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?？梢钥紤]，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。