應(yīng)用和架構(gòu)經(jīng)理
Gene Carter
微控制器事業(yè)部國(guó)際產(chǎn)品經(jīng)理
恩智浦半導(dǎo)體公司(特稿)
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