应用串行NOR闪存提升内存处理能力

Improve Memory Throughput with SPI NOR Flash

■ Spansion公司

在嵌入式系统中，NOR闪存一直以来仍然是较受青睐的非易失性内存，NOR器件的低延时特性可以接受代码执行和数据存储在一个单一的产品。虽然NAND记忆体已成为许多高密度应用的首选解决方案，但NOR仍然是低密度解决方案的首选之一。

未来闪存产品具有快速发展的趋势，可以发现，闪存产品从低密度、低性能、低功能的发展特点转变为高密度、高性能、高功能的发展特点。Spansion的NOR闪存广泛运用于汽车电子、医疗设备、通讯设备、机顶盒等。

SPI Flash特性

SPI串行结构的EEPROM最早出现于20世纪80年代中期，由摩托罗拉在其MC68HC系列中首先引入，MicroWire是由国半制定的总线标准，它和SPI非常相似，只是MicroWire的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA是固定的，均为0。I2C也是出现在80年代，由Philips制定，它通过一条数据线和一条时钟线实现半双工通信，I2C总线接口实现了最简单的总线接口方式。三种标准如图1所示。

SPI和MicroWire很相近，速度非常快，且在设计中无需上拉电阻，可以支持全双工通信操作，抗干扰能力强，缺点是需要占用较多的数据总线，且需要为设备分配单独的片选信号，没有接收数据的硬板机制。对I2C总线来说，它占用的总线较少，可以多个设备共同用一根总线，支持接收数据的硬板机制，缺点是速度较低，为3.4MHz以下，只支持半双工的操作，设计时需要上拉电阻，且对噪声的干扰相对敏感。


图1 三种总线标准

SPI的接口从传统的单进单出已经提升到双进双出或者四进四出。如图2所示，通过单向输入SI，输出SO变为双向的传输，同时将WP引脚和HOLD引脚复用为双向的IO口来实现多IO口的接口通信，其协议及基本的读写操作和原始EEPROM兼容，同时硬件上实现简单的完全兼容。

相对于传统的并行NOR Flash而言，SPI NOR Flash只需要6个引脚就能够实现单I/O，双I/O和4个I/O口的接口通信，而并行的NOR Flash则至少需要40个引脚。人们普遍使用的是标准NOR Flash异步读模式，而ADM及地址数据信号复用，这种并行NOR Flash引脚数相对较少，通过实现突发读模式，其数据输出最快可超过120MB/s，SPI具有较少的引脚，同时，通过采用DDR的方式读操作，在80MHz的时钟下，其数据输出可以达到80MB/s，甚至超过并行NOR Flash的异步读速度。



图2 SPI的接口转变

在过去的几年中，随着直接CPU 内存映射功能的支持， SPI的读操作取得了极大的进步，而传统的SPI外设控制器仍然在用于传统的SPI的读或别的操作，相比之下，通过CPU的直接读取操作，速度比通过SPI控制器来的更快，延迟低。

SPI双通道控制器示意图如图3所示，双通道可以使SPI的数据输出增加一倍，硬件上将片选和时钟共用的话，只需要10个引脚就能实现SPI Flash所有功能。可以考虑，实现一片SPI Flash 8bits数据的传输，从而提升SPI Flash的数据输出能力。



图3 SPI双通道控制器

关于SPI时序对读速度的影响，如图4所示。tV是指时钟的下降沿到有效数据输出所需要的时间，一般最大为8ns。tHO是数据输出后到下一个时钟下降沿可持续的时间，一般最小值0ns。这两个参数和时钟频率一起决定了SPI Flash的最大数据输出速度。事实上，tHO在实际应用中并不能像时钟周期一样可以无限压缩，而往往都会大于0ns。

早期的4个I/O口输出协议需要对地址和数据分别串行传送。如，8个命令周期加上24个地址周期至少需要32个时钟周期完成一个读操作命令周期，如果Flash的寻址超过128Mbits，仅地址周期就需要32个时钟周期，非常耗时。



图4 SPI时序对读速度的影响

新的4个I/O口输出模式，其地址可以通过4个I/O口同时传送，如，24位地址信号仅需要6个时钟周期就可以完成，加上8个命令周期共需要14个周期完成命令，其速度比早期的4个I/O口的传输要快很多。

模式bit的应用用于通知SPI Flash下一个命令和前一个命令是同样的命令。使我们在需要重复进行读操作的时候，可以减少命令周期带来的总线开销，从而进一步提高SPI Flash的读取性能。

DDR的4 I/O口读模式由一个8bits的命令开始，而输入地址和输出的数据按照DDR的模式进行，这种模式需要协议的开销，需要8个命令时钟周期，加上3个地址时钟周期，一共11个时钟周期可以完成一个读命令操作。

通过模式bit消除可以节省重复输入相同命令时的时钟周期，完成一个DDR口的读操作仅需要3个时钟周期。

数据总线上的数据会由于时钟频率太高而出现歪斜或失真，导致数据的读错误，而DLP（data learning pattern）的功能在DDR多I/O口协议中的使用可以使Flash在时钟频率高时同样稳定地工作。DLP的功能是通过利用真实数据输出前的假数据周期，它不会影响整个命令的时钟周期，DLP的数据采用可以使主机端明确什么时候可以采用到正确的目标数据，从而提高系统在高频率SPI数据在读操作时的可靠性及稳定性。

4 I/O口的DDR读模式增加了DLP和模式bit消除模式后，只需要3个时钟周期的协议开销，目前的器件在80MHz频率下，数据输出可以达到80MB/s。

从设计的角度来说，如图5所示。芯片内部的引脚连接点的放置同样会影响到SPI Flash的数据输出速度，时钟和I/O口信号的紧凑设计会减少芯片的数据失真，从而提高SPI Flash芯片的工作速度。



图5 芯片内部的引脚连接点设计

SPI Flash未来发展

未来SPI Flash的发展需要一种简单、高效和高速接口。随着传统的应用越来越多地转向SPI Flash的存储接口，人们希望传统的一些并行NOR Flash的功能也能出现在SPI Flash中，比如Reset复位功能、宽电压功能，及以扇区为单位的写保护等功能。同时随着DDR接口被越来越多广泛地运用，低电压总线操作的支持等，数据SPI Flash将会提供更高的读性能。

低成本存储器解决方案

Spansion的FL-S是65nm工艺的产品，它具有增强的性能和丰富的功能。从产品性能上说，擦除速度快5倍以上，写速度快3倍以上，同时，最快速读功能快20%以上。从产品功能上说，容量覆盖了主流的128 Mbits~1Gbits，其封装是工业标准封装，并能实现老产品到下一代新产品的兼容。产品在安全性方面也有很大的提高，除了支持OTP以外，部分型号支持读保护功能。

目前，人们普遍使用的并行NOR Flash，如图6所示，通过异步读取的方式操作Flash，理想的时序设计基本上输出速度是达到61MB/s。而Spansion的SPI Flash页读取模式可以达到98MB/s，和传统的异步读模式不同，第一个读取周期地址时序和异步读相同，但后续的读取速度可以递增25ns，从而大大提高Flash的读取速度。总的来说，DDR的读取模式可以在极少的引脚基础上可以实现超过传统的读取速度，未来会被越来越多地被采用。


图6 Page-mode NOR读取速度优势

Spansion的FL-S性能较高，对于SPI Flash来说，成本的节省来源于三个主要方面，第一，主芯片成本降低，从传统的40个引脚或以上并行NOR Flash的支持到仅需要6个引脚的SPI Flash支持，成本会大大降低，但是如果主芯片各种芯片接口都支持的话，成本也不会明显降低。第二，SPI Flash自身的封装生产成本降低，同时从生产的成本来说，SPI由于引脚的减少会降低成本，测试成本也会降低。第三，Flash的速度提升对于客户体验会有很大的改善，会给最终客户端产品带来竞争力，如开机时间、运行速度等等。

随着竞争的国际化和知识产权保护意识的提高，工程师们对Flash芯片及芯片存储的代码安全性要求越来越高。Spansion的新系列Flash提供了非常丰富的保护功能。首先，普通的Flash可以支持扇区的写保护功能，这种保护可以是动态的也可以是永久性的，动态的就是指Flash的保护设置在掉电的时候或者复位时保护功能失效，在上电或者复位后重新需要设置。而永久性的则不会因为掉电或者复位而使保护的状态失效。大部分的Flash还提供了OTP的一次性的写入功能。部分产品特别是针对高安全性的机顶盒产品可以支持将Flash扇区的操作OTP的功能，以扇区为单位，通过设置OTP可以防止任何的写操作命令从而实现Flash存储内容的保护。另外，Spansion的65nm产品部分型号还可以实现读加密的要求，客户可以通过设置读保护密码防止Flash的内容被读取，从而保护产品的软件不会被轻易地抄袭。

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问答选编

问：存储器接口可以和现在的CPUSPI接口完全兼容吗？

答：可以的，CPI所带的SPI接口可以专门用来连接SPI接口的Flash。

问：是否可以实现多I/O口技术？

答：以SPI为例， 目前有x1/x2/x4三种I/O方式，并行NOR Flash和NAND Flash 有x8/x16两种I/O方式。

问：可不可以用串行NOR Flash做程序存储器，和并行NOR Flash相比，应该注意些什么？

答：当然可以，串行Flash和传统的并行NOR Flash相比，只是接口不同（当然这种接口的不同需要控制端芯片的支持），其可靠性和稳定性和并行NOR Flash相同。存储代码的应用中，需要注意硬件上可能因为时钟频率高带来的单板干扰，软件设计中可以采用一些写保护功能体改代码存储的安全性，另外Spansion的新系列串行Flash产品还支持了硬件复位RESET功能，在一些特殊的应用中可以考虑采用。

问：产品现在应用情况如何，容量怎么样？

答：现在已经有很多的机顶盒客户，网通客户，工业类客户在使用，最新FL-S flash是业界速度(读写擦除)较快的，容量从128Mbits~512Mbits都已经量产，当然Spansion公司有全系列的嵌入式的Flash提供给客户，串型的容量从4Mbits~512Mbits，并行的容量从8Mbits~2Gbits。

问：安全性怎么样啊？

答：串行的Flash和传统的并行NOR Flash相类似，只是接口不一样。另外，65nm技术的产品Spansion公司去年上半年已经量产，工艺本身非常成熟。从应用的角度来说，如果需要进一步提高其安全性，可以采用Spansion非常丰富的各种写保护方式来保护代码，同时部分产品且支持密码加密的读保护方式，提高产品的安全性。

问：Spansion的SPI闪存目前的存取速度可到多快?

答：单I/O是fast read是133Mhz，多I/O每个是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。

问：产品的性价比如何？

答：由于市场竞争的关系，目前各家厂商的Flash价格相差不大，但是Spansion NOR Flash容量组合全，与其他家的产品相比，读写擦性能更高，尤其是目前的65nm系列产品FL-S和GL-S。

问：产品的寿命有多长？

答：具体的使用寿命要看具体的使用方法，对Flash而言，基本上可以做到单个扇区10万次的擦写次数。应用中建议考虑到损耗均衡，以提高在一些需要频繁擦写的应用中的使用寿命。

问：NOR闪存的性能优势主要有哪些？

答：NOR Flash主要性能优势有：（1）可靠性高，没有坏块，位翻转的几率低；（2）读速度快能够支持片上执行代码，也就是XIP，一般代码存储，产品的生命周期长的产品，推荐使用NOR闪存。

问：NOR Flash与NAND Flash的不同点有哪些?

答：（1）NOR flash没有坏扇区，而NAND有；（2）引脚，数据通信不一样，NOR有串行并行之分，NAND主要是I/O通信，地址数据复用；（3）应用领域不太一样，NOR主要用于存储程序代码，需要高可靠性的应该，NAND主要保存数据用的。

问：除了SPI，还支持何种通信方式？

答：Flash有分NOR和NAND。NAND Flash主要是用I/O通信，数据地址复用，NOR又分串行并行，串行就只有SPI，但SPI有单I/O或多I/O，还可以支持DDR SPI。并行就有分ADP， ADM， AADM等等。

问：SPI NOR的最主要优点是什么？

答：引脚少，封装小，价格好，兼容性大，速度已经可以跟普通的并行Flash比了。

问：Spansion产品采用的是通用引脚吗？

答：是的。都是满足JEDEC标准的。不管是串行还是并行的NOR Flash而且容量增大引脚依然是兼容的。

问：Spansion闪存产品是否具有写保护功能？

答：是的，Spansion的产品提供非常丰富的写保护，可以是动态的（掉电或者复位之后失去保护，需要使用的时候重新设置），也可以是永久性的，可以按照单个扇区任意大小保护，且无需传统的12V操作。另外，部分产品且支持读保护功能。

GEC

（中电网、《世界电子元器件》）