串行閃存

隨着消費者追捧更小,更薄,更便宜的產品,嵌入式系統設計工程師在尋找空間效益和成本效益都較高的閃存時面臨的壓力比以住任何時候都大.幸好,串行閃存為他們提供了所需的解決方案. SPI 又叫"四線"串行總線,用於順序數據緩存器.當被嵌入式系統用於代碼或參數存儲器時,串行閃存在印製電路板上需要的連線數量比並行閃存少,因為串行閃存是把數據串 行化,所需的輸入/輸出引腳比較少,每個時鐘週期只傳送一位數據.這些特性有助於降 低電路板空間,功耗和系統總體成本,這就是串行閃存在嵌入式系統設計社區不斷升温的原因. 下面是串行閃存日益熱銷的一些具體原因:

1.成本,很多ASIC 芯片受限於焊盤,這就是説,芯片的大小受到焊盤數量降低IC 成本的限制.去除焊盤可以讓集成電路變得更小,更緊湊,這樣,一片晶圓可以製作出 更多的裸片,從而降低了每顆裸片的成本.與並口閃存相比,減少外部引腳數量, 還能降低ASIC 和閃存的封裝成本

2. 降低 PCB 空間 – 封裝越小,引腳越少,在印刷電路板上佔位也就越小.

3. 設計簡易 – 引腳少的器件可簡化印刷電路板的走線佈局,有助於產品以更快的速度上市,使產品測試變得更易於操作.

4. 擴展性 – 提高存儲器密度,無需修改電路板佈局.

串行閃存的使用正在成為存儲器市場的一個發展潮流。從串行閃存的低廉成本和緊湊尺寸(小封裝、引腳少、總線只有4條線)受益的各種應用是ST在串行閃存成功的關鍵因素。實際上，串行閃存採用四個信號(CS、CLK、MISO和MOSI)的公用SPI總線傳輸數據，因此串行閃存適合安裝在尺寸緊湊的封裝內，如8引腳的SO封裝(根據存儲密度和工藝技術，可以是寬型或窄型封裝)。

1. 代碼存儲

代碼存儲分大兩大類：

1.1. 標準性能:從外部閃存執行代碼(XIP)

對於沒有嚴格的時間限制的應用，控制器可以直接從串行閃存執行代碼，不過存取操作的時間較長。但是，在執行代碼時，如果經常出現地址跳轉命令，那麼最好還是使用能夠同時發送地址位和數據位的並行閃存，以改進數據傳輸時間(＞40ns)。並行通信需要的引腳數量多，因此封裝尺寸也就相對較大。

1.2. 高性能:從RAM內存執行代碼(代碼映射技術)

很多應用對性能要求很高，因此不能直接從閃存執行代碼，只能從存取時間較短的RAM內存執行程序(＞5ns)。因為RAM是易失性存儲器，這些應用還需要一個非易失性存儲器(閃存)在斷電時保存代碼，每次應用系統上電時還要把代碼下載到RAM，這種方法叫做代碼映射技術。

因為數據從閃存下載到RAM是按照一定順序的(無地址跳轉)，所以從成本和緊湊性考慮，串行閃存是這種應用的最佳解決方案。代碼映射技術還能壓縮代碼，降低對閃存的密度需求。

串行閃存產品組合(M25Pxx系列的密度從512Kb到128Mb)，這些產品使很多利用代碼映射技術的應用發生了革命性的變化，如硬盤驅動器、顯卡、無線網卡、光驅、打印機、計算機(台式機或筆記本電腦的BIOS)、服務器、FPGA配置、液晶顯示器、電視、數字電視、機頂盒、汽車收音機、POS機和遊戲機等應用領域。無疑，串行外設接口(SPI)產品還將繼續滲透到其它的代碼映射技術應用領域。

2.2.數據存儲

任何一種特定應用還需要存儲器保存數據，例如調整參數、查閲表、歷史日誌、測量信息等，因為系統上電後立即下載代碼，數據可以與代碼共用存儲器，兩者之間不會出現任何衝突。液晶顯示器(用户配置)、PC主板(BIOS配置)等應用就屬於這種情況。其它應用設備使用專用存儲器保存數據，如應答機(語音信息)、測量工具(數值)、醫療設備(記錄)、遊戲機(用户配置和分數)。因為這些數據不要求很快的讀取速度，所以串行閃存仍是最佳的選擇。

應用數據還可以分為兩大類別：

2.2.1粗存儲粒度(大可擦除存儲區塊)

下面的應用我們建議使用粗存儲粒度串行存儲器：數據是在生產過程中被燒錄進去或只是在應用中被讀取,且不需要更新(調整參數、查閲表、語言表等)；數據在現場按字節寫入,但是以區塊為單元更新的(測量值、歷史日誌等)；還有一些數據是需要在應用中少量更新的,但是可以在更新前先備份(如在RAM內)同一區塊內保存的其它數據,然後再和新數據一同寫回閃存；此外還可通過EEPROM軟件仿真方法來更新大區塊內的少量參數數據。

“EEPROM軟件仿真方法”

閃存可以按字節編程，但只能按塊擦除(區塊大小取決於閃存的種類)這種方法是通過在不同地址更新數據來實現的。每段數據都鏈接一個頭信息以用來指示這段信息是否有效以及新的有效數據的地址。這種方法利用一個大區塊來更新數據，每次更新只需要在新的地址編程即可，當這個區塊存儲滿了之後再擦除。 這些粗存儲粒度的應用數據可以採用64KB可擦除存儲區塊的標準串行來存儲。

2.2.2.細存儲粒度(小可擦除存儲區塊)

某些數據必須按照小區塊更新，而且應用系統無法給EEPROM軟件仿真方法分配額外的存儲空間，無法備份存儲塊也不允許區塊內部區域空閒。

為滿足這些應用需求，推出了第二個串行閃存產品家族M25PExx。該產品家族是世界上存儲粒度最精細的閃存產品，可以按照256字節或4KB的塊擦除存儲器，具體哪一種取決於存儲密度。此外，利用內部SRAM管理系統，用户能夠用寫指令只更新一個字節(類似於EEPROM)。

應用實例：PC主板

如果你在尋找串行閃存的這種靈活性，不妨花些時間研究下面應用實例描述的兩個方法：

主板應用是典型的高性能應用，為了快速執行代碼，需要把代碼從BIOS閃存映射到DDR2內存中，因此現代計算機保存BIOS改用串行閃存，而不再使用過去的FWH固件中心存儲器(PLCC32封裝)。一般來説，計算機主板上能會用到一個或兩個：BIOS串行閃存，千兆位以太網(GbE)或LAN串行閃存。BIOS串行閃存用於引導計算機啓動，在台式機中，串行閃存可以和南橋芯片或SuperIO控制器連接；在筆記本電腦中，可以和嵌入式控制器連接。

千兆位以太網(GbE)或LAN串行閃存用於千兆位以太網芯片組。某些解決方案(如英特爾)可以把兩種應用代碼存儲在一個串行閃存內。

主板是對更新靈活性要求最高的應用之一：BIOS開發工程師需要頻繁更新閃存中代碼，以驗證不同的硬件配置[0]，從而需要最高的更新靈活性；製造和存儲部門通常需要根據更新版或客户自定義代碼來重新編程BIOS。因為BIOS受到破壞而返修是維修部門的一個不容忽視的問題。BIOS通常是現場更新，如果在更新的同時系統斷電，就會破壞BIOS代碼。

有兩種方法可滿足這些靈活性要求：

在系統中編程(ISP)

特性:利用一個專用編程器更新焊接在應用設備上的BIOS存儲器。當編程器與主板相連時，編程器就控制/隔離了主芯片，並可以更新串行閃存BIOS。

優點:

-整個閃存更新速度非常快(10-30秒之間)

-更新靈活性高，因為只需要裸板(便於開發、製造、存儲區更新或維修)

要求:

某些芯片組需要隔離以防止硬件衝突。

備份啓動閃存工具

特性:

當插到主板上時，備份啓動閃存工具會自動禁用焊在主板上的BIOS存儲器，然後芯片組會從存有正確代碼的備份啓動閃存工具啓動這樣，BIOS工程師就可以輕鬆嘗試手動修改存儲

器，或使用BBF工具更新備份BIOS。維修人員可以使用BBF工具通過正常的備份閃存啓動故障計算機，在計算機啓動後，運行計算機閃存工具軟件更新焊接在主板上的BIOS主存儲器。

優點:

成本低廉

適合市面銷售的大多數主板，無需修改硬件(Hold引腳上拉)

利用插槽修改串行閃存

要求:

必須啓動主板(與系統內編程方法相比，更新時間長)

啓動需要一個完整的計算機環境(ATX電源、CPU、顯示器等)