大容量存儲(chǔ)的NOR FLASH的原理及應(yīng)用

VDRF256M16是珠海歐比特公司自主研發(fā)的一種高速、大容量的NOR FLASH，可利用其對(duì)大容量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存。文中介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)和原理，并同時(shí)給出了一個(gè)系統(tǒng)中大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸要求的設(shè)計(jì)方案。

1引言

NOR FLASH 是很常見的一種存儲(chǔ)芯片，數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失。NOR FLASH 支持Execute On Chip，即程序可以直接在FLASH 片內(nèi)執(zhí)行。這點(diǎn)和NAND FLASH 不一樣。因此，在嵌入是系統(tǒng)中，NOR FLAS H 很適合作為啟動(dòng)程序的存儲(chǔ)介質(zhì)。NOR FLAS H 的讀取和RAM很類似，但不可以直接進(jìn)行寫操作。對(duì)NOR FLAS H 的寫操作需要遵循特定的命令序列，最終由芯片內(nèi)部的控制單元完成寫操作。所以，NOR FLASH一般是作為用于程序的存儲(chǔ)與運(yùn)行的工具。

NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP， Execute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在FLASH閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR FLASH的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

2NAND FLASH與NOR FLASH的性能比較

FLASH閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何FLASH器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND FLASH器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR FLASH則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

由于擦除NOR FLASH器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND FLASH器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR FLASH和NADN FLASH之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時(shí)更多的擦除操作必須在基于NOR FLASH的單元中進(jìn)行。

NAND FLASH的單元尺寸幾乎是NOR FLASH器件的一半，由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，NAND FLASH結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。

NOR FLASH占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分，而NAND FLASH只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說(shuō)明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，NAND FLASH適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，NAND FLASH在Compact Flash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大

3VDRF256M16芯片

3.1芯片介紹

VDRF256M16是一款高集成度的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其總含有256M bits。由于此芯片里面包含4個(gè)片選，每個(gè)片選含有1個(gè)Block，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。這種結(jié)構(gòu)不但大大的擴(kuò)充了存儲(chǔ)器的容量和數(shù)據(jù)位寬，而且還可以在應(yīng)用時(shí)大量節(jié)省了PCB板的使用空間。從圖1可以看出，每個(gè)片選控制了每一Block的寫保護(hù)信號(hào)#WP，另外芯片中的每一個(gè)Block的其他控制端口、地址線和數(shù)據(jù)線都是共用的。圖2為VDRF256M16中的任一Block的結(jié)構(gòu)框圖，它主要由控制邏輯、存儲(chǔ)整列等組成。下面為VD RF256M16的主要特性。

-總?cè)萘浚?56Mbit；

-數(shù)據(jù)寬度：16位；

-工作電壓3.3V +/- 0.3V；

-每個(gè)DIE（共4個(gè)DIE）含：-8個(gè)8KB的扇區(qū)、127個(gè)64KB的扇區(qū)；

-扇區(qū)的硬件鎖防止被擦除、編程；

-存取時(shí)間最高達(dá)90ns；

-高擦除/編程速度：

-字編程8us（典型值）；

-扇區(qū)擦除500ms（典型值）；

-芯片擦除64s/DIE（典型值）；

-解鎖旁路模式；

-擦除暫停/繼續(xù)模式；

-支持JEDEC通用FLASH接口協(xié)議(CFI)；

-寫保護(hù)功能，允許不管扇區(qū)保護(hù)狀態(tài)對(duì)兩BOOT扇區(qū)進(jìn)行寫保護(hù)；

-加速功能促進(jìn)加快芯片編程時(shí)間；

-最小100000次的擦除、編程；

圖1 VDRF256M16芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖

圖2 VDRF256M16內(nèi)部Block的結(jié)構(gòu)框圖

3.2VDRF256M16的引腳說(shuō)明

VDRF256M16芯片采用的是SOP封裝工藝，整塊芯片表面鍍金，這樣可以大幅度增強(qiáng)了芯片的抗干擾和抗輻射的能力，有利于該芯片能應(yīng)用于航空航天等惡劣的環(huán)境。

VDRF256M16芯片各引腳分布見下圖3所示，各引腳的功能說(shuō)明如下：

VCC：+3.3V電源輸入端。濾波的旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳， 并直接連接到地；

VSS：接地引腳；

A[21..0]：地址同步輸入端；

#WE：此端為低時(shí)寫入，為高時(shí)寫無(wú)效，數(shù)據(jù)有效發(fā)生在相應(yīng)地址有效之后的兩個(gè)周期；

# OE：輸出使能， 數(shù)據(jù)讀取時(shí)需置為低，寫時(shí)置為低；

#WP/ACC[3..0]：最外的兩個(gè)8KB的BOOT扇區(qū)保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)電平為VIL時(shí)，此兩扇區(qū)受保護(hù)，不能進(jìn)行擦除、編程操作；當(dāng)電平為VIH時(shí)，取決于扇區(qū)保護(hù)狀態(tài)，如此兩扇區(qū)是受保護(hù)的則不能進(jìn)行操作，如未受保護(hù)則可進(jìn)行擦除、編程操作；當(dāng)電平為VHH時(shí)，將進(jìn)入解鎖旁路模式進(jìn)入加速編程狀態(tài)。此管腳不能懸空；

#CE[3..0]：低電平有效時(shí)選中該片，可通過(guò)兩個(gè)片選信號(hào)選擇四個(gè)Block，但兩個(gè)片選信號(hào)不能同時(shí)選中；

#BYTE：字節(jié)/字模式選擇。低電平為字節(jié)模式，DQ0~DQ7為數(shù)據(jù)端口，DQ8~DQ14為高阻狀態(tài)，DQ15做LSB地址輸入；高電平為字模式，DQ0~DQ15為數(shù)據(jù)端口；

RY/#BY：準(zhǔn)備/忙碌狀態(tài)輸出。低電平為忙碌狀態(tài)；高電平為準(zhǔn)備狀態(tài)；

D[15..0]：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。

圖3 VDRF256M16引腳分布圖

3.3芯片操作

VDRF256M16的軟件操作可以分成兩類: 普通讀操作和命令操作。普通讀操作非常簡(jiǎn)單， 與RAM的讀操作類似， 當(dāng)#OE和#CE信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)， 即可從芯片讀出數(shù)據(jù)。芯片的命令操作包括芯片的識(shí)別、字節(jié)編程、扇區(qū)擦除以及整片擦除等。這些操作分別由各自的軟件操作命令序列來(lái)完成， 如表1所列。其中， BA為待編程字節(jié)的地址，Data為字節(jié)編程數(shù)據(jù)， SAX為待擦除扇區(qū)的地址。命令中的地址只有低15位有效， 高4位可任意設(shè)置為/ 00或/ 10。VDRF256M16的軟件操作命令序列實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)總線寫操作組成的。以VDRF256M16的扇區(qū)擦除為例， 其操作過(guò)程包括3個(gè)步驟: 第1步， 開啟擦除方式，用表1中給出的第1至第5周期的總線寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn); 第2步， 裝載扇區(qū)擦除命令( 30H) 和待擦除扇區(qū)的地址， 用其對(duì)應(yīng)的第6周期的總線寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn); 第3步， 進(jìn)行內(nèi)部擦除。內(nèi)部擦除時(shí)間最長(zhǎng)為500ms。

表1 軟件操作命令序列表

總線寫操作時(shí)，OE必須保持為高電平， CE和WE應(yīng)為低電平。地址和數(shù)據(jù)的鎖存由CE和WE兩個(gè)信號(hào)的邊沿進(jìn)行控制。它們當(dāng)中后出現(xiàn)的下降沿將鎖存地址， 先出現(xiàn)的上升沿將鎖存數(shù)據(jù)。

4VDRF256M16芯片的應(yīng)用

以VDRF256M16為核心，配合適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，不但可以對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行各種讀寫操作，而且還可以進(jìn)行進(jìn)一步的容量拓展。下面以該芯片在系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，介紹VDRF256M16在系統(tǒng)中的的硬件設(shè)計(jì)及各信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。

4.1系統(tǒng)的工作原理

硬件設(shè)計(jì)就是搭建合適的接口電路， 將VDRF256M16連接到微處理器的系統(tǒng)總線上。根據(jù)VDRF256M16和微處理器的結(jié)構(gòu)特性， 我們發(fā)現(xiàn)VDRF256M16的數(shù)據(jù)線、讀、寫等信號(hào)線可以很容易地連接到微處理器的系統(tǒng)總線上。

圖4 硬件電路原理圖

微處理器接到指令，需將數(shù)據(jù)或程序存放至NOR FLASH時(shí)，微處理器首先會(huì)發(fā)送擦除指令將芯片進(jìn)行擦除，具體的流程見圖5。然后將數(shù)據(jù)或程序利用寫指令寫到FLASH中。當(dāng)需要調(diào)取數(shù)據(jù)或程序指令的時(shí)候，需要從FLASH中調(diào)取程序，那就需要發(fā)送讀指令到FLASH中，具體的流程見圖6。

圖5 擦除指令流程圖

圖6 讀指令流程

4.2控制時(shí)序

由于該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)速度快，容量大，因此時(shí)序的配合很重要，這種配合不僅僅指單個(gè)Block中各信號(hào)與時(shí)鐘的配合，同時(shí)也應(yīng)考慮Block與Block之間的各信號(hào)之間的配合。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入時(shí)地址和數(shù)據(jù)應(yīng)在保持穩(wěn)定；而數(shù)據(jù)輸出時(shí)，地址也應(yīng)保持穩(wěn)定，這樣才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约斑B續(xù)性。圖5(讀時(shí)序)和圖6(寫時(shí)序)為單片Block的控制時(shí)序圖。從圖中可以看出：無(wú)論在讀或?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)，地址總線信號(hào)和控制信號(hào)在發(fā)送一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)信號(hào)才能發(fā)送或者讀取。所以在使用時(shí)，必須注意時(shí)序上的延時(shí)。

圖7 單片Block的寫時(shí)序圖

圖8 單片Block的讀時(shí)序圖

圖8 單片Block的擦除時(shí)序圖

5結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的VDRF256M16是一款高速度、存儲(chǔ)容量大的16位NOR FLASH存儲(chǔ)器，總?cè)萘窟_(dá)到了256M，存儲(chǔ)周期最大可達(dá)到90ns。16位的數(shù)據(jù)總線寬度能更好和更快速的采集和緩存數(shù)據(jù)。在實(shí)際的應(yīng)用中，可作為高速緩存。但在使用的過(guò)程中需要注意寫入和讀取數(shù)據(jù)的延時(shí)問題。另外，本芯片能在相當(dāng)大的應(yīng)用范圍中使用，具有很好的通用性，在需要高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的場(chǎng)合的工程中比其他類型的存儲(chǔ)器更有應(yīng)用價(jià)值。