基于SPIFI外設的Cortex-M MCU嵌入式閃存選型解決方案

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，已申請專(zhuān)利)可以幫助32位嵌入式系統設計人員以小尺寸、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存中，達到片上內存讀取效果。新技術(shù)可以解決傳統嵌入式系統外部閃存選型難題，為設計人員在保持系統性能的同時(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)出一種新型外設接口技術(shù)，該技術(shù)在基于A(yíng)RM Cortex-M3內核的最新LPC1800微控制器上已得到成功應用。嵌入式系統設計人員利用該技術(shù)可將串行閃存取代并行閃存，縮小封裝尺寸，降低系統成本。這種稱(chēng)為SPI閃存接口(SPIFI)的技術(shù)目前已申請專(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存，實(shí)現片上內存讀取效果。SPIFI為設計人員提供了一種創(chuàng )新解決方案，在保持系統性能的同時(shí)達到簡(jiǎn)化配置、縮小封裝體積、減少板載空間占用和節約系統成本的目的。

　　外部閃存的作用

　　采用32位微控制器(MCU)的嵌入式應用目前越來(lái)越復雜，需要完成多媒體、照片和其他各種數據密集型內容的管理任務(wù)。特別是人機接口系統，用戶(hù)現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)現人機對話(huà)。此外，隨著(zhù)市場(chǎng)的國際化，產(chǎn)品需要滿(mǎn)足多國語(yǔ)言要求，支持各種字母和字符。所有這些都對系統存儲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，用于支持各種數據密集型功能，但是這種內存容量有限，通常無(wú)法滿(mǎn)足整體應用要求。片上閃存通常不足1Mb，雖然能夠解決主要應用代碼存儲，卻無(wú)法滿(mǎn)足其他應用資料的保存要求，比如：查找表單、圖像、照片、聲音文件、多國語(yǔ)言等。為此，設計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以上的現貨。使用外部閃存可以增加系統靈活性，系統運行時(shí)能夠更新升級軟件。

　　并行閃存與串行閃存的艱難選擇

　　對于外部閃存選型(串行和并行)，設計人員通常要綜合評估，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(xiàn)和板載空間。

　　圖1給出了串行和并行閃存典型的數據傳輸速率。對于并行閃存，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。對于使用32位微控制器和32位外部閃存通信總線(xiàn)的系統(如恩智浦產(chǎn)品)，設計人員可以選擇使用兩個(gè)16位并行閃存達到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)獨立的并行閃存，每個(gè)閃存有數十個(gè)封裝管腳，無(wú)論是封裝尺寸、管腳數量，還是PCB空間占用，都會(huì )遠遠超出設計人員的承受范圍。

　　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的傳輸速率是其8倍。另一個(gè)問(wèn)題就是大多數微控制器SPI接口都與MCU外設矩陣連接，處理器訪(fǎng)問(wèn)數據前必須先由驅動(dòng)器代碼接收到內容并保存在板載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。對于采用標準SPI接口的外部閃存應用，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，數據傳輸速率遠高于傳統的SPI接口。如圖1所示，四通道SPI每秒最大傳輸速率可達40Mb，與兩個(gè)16位并行閃存速度相當。由于減少了管腳數量和封裝尺寸，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中的并行閃存，但目前32位微控制器設計并不支持四通道SPI閃存的最大傳輸速率。這主要是因為四通道SPI接口與傳統的SPI接口連接方式相同，直接連接了微控制器外設矩陣。