|
Improve Memory Throughput with SPI NOR Flash ■ Spansion公司 在嵌入式系統中，NOR閃存一直以來仍然是較受青睞的非易失性內存，NOR器件的低延時特性可以接受代碼執行和數據存儲在一個單一的產品。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。 未來閃存產品具有快速發展的趨勢，可以發現，閃存產品從低密度、低性能、低功能的發展特點轉變為高密度、高性能、高功能的發展特點。Spansion的NOR閃存廣泛運用于汽車電子、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標準，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也是出現在80年代，由Philips制定，它通過一條數據線和一條時鐘線實現半雙工通信，I2C總線接口實現了最簡單的總線接口方式。三種標準如圖1所示。 SPI和MicroWire很相近，速度非常快，且在設計中無需上拉電阻，可以支持全雙工通信操作，抗干擾能力強，缺點是需要占用較多的數據總線，且需要為設備分配單獨的片選信號，沒有接收數據的硬板機制。對I2C總線來說，它占用的總線較少，可以多個設備共同用一根總線，支持接收數據的硬板機制，缺點是速度較低，為3.4MHz以下，只支持半雙工的操作，設計時需要上拉電阻，且對噪聲的干擾相對敏感。 
圖1 三種總線標準 SPI的接口從傳統的單進單出已經提升到雙進雙出或者四進四出。如圖2所示，通過單向輸入SI，輸出SO變為雙向的傳輸，同時將WP引腳和HOLD引腳復用為雙向的IO口來實現多IO口的接口通信，其協議及基本的讀寫操作和原始EEPROM兼容，同時硬件上實現簡單的完全兼容。 相對于傳統的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6個引腳就能夠實現單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，通過實現突發讀模式，其數據輸出最快可超過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，其數據輸出可以達到80MB/s，甚至超過并行NOR Flash的異步讀速度。
圖2 SPI的接口轉變 在過去的幾年中，隨著直接CPU 內存映射功能的支持， SPI的讀操作取得了極大的進步，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的數據輸出增加一倍，硬件上將片選和時鐘共用的話，只需要10個引腳就能實現SPI Flash所有功能。可以考慮，實現一片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 關于SPI時序對讀速度的影響，如圖4所示。tV是指時鐘的下降沿到有效數據輸出所需要的時間，一般最大為8ns。tHO是數據輸出后到下一個時鐘下降沿可持續的時間，一般最小值0ns。這兩個參數和時鐘頻率一起決定了SPI Flash的最大數據輸出速度。事實上，tHO在實際應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口輸出協議需要對地址和數據分別串行傳送。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時序對讀速度的影響 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。使我們在需要重復進行讀操作的時候，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據按照DDR的模式進行，這種模式需要協議的開銷，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消除可以節省重復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。 數據總線上的數據會由于時鐘頻率太高而出現歪斜或失真，導致數據的讀錯誤，而DLP（data learning pattern）的功能在DDR多I/O口協議中的使用可以使Flash在時鐘頻率高時同樣穩定地工作。DLP的功能是通過利用真實數據輸出前的假數據周期，它不會影響整個命令的時鐘周期，DLP的數據采用可以使主機端明確什么時候可以采用到正確的目標數據，從而提高系統在高頻率SPI數據在讀操作時的可靠性及穩定性。 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個時鐘周期的協議開銷，目前的器件在80MHz頻率下，數據輸出可以達到80MB/s。 從設計的角度來說，如圖5所示。芯片內部的引腳連接點的放置同樣會影響到SPI Flash的數據輸出速度，時鐘和I/O口信號的緊湊設計會減少芯片的數據失真，從而提高SPI Flash芯片的工作速度。
圖5 芯片內部的引腳連接點設計 SPI Flash未來發展 未來SPI Flash的發展需要一種簡單、高效和高速接口。隨著傳統的應用越來越多地轉向SPI Flash的存儲接口，人們希望傳統的一些并行NOR Flash的功能也能出現在SPI Flash中，比如Reset復位功能、寬電壓功能，及以扇區為單位的寫保護等功能。同時隨著DDR接口被越來越多廣泛地運用，低電壓總線操作的支持等，數據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工藝的產品，它具有增強的性能和豐富的功能。從產品性能上說，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。從產品功能上說，容量覆蓋了主流的128 Mbits~1Gbits，其封裝是工業標準封裝，并能實現老產品到下一代新產品的兼容。產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，理想的時序設計基本上輸出速度是達到61MB/s。而Spansion的SPI Flash頁讀取模式可以達到98MB/s，和傳統的異步讀模式不同，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上可以實現超過傳統的讀取速度，未來會被越來越多地被采用。
圖6 Page-mode NOR讀取速度優勢 Spansion的FL-S性能較高，對于SPI Flash來說，成本的節省來源于三個主要方面，第一，主芯片成本降低，從傳統的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自身的封裝生產成本降低，同時從生產的成本來說，SPI由于引腳的減少會降低成本，測試成本也會降低。第三，Flash的速度提升對于客戶體驗會有很大的改善，會給最終客戶端產品帶來競爭力，如開機時間、運行速度等等。 隨著競爭的國際化和知識產權保護意識的提高，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功能。首先，普通的Flash可以支持扇區的寫保護功能，這種保護可以是動態的也可以是永久性的，動態的就是指Flash的保護設置在掉電的時候或者復位時保護功能失效，在上電或者復位后重新需要設置。而永久性的則不會因為掉電或者復位而使保護的狀態失效。大部分的Flash還提供了OTP的一次性的寫入功能。部分產品特別是針對高安全性的機頂盒產品可以支持將Flash扇區的操作OTP的功能，以扇區為單位，通過設置OTP可以防止任何的寫操作命令從而實現Flash存儲內容的保護。另外，Spansion的65nm產品部分型號還可以實現讀加密的要求，客戶可以通過設置讀保護密碼防止Flash的內容被讀取，從而保護產品的軟件不會被輕易地抄襲。 在線座談（Online Seminar）是中電網于2000年推出的創新服務，通過“視頻演示＋專家解說＋在線問答”三位一體相結合的形式，充分發揮網絡平臺的便捷性，實現了先進半導體技術提供商與系統設計工程師的實時互動交流，其形式和內容都廣受電子行業工程師的好評。本刊每期將挑選一些精華內容整理成文，以饗讀者。欲了解更多、更詳細的內容，敬請登錄http://seminar.eccn.com。 問答選編 問：存儲器接口可以和現在的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：是否可以實現多I/O口技術？ 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，應該注意些什么？ 答：當然可以，串行Flash和傳統的并行NOR Flash相比，只是接口不同（當然這種接口的不同需要控制端芯片的支持），其可靠性和穩定性和并行NOR Flash相同。存儲代碼的應用中，需要注意硬件上可能因為時鐘頻率高帶來的單板干擾，軟件設計中可以采用一些寫保護功能體改代碼存儲的安全性，另外Spansion的新系列串行Flash產品還支持了硬件復位RESET功能，在一些特殊的應用中可以考慮采用。 問：產品現在應用情況如何，容量怎么樣？ 答：現在已經有很多的機頂盒客戶，網通客戶，工業類客戶在使用，最新FL-S flash是業界速度(讀寫擦除)較快的，容量從128Mbits~512Mbits都已經量產，當然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和傳統的并行NOR Flash相類似，只是接口不一樣。另外，65nm技術的產品Spansion公司去年上半年已經量產，工藝本身非常成熟。從應用的角度來說，如果需要進一步提高其安全性，可以采用Spansion非常豐富的各種寫保護方式來保護代碼，同時部分產品且支持密碼加密的讀保護方式，提高產品的安全性。 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：產品的性價比如何？ 答：由于市場競爭的關系，目前各家廠商的Flash價格相差不大，但是Spansion NOR Flash容量組合全，與其他家的產品相比，讀寫擦性能更高，尤其是目前的65nm系列產品FL-S和GL-S。 問：產品的壽命有多長？ 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10萬次的擦寫次數。應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用中的使用壽命。 問：NOR閃存的性能優勢主要有哪些？ 答：NOR Flash主要性能優勢有：（1）可靠性高，沒有壞塊，位翻轉的幾率低；（2）讀速度快能夠支持片上執行代碼，也就是XIP，一般代碼存儲，產品的生命周期長的產品，推薦使用NOR閃存。 問：NOR Flash與NAND Flash的不同點有哪些? 答：（1）NOR flash沒有壞扇區，而NAND有；（2）引腳，數據通信不一樣，NOR有串行并行之分，NAND主要是I/O通信，地址數據復用；（3）應用領域不太一樣，NOR主要用于存儲程序代碼，需要高可靠性的應該，NAND主要保存數據用的。 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，數據地址復用，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的最主要優點是什么？ 答：引腳少，封裝小，價格好，兼容性大，速度已經可以跟普通的并行Flash比了。 問：Spansion產品采用的是通用引腳嗎？ 答：是的。都是滿足JEDEC標準的。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閃存產品是否具有寫保護功能？ 答：是的，Spansion的產品提供非常豐富的寫保護，可以是動態的（掉電或者復位之后失去保護，需要使用的時候重新設置），也可以是永久性的，可以按照單個扇區任意大小保護，且無需傳統的12V操作。另外，部分產品且支持讀保護功能。 GEC （中電網、《世界電子元器件》） |
