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，在特殊應用場景中具有不可替代的地位，本節是數字存儲器件系列第一節，介紹串行Nor Flash的結構和參數特性。

1.Nor Flash的結構

Nor Flash的結構原理圖見圖1-1，可見每個Bit Line下的基本存儲單元是并聯的，當某個字節線被選中后，就可以實現對該字節的讀取，也就是可以實現位讀取（即Random Ａccess），且具有較高的讀取速率，圖1-1是一個3*8bit的Nor Flash的原理結構圖（圖中Bit位標識錯誤，實際為Bit0-Bit7）

圖1-1：Nor Flash的單元結構

基本存儲單元的并聯結構決定了金屬導線占用很大的面積，因此Nor Flash的存儲密度較低，適合關鍵代碼存儲，而不適用于諸如數據存儲這樣需要大容量存儲的應用場合，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永久設置為只讀，可用于保護系統操作免受故意篡改。

3.Default Lock Protection

默認的鎖定保護功能針對參數保護應用程序進行了優化，這些產品利用BP易失性保護位來保護選定的內存啟動區域，防止程序被濫用，并擦除受保護區域中的指令。

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，使得應用程序的系統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高數據吞吐量。SPI DTR Read模式使用時鐘的上升沿和下降沿來驅動輸出，從而將輸入和輸出周期減少一半。

數據傳輸速率最高可達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的數據傳輸速率，并且還在引導扇區提供獨立的塊鎖定保護。

7.XIP（片上執行）

Nor Flash存儲單元的并聯結構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據總線，并允許隨機動態存取器件上的任何區域，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的結構

圖1-3：標準Serial Nor Flash的系統結構

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，由串行數據輸入（SI）、串行數據輸出（SO）、串行時鐘（SCK）和芯片啟用（CE#）引腳組成。指令通過SI引腳發送，以在SCK的上升沿對指令、地址或輸入數據進行編碼。SO引腳用于讀取數據或檢查設備的狀態。該設備支持SPI總線操作模式（0，0）和（1，1）。SPI產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，所以要求的引腳數也較少。這一更低的成本簡化了許多嵌入式設計的電路板設計并降低了外形尺寸。總的針腳數從典型的并行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協議，將SPI擴展為包括各種IO標準，包括用于減少引腳數的單路和在標準SPI基礎上增加了額外的數據線，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據線，如圖1-6所示，半雙工模式支持雙向通信，但減少數據線的數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

當與高速設備通信時，Quad I/O設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設備的配置示例。

圖1-8：四路SPI配置

通過SPI模式執行這些指令將實現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的數據，實現了更快的速度，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代碼執行，能夠降低采用較慢的SPI解決方案的系統中所需的RAM數量，還能夠實現更快的系統啟動速度。利用多種I/O模式的組件可以與并行設備的讀取速度相媲美，同時可以減少引腳數。

3.QPI

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

QPI（Quad Peripheral Interface，四外設接口）支持2周期指令，進一步減少指令時間。頁面可以按4K字節扇區、32K字節塊、64K字節塊和/或整個芯片的組擦除。統一的扇區和塊架構允許高度的靈活性，因此支持QPI器件可以用于需要可靠數據保留的各種應用。

典型的SPI協議要求字節長的指令代碼僅通過八個串行時鐘中的SI引腳轉移到設備中。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，而不考慮狀態寄存器中的非易失性Quad Enable（QE）位狀態，電源重置或軟件重置將使設備返回到標準SPI模式。在QPI模式期間，SI和SO引腳變為雙向I/O0和I/O1，WP#和HOLD#引腳分別變為I/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X8

3.Security Flash

安全閃存，Security Flash支持RPMC（Replay Protection Monotonic Counter，重放保護單調計數器）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位單調計數器，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。