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(shí)特性可以接受代碼執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)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(shì)，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(shí)鐘極性CPOL和時(shí)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(shí)鐘線實(shí)現(xiàn)半雙工通信，I2C總線接口實(shí)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，速度非常快，且在設(shè)計(jì)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(hào)，沒有接收數(shù)據(jù)的硬板機(jī)制。對(duì)I2C總線來說，它占用的總線較少，可以多個(gè)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(jì)時(shí)需要上拉電阻，且對(duì)噪聲的干擾相對(duì)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(shí)將WP引腳和HOLD引腳復(fù)用為雙向的IO口來實(shí)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(shí)硬件上實(shí)現(xiàn)簡單的完全兼容。

相對(duì)于傳統(tǒng)的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6個(gè)引腳就能夠?qū)崿F(xiàn)單I/O，雙I/O和4個(gè)I/O口的接口通信，而并行的NOR Flash則至少需要40個(gè)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(hào)復(fù)用，這種并行NOR Flash引腳數(shù)相對(duì)較少，通過實(shí)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(shí)，通過采用DDR的方式讀操作，在80MHz的時(shí)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(shí)鐘共用的話，只需要10個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)SPI Flash所有功能。可以考慮，實(shí)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(shí)序?qū)ψx速度的影響，如圖4所示。tV是指時(shí)鐘的下降沿到有效數(shù)據(jù)輸出所需要的時(shí)間，一般最大為8ns。tHO是數(shù)據(jù)輸出后到下一個(gè)時(shí)鐘下降沿可持續(xù)的時(shí)間，一般最小值0ns。這兩個(gè)參數(shù)和時(shí)鐘頻率一起決定了SPI Flash的最大數(shù)據(jù)輸出速度。事實(shí)上，tHO在實(shí)際應(yīng)用中并不能像時(shí)鐘周期一樣可以無限壓縮，而往往都會(huì)大于0ns。

早期的4個(gè)I/O口輸出協(xié)議需要對(duì)地址和數(shù)據(jù)分別串行傳送。如，8個(gè)命令周期加上24個(gè)地址周期至少需要32個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期，非常耗時(shí)。



圖4 SPI時(shí)序?qū)ψx速度的影響

新的4個(gè)I/O口輸出模式，其地址可以通過4個(gè)I/O口同時(shí)傳送，如，24位地址信號(hào)僅需要6個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成，加上8個(gè)命令周期共需要14個(gè)周期完成命令，其速度比早期的4個(gè)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(gè)命令和前一個(gè)命令是同樣的命令。使我們?cè)谛枰貜?fù)進(jìn)行讀操作的時(shí)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(gè)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(gè)命令時(shí)鐘周期，加上3個(gè)地址時(shí)鐘周期，一共11個(gè)時(shí)鐘周期可以完成一個(gè)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(shí)的時(shí)鐘周期，完成一個(gè)DDR口的讀操作僅需要3個(gè)時(shí)鐘周期。

數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)會(huì)由于時(shí)鐘頻率太高而出現(xiàn)歪斜或失真，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的讀錯(cuò)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(shí)鐘頻率高時(shí)同樣穩(wěn)定地工作。DLP的功能是通過利用真實(shí)數(shù)據(jù)輸出前的假數(shù)據(jù)周期，它不會(huì)影響整個(gè)命令的時(shí)鐘周期，DLP的數(shù)據(jù)采用可以使主機(jī)端明確什么時(shí)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(shí)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(gè)時(shí)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(jì)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(huì)影響到SPI Flash的數(shù)據(jù)輸出速度，時(shí)鐘和I/O口信號(hào)的緊湊設(shè)計(jì)會(huì)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(jì)

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(chǔ)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(shí)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(huì)提供更高的讀性能。

低成本存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)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(hào)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(shí)序設(shè)計(jì)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(gè)讀取周期地址時(shí)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?？偟膩碚f，DDR的讀取模式可以在極少的引腳基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)超過傳統(tǒng)的讀取速度，未來會(huì)被越來越多地被采用。


圖6 Page-mode NOR讀取速度優(yōu)勢(shì)

Spansion的FL-S性能較高，對(duì)于SPI Flash來說，成本的節(jié)省來源于三個(gè)主要方面，第一，主芯片成本降低，從傳統(tǒng)的40個(gè)引腳或以上并行NOR Flash的支持到僅需要6個(gè)引腳的SPI Flash支持，成本會(huì)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(huì)明顯降低。第二，SPI Flash自身的封裝生產(chǎn)成本降低，同時(shí)從生產(chǎn)的成本來說，SPI由于引腳的減少會(huì)降低成本，測(cè)試成本也會(huì)降低。第三，F(xiàn)lash的速度提升對(duì)于客戶體驗(yàn)會(huì)有很大的改善，會(huì)給最終客戶端產(chǎn)品帶來競(jìng)爭(zhēng)力，如開機(jī)時(shí)間、運(yùn)行速度等等。

隨著競(jìng)爭(zhēng)的國際化和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的提高，工程師們對(duì)Flash芯片及芯片存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)的也可以是永久性的，動(dòng)態(tài)的就是指Flash的保護(hù)設(shè)置在掉電的時(shí)候或者復(fù)位時(shí)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(huì)因?yàn)榈綦娀蛘邚?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(duì)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(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)內(nèi)容的保護(hù)。另外，Spansion的65nm產(chǎn)品部分型號(hào)還可以實(shí)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(huì)被輕易地抄襲。

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問答選編

問：存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)代碼的應(yīng)用中，需要注意硬件上可能因?yàn)闀r(shí)鐘頻率高帶來的單板干擾，軟件設(shè)計(jì)中可以采用一些寫保護(hù)功能體改代碼存儲(chǔ)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??？

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(shí)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(gè)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(jià)比如何？

答：由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，目前各家廠商的Flash價(jià)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(duì)Flash而言，基本上可以做到單個(gè)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(shì)主要有哪些？

答：NOR Flash主要性能優(yōu)勢(shì)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(chǔ)，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(chǔ)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(jià)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(dòng)態(tài)的（掉電或者復(fù)位之后失去保護(hù)，需要使用的時(shí)候重新設(shè)置），也可以是永久性的，可以按照單個(gè)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。