應用串行NOR閃存提升內存處理能力

在嵌入式系統中，NOR閃存一直以來(lái)仍然是較受青睞的非易失性內存，NOR器件的低延時(shí)特性可以接受代碼執行和數據存儲在一個(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(lái)閃存產(chǎn)品具有快速發(fā)展的趨勢，可以發(fā)現，閃存產(chǎn)品從低密度、低性能、低功能的發(fā)展特點(diǎn)轉變?yōu)楦呙芏?、高性能、高功能的發(fā)展特點(diǎn)。Spansion的NOR閃存廣泛運用于汽車(chē)電子、醫療設備、通訊設備、機頂盒等。

SPI Flash特性

SPI串行結構的EEPROM最早出現于20世紀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(xiàn)標準，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也是出現在80年代，由Philips制定，它通過(guò)一條數據線(xiàn)和一條時(shí)鐘線(xiàn)實(shí)現半雙工通信，I2C總線(xiàn)接口實(shí)現了最簡(jiǎn)單的總線(xiàn)接口方式。三種標準如圖1所示。

SPI和MicroWire很相近，速度非?？?，且在設計中無(wú)需上拉電阻，可以支持全雙工通信操作，抗干擾能力強，缺點(diǎn)是需要占用較多的數據總線(xiàn)，且需要為設備分配單獨的片選信號，沒(méi)有接收數據的硬板機制。對I2C總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它占用的總線(xiàn)較少，可以多個(gè)設備共同用一根總線(xiàn)，支持接收數據的硬板機制，缺點(diǎn)是速度較低，為3.4MHz以下，只支持半雙工的操作，設計時(shí)需要上拉電阻，且對噪聲的干擾相對敏感。

圖1 三種總線(xiàn)標準

SPI的接口從傳統的單進(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(guò)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引腳復用為雙向的IO口來(lái)實(shí)現多IO口的接口通信，其協(xié)議及基本的讀寫(xiě)操作和原始EEPROM兼容，同時(shí)硬件上實(shí)現簡(jiǎn)單的完全兼容。

相對于傳統的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6個(gè)引腳就能夠實(shí)現單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準NOR Flash異步讀模式，而ADM及地址數據信號復用，這種并行NOR Flash引腳數相對較少，通過(guò)實(shí)現突發(fā)讀模式，其數據輸出最快可超過(guò)120MB/s，SPI具有較少的引腳，同時(shí)，通過(guò)采用DDR的方式讀操作，在80MHz的時(shí)鐘下，其數據輸出可以達到80MB/s，甚至超過(guò)并行NOR Flash的異步讀速度。

圖2 SPI的接口轉變

在過(guò)去的幾年中，隨著(zhù)直接CPU 內存映射功能的支持， SPI的讀操作取得了極大的進(jìn)步，而傳統的SPI外設控制器仍然在用于傳統的SPI的讀或別的操作，相比之下，通過(guò)CPU的直接讀取操作，速度比通過(guò)SPI控制器來(lái)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的數據輸出增加一倍，硬件上將片選和時(shí)鐘共用的話(huà)，只需要10個(gè)引腳就能實(shí)現SPI Flash所有功能?？梢钥紤]，實(shí)現一片SPI Flash 8bits數據的傳輸，從而提升SPI Flash的數據輸出能力。

圖3 SPI雙通道控制器

關(guān)于SPI時(shí)序對讀速度的影響，如圖4所示。tV是指時(shí)鐘的下降沿到有效數據輸出所需要的時(shí)間，一般最大為8ns。tHO是數據輸出后到下一個(gè)時(shí)鐘下降沿可持續的時(shí)間，一般最小值0ns。這兩個(gè)參數和時(shí)鐘頻率一起決定了SPI Flash的最大數據輸出速度。事實(shí)上，tHO在實(shí)際應用中并不能像時(shí)鐘周期一樣可以無(wú)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)議需要對地址和數據分別串行傳送。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(guò)128Mbits，僅地址周期就需要32個(gè)時(shí)鐘周期，非常耗時(shí)。