行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織JEDEC定義了一種串行復(fù)位協(xié)議，用以取代專用復(fù)位引腳。

今天的嵌入式系統(tǒng)，例如智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)終端，通常都要求在實(shí)現(xiàn)高性能與低功耗的同時(shí)提供實(shí)時(shí)啟動(dòng)功能。所有電子系統(tǒng)還要具備從瞬態(tài)故障引起的狀況中恢復(fù)的能力。這些故障通常與信號(hào)完整性密切相關(guān)，這使得當(dāng)今的高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

從運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障中恢復(fù)通常需要能夠?qū)ο到y(tǒng)的全部或部分進(jìn)行受控復(fù)位。極端情況下，若尚未提供軟復(fù)位功能，此時(shí)就可能會(huì)提示需要重新啟動(dòng)設(shè)備。而對(duì)于遠(yuǎn)程的物聯(lián)網(wǎng)終端來(lái)說(shuō)，重啟可能存在困難而且成本高昂。這只是說(shuō)明嵌入式設(shè)計(jì)中復(fù)位功能重要性的一個(gè)示例。

串行外設(shè)接口（SPI）廣泛應(yīng)用于將外設(shè)和存儲(chǔ)器連接到嵌入式系統(tǒng)中的微控制器或處理器中。復(fù)位串行閃存是初始化或恢復(fù)的重要部分。為使主機(jī)處理器能夠更容易地重置SPI存儲(chǔ)器，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織JEDEC定義了一種串行復(fù)位協(xié)議，替代了使用專用復(fù)位引腳來(lái)進(jìn)行復(fù)位。本文介紹了該復(fù)位協(xié)議及其用法，特別參考了擴(kuò)展SPI（xSPI）和串行非易失性存儲(chǔ)器的執(zhí)行代碼。

SPI閃存的作用

串行接口相對(duì)于并行總線的主要優(yōu)點(diǎn)是減少了所需信號(hào)數(shù)量。在大多數(shù)情況下，較少的信號(hào)和I/O引腳可降低元件成本與功耗，因?yàn)轵?qū)動(dòng)片外信號(hào)所需的功率是總功率消耗的主力軍。

最初的SPI規(guī)范包括四種信號(hào)：一個(gè)串行時(shí)鐘（SCLK）信號(hào)，用于同步數(shù)據(jù)傳輸；一個(gè)或多個(gè)芯片選擇（SS）信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)尋址多個(gè)目標(biāo)；以及兩個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)（MOSI和MISO），用于在每個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)以各種方式進(jìn)行了擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)更高的性能，現(xiàn)在更拓展了通過(guò)SPI接口執(zhí)行軟復(fù)位的功能。

串行外設(shè)接口（SPI）（來(lái)源：Adesto Technologies）

SPI接口不斷演變和發(fā)展以擴(kuò)大帶寬，其變體現(xiàn)在包括dual SPI(雙線SPI)，它使用半雙工配置中的兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳在每時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送兩個(gè)bit的數(shù)據(jù)；還有quad SPI（四線SPI）和octal SPI（八線SPI），它們?cè)黾恿烁鄶?shù)據(jù)線，使得每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸更多位數(shù)。此外，這些SPI都可在雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）模式下使用，且支持在兩個(gè)時(shí)鐘邊緣傳輸數(shù)據(jù)。

Quad和Octal SPI接口由JEDEC的擴(kuò)展SPI（xSPI）標(biāo)準(zhǔn)JESD251定義，該標(biāo)準(zhǔn)提供的硬件指導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中高吞吐量xSPI器件的無(wú)故障集成。

最近，JEDEC還定義并發(fā)布了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了通過(guò)串行接口重置設(shè)備。該復(fù)位協(xié)議在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD252中定義，它取消了在串行閃存中使用專用復(fù)位引腳來(lái)進(jìn)行復(fù)位的需求。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了芯片選擇信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和輸入數(shù)據(jù)信號(hào)需要遵循的特定順序，以使器件執(zhí)行硬件復(fù)位。使用該模式使得由串行數(shù)據(jù)線上的噪聲引起的偽轉(zhuǎn)換不會(huì)導(dǎo)致意外復(fù)位。在復(fù)位期間，時(shí)鐘信號(hào)保持低電平，進(jìn)一步確保了引腳轉(zhuǎn)換不會(huì)被解釋為數(shù)據(jù)傳輸，而芯片選擇引腳則用于確保僅復(fù)位特定的器件。

復(fù)位協(xié)議（來(lái)源：Adesto Technologies）

SPI閃存被廣泛應(yīng)用于嵌入式產(chǎn)品，特別是用于其代碼。這使得它對(duì)系統(tǒng)整體功能而言顯得至關(guān)重要，因此必須保持可靠的運(yùn)行，包括具備必要時(shí)發(fā)起復(fù)位的能力。

利用復(fù)位進(jìn)行初始化和恢復(fù)

系統(tǒng)通常在通電時(shí)使用復(fù)位功能來(lái)確保系統(tǒng)中所有器件都以已知狀態(tài)啟動(dòng)。復(fù)位還可用于在運(yùn)行期間從可能由硬件問題引起的嚴(yán)重故障中恢復(fù)，其中包括信號(hào)完整性問題和時(shí)序問題、電磁干擾或由背景輻射引起的隨機(jī)存儲(chǔ)器損壞（另請(qǐng)參見《MiTIgating Metastability》這篇文章）；還可用于由軟件錯(cuò)誤可能導(dǎo)致的程序崩潰和無(wú)響應(yīng)。

這些偶發(fā)的錯(cuò)誤對(duì)于消費(fèi)者可能是僅僅造成不便，但對(duì)于具有數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)需要高可用性的物聯(lián)網(wǎng)而言，卻是一個(gè)嚴(yán)重的問題。在越來(lái)越多的情況下，手動(dòng)復(fù)位或重啟這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來(lái)越不可能。嵌入式系統(tǒng)通常使用看門狗定時(shí)器和其它自檢機(jī)制來(lái)檢測(cè)故障并采取糾正措施。這就可能意味著執(zhí)行“軟”復(fù)位，其中只有必要的子系統(tǒng)在處理器的控制下被復(fù)位。

SPI接口是有狀態(tài)的（stateful）。例如，在接收到命令之后，閃存將期望有一定數(shù)量的地址或數(shù)據(jù)傳輸。導(dǎo)致主機(jī)和內(nèi)存之間失去同步的任何錯(cuò)誤都將引起不可預(yù)測(cè)的行為。要從中恢復(fù)，主機(jī)需要能夠通過(guò)執(zhí)行軟復(fù)位將串行存儲(chǔ)器重置為已知狀態(tài)。這種復(fù)位有助于保持系統(tǒng)穩(wěn)定，而且是在沒有看到任何外部故障指示的情況下進(jìn)行的。也因?yàn)槿绱耍洀?fù)位現(xiàn)在被認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)操作的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特性。

有些串行閃存可能有一個(gè)專用的復(fù)位引腳；但另一些則使用多路復(fù)用以減少引腳數(shù)，此時(shí)，復(fù)位引腳同時(shí)也是一個(gè)I/O引腳；但有時(shí)候，制造商可能根本不提供復(fù)位功能。即使有復(fù)位引腳，專門指定微控制器的一個(gè)輸出去控制它也不實(shí)際。

JESD252規(guī)范的產(chǎn)生使得串行閃存設(shè)備無(wú)需專用或物理復(fù)位引腳仍然可以支持復(fù)位功能。除了故障恢復(fù)之外，還可以在上電啟動(dòng)時(shí)使用串行復(fù)位機(jī)制，以確保電源穩(wěn)定后串行存儲(chǔ)器也能正確啟動(dòng)。

芯片內(nèi)執(zhí)行（XiP）

傳統(tǒng)的串行閃存通過(guò)低速SPI連接，這意味著如果這些器件用于存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)器，則處理器在執(zhí)行代碼之前必須先將代碼復(fù)制到片上SRAM中。而芯片內(nèi)執(zhí)行，即XiP，是通過(guò)提供更快更寬的接口省去了代碼復(fù)制步驟的串行閃存。反過(guò)來(lái)，這減少了對(duì)片上SRAM的需求，從而降低了主機(jī)微控制器或處理器的價(jià)格。

與其他八通道器件相比，Adesto的EcoXiP采用octal SPI接口，具有高性能和極低功耗，并且具有比quad-SPI存儲(chǔ)器高得多的性能。

Execution modes (Source: Adesto Technologies)
執(zhí)行模式 (來(lái)源: Adesto Technologies)

對(duì)于現(xiàn)代嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，XiP的開發(fā)極具價(jià)值，不僅僅是因?yàn)槠祥W存的昂貴和尺寸上的限制。微控制器通常最多具有1 MB的內(nèi)存，但現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常需要更多的代碼空間用于通信堆棧、無(wú)線接口、音頻處理、機(jī)器視覺和應(yīng)用軟件等功能。利用XiP的外部閃存可以實(shí)現(xiàn)更大的代碼存儲(chǔ)空間。而且由于減去了代碼傳輸階段，啟動(dòng)時(shí)間也縮短了。

XiP的使用使得SRAM無(wú)需存儲(chǔ)代碼而是僅用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而減少了所需的SRAM數(shù)量。因?yàn)橄鳒p了對(duì)外部SRAM的需求或允許微控制器使用較少的片上SRAM，系統(tǒng)成本也相應(yīng)降低。由于NOR閃存（非易失性閃存）允許隨機(jī)訪問，而微控制器需要將串行接口映射到其自己的存儲(chǔ)空間，因此它被視為另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，從而支持XiP。為了進(jìn)一步提高性能，EcoXiP還針對(duì)代碼執(zhí)行進(jìn)行了優(yōu)化。

標(biāo)準(zhǔn)SPI接口設(shè)計(jì)都支持隨機(jī)訪問；每次讀取都包含命令、地址和返回的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)返回后，才可以進(jìn)行再次請(qǐng)求。但是，指令通常從連續(xù)地址中獲取。EcoXiP接口充分利用了這一點(diǎn)，為每個(gè)讀取請(qǐng)求提供連續(xù)字節(jié)，直到具有新地址的命令被發(fā)送為止。這使得總線吞吐量加倍，因?yàn)橄藶槊看翁崛“l(fā)送新地址的延遲。

EcoXiP可以持續(xù)以156MB/s（峰值速率為266 MB/s）的速率發(fā)送指令。

傳統(tǒng)NOR閃存的另一個(gè)問題是寫入比讀取慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著當(dāng)代碼在閃存中執(zhí)行時(shí)無(wú)法將數(shù)據(jù)寫入閃存，因?yàn)檫@樣會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生重大影響。EcoXiP通過(guò)靈活地將存儲(chǔ)器劃分為獨(dú)立的存儲(chǔ)體來(lái)支持并發(fā)讀寫。這使得采用XiP可以在執(zhí)行代碼的同時(shí)，將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器并執(zhí)行（Over-the-AIr，OTA）空中更新。

對(duì)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的支持，包括遠(yuǎn)程復(fù)位的支持，使業(yè)界采用XiP串行閃存變得更加簡(jiǎn)單。

結(jié)論

在主處理器的控制下能夠復(fù)位串行閃存是嵌入式系統(tǒng)的重要需求。JEDEC JESD252串行復(fù)位協(xié)議可實(shí)現(xiàn)該功能，而無(wú)需存儲(chǔ)器上的復(fù)位引腳或來(lái)自微控制器或主機(jī)處理器的專門信號(hào)。

盡管使用串行復(fù)位和XiP會(huì)影響主機(jī)和存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，還是有越來(lái)越多的微控制器正在增加對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的支持。Adesto是第一家提供串行NOR閃存的制造商，其產(chǎn)品支持串行閃存復(fù)位信令協(xié)議和xSPI標(biāo)準(zhǔn)。EcoXiP可在提供所需執(zhí)行能力的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗與成本。它還兼容串行閃存發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，并具有改善能效和安全的其它特性。

擁有上述技術(shù)，嵌入式工程師可以更好地應(yīng)對(duì)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。