非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及應(yīng)用介紹

隨著消費(fèi)者要求新產(chǎn)品定期增加功能或提高應(yīng)用靈活性，開發(fā)人員對(duì)修改系統(tǒng)應(yīng)用功能的快捷性和簡便性要求越來越高。從存儲(chǔ)器角度看，這預(yù)示著可能需要用性能更高、合格檢測更快的先進(jìn)產(chǎn)品更換現(xiàn)有產(chǎn)品。新一代非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)具備各種參數(shù)微調(diào)功能，能夠縮減應(yīng)用電路板的工程周期。

1．應(yīng)用靈活性

不同應(yīng)用在不同的容性負(fù)載下需要不同的工作頻率，這項(xiàng)要求與芯片組的性能以及電路板布局和復(fù)雜性緊密相關(guān)。例如，高頻工作環(huán)境通常對(duì)電性能的優(yōu)化要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)工程師需要考慮整個(gè)電路板上的電噪聲，以降低線路的寄生電容。在這種情況下，降低存儲(chǔ)器輸出驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度更加受歡迎。此外，還必須根據(jù)工作頻率優(yōu)化指令執(zhí)行速度。有時(shí)候，要想在發(fā)送命令后取得適合的高效的吞吐量，就必須減少空時(shí)鐘周期次數(shù)。

2．測試/最終使用

在應(yīng)用電路板測試階段，為了正確地激勵(lì)存儲(chǔ)器、查看存儲(chǔ)器的響應(yīng)，微控制器需要全套的命令和功能。這項(xiàng)操作靈活性測試通常用于檢測全部系統(tǒng)組件，以確保產(chǎn)品在生命周期內(nèi)的功能。相反，標(biāo)準(zhǔn)的客戶最終應(yīng)用只使用一個(gè)精簡的指令集。例如，在使用SPI閃存時(shí)，最終應(yīng)用通常使用讀指令(正常、快速和/或4位I/O輸入輸出)，把啟動(dòng)代碼下載到RAM存儲(chǔ)器。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)化存儲(chǔ)器，以縮減系統(tǒng)上電期間的代碼讀取和下載時(shí)間。在新的先進(jìn)的平臺(tái)上，如車用電子、計(jì)算機(jī)光驅(qū)或藍(lán)牙模塊，SPI閃存可能用于直接從非易失性存儲(chǔ)器讀取部分系統(tǒng)固件，以縮短系統(tǒng)固件下載到高速易失性存儲(chǔ)器的過程。當(dāng)然，目前出現(xiàn)的最新應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器的靈活性要求更加嚴(yán)格，本文稍后再做詳解。

3．XiP自適應(yīng)模式

SPI閃存的的優(yōu)點(diǎn)是引腳數(shù)量少而且固定不變(8個(gè)或16個(gè))。串口閃存的這個(gè)特性可簡化電路板布局，無需更改硬件即可升級(jí)固件，從而可以降低系統(tǒng)開發(fā)的總體成本。

由于在簡易性和成本方面的強(qiáng)大優(yōu)勢，PC機(jī)和消費(fèi)電子市場出現(xiàn)了并口閃存改用SPI閃存的發(fā)展趨勢。只要達(dá)到性能要求時(shí)，設(shè)備廠商就會(huì)優(yōu)先選用串口閃存。計(jì)算機(jī)光驅(qū)、汽車電子、藍(lán)牙模塊、機(jī)頂盒和調(diào)制解調(diào)器市場正在引入這種能夠把代碼直接讀到非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)的SPI閃存。

XiP(片內(nèi)執(zhí)行)應(yīng)用要求串口存儲(chǔ)器提供一種“隨機(jī)訪存”仿真功能，即無需發(fā)送指令即可訪問存儲(chǔ)器內(nèi)容，并準(zhǔn)許以最大的吞吐量訪問存儲(chǔ)器。因?yàn)閭鹘y(tǒng)用途是存儲(chǔ)和下載代碼，所以SPI存儲(chǔ)器是同步器件，XIP功能迫使設(shè)計(jì)人員研發(fā)靈活的存儲(chǔ)器，能夠根據(jù)芯片組特性靈活地配置串行閃存。例如，在系統(tǒng)上電后，具有XIP功能的器件需要基于命令、地址和數(shù)據(jù)的JEDEC協(xié)議，所以有些邏輯器件不準(zhǔn)像管理XIP器件一樣管理串口閃存。

此外，有些邏輯器件只在一條線上或者最多在兩條線上支持XIP模式，因?yàn)楣逃械挠布拗?，不可能開啟4位I/O輸入輸出模式。

最后，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)一個(gè)混合協(xié)議、接受命令的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器和不接受命令的非傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)困難，芯片組廠商更愿意保留原有的SPI指令結(jié)構(gòu)，即命令、地址和數(shù)據(jù)。在這些情況下，高速協(xié)議結(jié)合并行化命令、地址和數(shù)據(jù)的方案更受市場歡迎。

選擇正確的存儲(chǔ)器架構(gòu)

通過在新一代SPI閃存架構(gòu)內(nèi)引入易失性和非易失性配置寄存器，可完全滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)串行閃存的靈活性要求，使閃存適合嵌入式市場最新平臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境。通過引入這兩種寄存器，最終用戶能夠根據(jù)平臺(tái)的需求配置存儲(chǔ)器。圖1簡要介紹了配置寄存器的工作原理。

在標(biāo)準(zhǔn)SPI存儲(chǔ)器內(nèi)，命令被直接送到一個(gè)具有指令解碼功能的內(nèi)部寄存器內(nèi)，該寄存器與狀態(tài)寄存器和內(nèi)部狀態(tài)機(jī)互動(dòng)。每次上電后，標(biāo)準(zhǔn)SPI存儲(chǔ)器將只接受命令，以便正確地執(zhí)行讀寫擦除操作。相反，在采用配置寄存器的SPI存儲(chǔ)器架構(gòu)中，所有操作都可以通過這些工具過濾。

在默認(rèn)模式下，存儲(chǔ)器將是一個(gè)傳統(tǒng)存儲(chǔ)器。但是，你可以根據(jù)應(yīng)用需求任意配置存儲(chǔ)器。例如，你可以設(shè)置寄存器的右邊部分，強(qiáng)制內(nèi)部寄存器無命令工作且只接受地址。可以通過非易失性寄存器或易失性寄存器選擇這種操作模式。如果使用非易失性寄存器選擇操作模式，必須在一次掉電/上電周期后，存儲(chǔ)器才能進(jìn)入所需的工作模式。表1是配置寄存器內(nèi)容的示例。

使用適合的命令讀寫配置寄存器。在上電后，存儲(chǔ)器的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)將檢查非易失性配置寄存器的內(nèi)容，并根據(jù)寫入該寄存器的信息執(zhí)行下一項(xiàng)操作。

1．高速 XiP示例

如果“XiP enabled at power on”(上電開啟XIP模式)位被置入正確數(shù)值，存儲(chǔ)器將只接受地址，無需對(duì)指令進(jìn)行解碼。因此，在上電結(jié)束后，存儲(chǔ)器將立即變成一個(gè)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，并支持芯片組設(shè)計(jì)的最高總線速度。存儲(chǔ)器可以支持四位I/O和兩位I/O輸入輸出模式，可以在接收數(shù)據(jù)前設(shè)置適合的空時(shí)鐘周期數(shù)(圖2)。

2．測試階段配置靈活性的優(yōu)點(diǎn)

因?yàn)榕渲眉拇嫫鞯撵`活性，用戶還可以選擇另一個(gè)功能。存儲(chǔ)器可以分成兩個(gè)主要設(shè)置。第一個(gè)設(shè)置主要用于應(yīng)用測試階段。在這個(gè)階段，所有的指令都必須可用，以全面檢測電路板以及存儲(chǔ)器的功能。此外，可以臨時(shí)讓存儲(chǔ)器工作環(huán)境受應(yīng)力作用，例如，減少時(shí)鐘周期次數(shù)且/或提高輸出緩沖的強(qiáng)度，以改進(jìn)線路負(fù)載情況的匹配性。

可以通過易失性配置寄存器查找最佳的存儲(chǔ)器設(shè)置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)最佳的條件時(shí)，設(shè)置信息可能會(huì)保存到非易失性配置寄存器內(nèi)。在下一次系統(tǒng)上電后，創(chuàng)新的SPI存儲(chǔ)器將進(jìn)入所需的工作模式，這實(shí)際上就第二個(gè)(最終)設(shè)置，在此模式下，存儲(chǔ)器的工作方式完全不同于測試階段。

如前文所述，在最終應(yīng)用中，存儲(chǔ)器不再是一個(gè)傳統(tǒng)的SPI存儲(chǔ)器。如果微控制器將閃存指定為僅高吞吐量的讀取數(shù)據(jù)，則可以有效地去除標(biāo)準(zhǔn)SPI存儲(chǔ)器的指令解碼階段。此外，在非易失性配置寄存器內(nèi)寫入一個(gè)適合的位，還可以縮短上電時(shí)間。

3．單線、雙線或四線指令協(xié)議

配置寄存器的最大亮點(diǎn)是，除工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的單線命令協(xié)議外，還可以通過兩個(gè)或四個(gè)引腳發(fā)送8位指令代碼來控制SPI閃存。在SPI閃存的全程工作階段(命令、地址和數(shù)據(jù))，微控制器能夠與位信息交換并行化的存儲(chǔ)器互動(dòng)，這個(gè)時(shí)候，微控制器就需要這個(gè)雙線或四線命令傳送功能。圖3給出了用四個(gè)引腳發(fā)出一些指令的示例。

表2列出了當(dāng)芯片組不需要發(fā)送指令代碼時(shí)每個(gè)協(xié)議縮短的隨機(jī)訪問時(shí)間。

配置寄存器的靈活性

由于內(nèi)置配置寄存器，存儲(chǔ)器可以設(shè)置成5個(gè)不同的XIP模式，能夠適合特定的應(yīng)用需求和性能，通過節(jié)省指令時(shí)鐘周期開銷來縮短存儲(chǔ)器隨機(jī)訪問時(shí)間。這個(gè)改進(jìn)的性能可用于XIP應(yīng)用，直接在SPI閃存內(nèi)執(zhí)行代碼，無需把代碼下載到RAM存儲(chǔ)器。

為提供最佳的應(yīng)用靈活性，N25Q閃存可通過兩種方法進(jìn)入XIP模式。第一種是非易失性配置方法，我們推薦在直接啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入所需的XIP模式的最終應(yīng)用中使用這種方法；第二種是易失性配置方法，我們建議在啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)模式的應(yīng)用中使用這種方法。

由于配置寄存器提供的可選配置功能，這款產(chǎn)品是市場上首個(gè)提供這兩種配置方法的四位I/O解決方案。除嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)的3V Vcc 電壓范圍外，很多供應(yīng)商開始提供無線應(yīng)用需要的1.8V SPI閃存(還需要特別關(guān)注能效)。

為什么SPI閃存內(nèi)置配置寄存器？

SPI閃存解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)是引腳數(shù)量少，可以簡化電路板布局，降低系統(tǒng)總體成本，實(shí)現(xiàn)非?？臻g緊湊的解決方案。此外，不同的存儲(chǔ)容量共用同一協(xié)議和引腳配置，使存儲(chǔ)器容量可以自由擴(kuò)減，并支持在一條總線上連接不同的器件。

與并行閃存相比，傳統(tǒng)的SPI閃存解決方案的典型缺點(diǎn)是隨機(jī)訪問時(shí)間過長，因?yàn)镾PI是一個(gè)固定、緩慢的同步協(xié)議，所以應(yīng)用靈活性不高。配置寄存器架構(gòu)的目的是克服傳統(tǒng)SPI閃存的兩大缺陷，同時(shí)保留原有優(yōu)點(diǎn)。