Storage-1---串行Nor Flash

引言：串行Nor Flash是一類使用比較多的存儲器件，在特殊應(yīng)用場景中具有不可替代的地位，本節(jié)是數(shù)字存儲器件系列第一節(jié)，介紹串行Nor Flash的結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性。

1.Nor Flash的結(jié)構(gòu)

Nor Flash的結(jié)構(gòu)原理圖見圖1-1，可見每個Bit Line下的基本存儲單元是并聯(lián)的，當某個字節(jié)線被選中后，就可以實現(xiàn)對該字節(jié)的讀取，也就是可以實現(xiàn)位讀?。碦andom Ａccess），且具有較高的讀取速率，圖1-1是一個3*8bit的Nor Flash的原理結(jié)構(gòu)圖（圖中Bit位標識錯誤，實際為Bit0-Bit7）

圖1-1：Nor Flash的單元結(jié)構(gòu)

基本存儲單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了金屬導(dǎo)線占用很大的面積，因此Nor Flash的存儲密度較低，適合關(guān)鍵代碼存儲，而不適用于諸如數(shù)據(jù)存儲這樣需要大容量存儲的應(yīng)用場合，此外Nor Flash寫入速率較低，不適用于頻繁擦除/寫入場合。

2.Nor Flash的類別

圖1-2：Nor Flash的分類

3.標準Serial Nor Flash的特征屬性

1.Wide Range VCC Flash

Serial Nor Flash可節(jié)省60%以上的功耗，并具有寬VCC電壓特性，支持3V、2.5V和1.8V（1.65V-3.6V）。

2.Permanent Lock

具有永久鎖定功能的Nor Flash提供了極端的寫保護機制，此安全功能可以將閃存的塊或扇區(qū)永久設(shè)置為只讀，可用于保護系統(tǒng)操作免受故意篡改。

3.Default Lock Protection

默認的鎖定保護功能針對參數(shù)保護應(yīng)用程序進行了優(yōu)化，這些產(chǎn)品利用BP易失性保護位來保護選定的內(nèi)存啟動區(qū)域，防止程序被濫用，并擦除受保護區(qū)域中的指令。

4.Standard Serial Interface

在單個3V或2.5V電源電壓下提供標準串行接口SPI-X1、SPI-X2、QSPI，頻率從33MHZ-166MHZ。

5.Multi-I/O

Multi-I/O提供兩種多輸入/輸出接口：提供多輸入/多輸出接口或者提供單輸入/多輸入接口，并且都可用于Quad I/O操作，使得應(yīng)用程序的系統(tǒng)讀取性能提高了四倍。

6.Multi-I/O Duplex (DTR)

Multi-I/O Duplex （DTR）提供具有DTR（雙傳輸速率）模式操作的四輸入/輸出接口，SPI DTR允許在較低時鐘頻率下運行的同時實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量。SPI DTR Read模式使用時鐘的上升沿和下降沿來驅(qū)動輸出，從而將輸入和輸出周期減少一半。

數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達800MHz，為了擴展Multi-I/O雙工類型的I/O選擇，還有具有DTR（雙傳輸速率）模式操作的雙四路I/O接口，高達1600MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且還在引導(dǎo)扇區(qū)提供獨立的塊鎖定保護。

7.XIP（片上執(zhí)行）

Nor Flash存儲單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了其讀取和我們常見的SDRAM的讀取一樣，可獨立尋址且讀取效率高，因此適用于代碼儲存，且程序可以直接在Nor Flash中運行，即具有RAM的特性。用戶可以直接運行裝載在Nor Flash里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本，Nor Flash需要較長的時間進行擦寫，但它提供完整的尋址與數(shù)據(jù)總線，并允許隨機動態(tài)存取器件上的任何區(qū)域，使得它可以支持XIP，取代老式的ROM芯片（存儲幾乎不需更新的代碼），例如BIOS。

4.標準Serial Nor Flash的結(jié)構(gòu)

圖1-3：標準Serial Nor Flash的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1-4：掛載多片Serial Nor Flash的連接拓撲

5.標準Serial Nor Flash的接口

1.標準SPI

4線標準SPI接口，由串行數(shù)據(jù)輸入（SI）、串行數(shù)據(jù)輸出（SO）、串行時鐘（SCK）和芯片啟用（CE#）引腳組成。指令通過SI引腳發(fā)送，以在SCK的上升沿對指令、地址或輸入數(shù)據(jù)進行編碼。SO引腳用于讀取數(shù)據(jù)或檢查設(shè)備的狀態(tài)。該設(shè)備支持SPI總線操作模式（0，0）和（1，1）。SPI產(chǎn)品一般以串行的方式讀取信息，也就是每次1比特，它要求的連接較少，所以要求的引腳數(shù)也較少。這一更低的成本簡化了許多嵌入式設(shè)計的電路板設(shè)計并降低了外形尺寸。總的針腳數(shù)從典型的并行Nor Flash上的47個有效引腳降低到了SPI閃存上的8個有效引腳。

圖1-5：標準SPI波形示例

2.Multi I/O SPI

除了標準的4線配置之外，多輸入/輸出操作利用增強的SPI協(xié)議，將SPI擴展為包括各種IO標準，包括用于減少引腳數(shù)的單路和在標準SPI基礎(chǔ)上增加了額外的數(shù)據(jù)線，用于提高吞吐量的雙或四路I/O（若配置為四路，則稱為QSPI）。

1：雙輸出

2：雙輸入和雙輸出

3：四輸出

4：四輸入和四輸出

在3線模式下，MOSI和MISO線合并為一條雙向數(shù)據(jù)線，如圖1-6所示，半雙工模式支持雙向通信，但減少數(shù)據(jù)線的數(shù)量并以半雙工模式運行會降低最大可能的吞吐量。

圖1-6：單路SPI配置

圖1-7：雙路SPI配置

當與高速設(shè)備通信時，Quad I/O設(shè)備可以提供的性能是標準SPI的4倍，圖1-8顯示了支持Quad IO設(shè)備的配置示例。

圖1-8：四路SPI配置

通過SPI模式執(zhí)行這些指令將實現(xiàn)READ和PROGRAM操作的傳輸帶寬的兩倍或四倍。有了Multi-I/O，器件能夠同時傳輸和接收1bit、2bit或4bit的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了更快的速度，并且只需要8個引腳或者只需要4個有效引腳就能維持單I/O SPI原來的好處。

提升的性能意味著能夠支持更快的XIP代碼執(zhí)行，能夠降低采用較慢的SPI解決方案的系統(tǒng)中所需的RAM數(shù)量，還能夠?qū)崿F(xiàn)更快的系統(tǒng)啟動速度。利用多種I/O模式的組件可以與并行設(shè)備的讀取速度相媲美，同時可以減少引腳數(shù)。

3.QPI

只有當設(shè)備從標準/雙路/四路SPI模式切換到QPI模式時，設(shè)備才支持四路外圍接口（QPI）操作。

QPI（Quad Peripheral Interface，四外設(shè)接口）支持2周期指令，進一步減少指令時間。頁面可以按4K字節(jié)扇區(qū)、32K字節(jié)塊、64K字節(jié)塊和/或整個芯片的組擦除。統(tǒng)一的扇區(qū)和塊架構(gòu)允許高度的靈活性，因此支持QPI器件可以用于需要可靠數(shù)據(jù)保留的各種應(yīng)用。

典型的SPI協(xié)議要求字節(jié)長的指令代碼僅通過八個串行時鐘中的SI引腳轉(zhuǎn)移到設(shè)備中。QPI模式利用所有四個I/O引腳來輸入指令代碼，因此只需要兩個串行時鐘，這可以顯著減少SPI指令開銷并提高系統(tǒng)性能。在任何給定時間，只有QPI模式或SPI/雙路/四路模式可以激活。特定指令用于在這兩種模式之間切換，而不考慮狀態(tài)寄存器中的非易失性Quad Enable（QE）位狀態(tài)，電源重置或軟件重置將使設(shè)備返回到標準SPI模式。在QPI模式期間，SI和SO引腳變?yōu)殡p向I/O0和I/O1，WP#和HOLD#引腳分別變?yōu)镮/O2和I/O3。

圖1-9：QPI配置波形示例

傳輸速度和容量：

Serial Nor Flash容量覆蓋512Kb至2Gb，即64KB至256MB（1B=1Byte=8b=8bit），支持3V、2.5V和1.8V供電。

6.其它類型Serial Nor Flash

1.Serial Nor Flash with ECC

帶ECC校驗的串行Nor Flash，其容量均比較大，一般為128Mb和256Mb容量居多，每64位長度的邊界會追加1位錯誤檢測和校正（帶ECC），速率為50MHZ-166MHZ。

2.Twin Quad Serial Nor Flash (x8 SPI)

如圖1-10所示，即兩片支持X4 SPI的Flash疊封在一起，擴展成為X8接口。例如512Mb=256Mb×2；256Mb=128Mb×2，速率80MHZ/166MHZ。

圖1-10：兩片X4 SPI Nor Flash堆疊實現(xiàn)X8

3.Security Flash

安全閃存，Security Flash支持RPMC（Replay Protection Monotonic Counter，重放保護單調(diào)計數(shù)器）功能作為額外的安全措施，可以檢測硬件攻擊，另外還有易失HMAC密鑰寄存器、非易失性根密鑰寄存器、四個32位單調(diào)計數(shù)器，同樣，帶安全保護機制的串行Nor Flash，其容量均做的比較大，一般128Mb起步至2Gb，速率80M-166MHZ。