物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)存儲方案詳解_SPI NOR Flash

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用SPI NOR FLASH

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NOR FLASH的原因主要基于其獨(dú)特的性能特點(diǎn)和在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。以下是詳細(xì)的分析：

1、高可靠性與低時延

SPI NOR FLASH存儲器在初始響應(yīng)和啟動時提供高可靠性，并具有低時延。這一特性對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要，因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要快速啟動并穩(wěn)定運(yùn)行，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和處理。

2、直接執(zhí)行代碼的能力

SPI NOR FLASH適合存儲代碼并直接執(zhí)行。它的地址線和數(shù)據(jù)線分開，可以按字節(jié)讀寫數(shù)據(jù)，符合CPU的指令譯碼執(zhí)行要求。這意味著如果SPI NOR FLASH上存儲了代碼指令，CPU可以直接從中讀取并執(zhí)行，無需額外的處理操作，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3、優(yōu)秀的耐用性和數(shù)據(jù)保留能力

SPI NOR FLASH具有較長的使用壽命和數(shù)據(jù)保留能力。一些產(chǎn)品具有高達(dá)100K編程/擦除（P/E）周期的耐用性和長達(dá)10年的數(shù)據(jù)保留能力。這對于需要長期穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全性的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是非常重要的。

4、靈活的接口和配置選項

SPI NOR FLASH通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這是一種高速同步串行接口，支持全雙工、單工以及半雙工傳輸方式。這使得SPI NOR FLASH可以與多種類型的微控制器（MCU）和處理器無縫連接，并提供靈活的接口和配置選項。

5、功耗管理

某些SPI NOR FLASH組件上設(shè)有深度節(jié)能與待機(jī)模式，可以在配置完成后通過將SPI NOR FLASH組件置于低功耗狀態(tài)來幫助降低功耗。這對于需要長時間運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是非常有益的。

6、耐環(huán)境挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)常需要在各種惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行，如高溫、低溫、潮濕等。SPI NOR FLASH組件通常具有較高的耐溫范圍，可以承受這些惡劣的環(huán)境條件，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

7、廣泛的應(yīng)用場景

SPI NOR FLASH被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，如Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核等程序的存儲。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，這些程序是設(shè)備啟動和運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此使用SPI NOR FLASH可以確保這些程序的安全存儲和快速執(zhí)行。

具體應(yīng)用場景

作為初始代碼的載體，NOR被廣泛應(yīng)用于各個智能化領(lǐng)域。主板BIOS、數(shù)字機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)關(guān)、路由器、loT、汽車電子、穿戴式設(shè)備、安防監(jiān)控、人工智能等領(lǐng)域的代碼存儲媒介中都有NOR。其中，智能穿戴、AMOLED屏、手機(jī)攝像、loT設(shè)備、汽車電子、5G基站、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)具備較大增長空間。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NOR FLASH的原因主要包括其高可靠性、低時延、直接執(zhí)行代碼的能力、廣泛的應(yīng)用場景、優(yōu)秀的耐用性和數(shù)據(jù)保留能力、靈活的接口和配置選項、功耗管理以及耐環(huán)境挑戰(zhàn)等特性。這些特性使得SPI NOR FLASH成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的存儲解決方案。

本文會再為大家詳解存儲器件家族中的一員——PI NOR FLASH芯片

SPI NOR FLASH芯片的定義

NOR FLASH 是很常見的一種存儲芯片，數(shù)據(jù)掉電不會丟失。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 FLASH很適合作為啟動程序的存儲介質(zhì)。

NOR Flash是一類采用“或非”邏輯門電路，能夠被電子刪除和重編的電子非易失性計算機(jī)存儲媒介。

閃存(Flash)的存儲單元是三端器件，分別是源極、漏極和柵極。由于柵極和硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，使得浮置柵極中的電荷不會泄露，所以閃存具有記憶能力。

2 NOR Flash和NAND Flash的區(qū)別

閃存是一種電壓控制型器件,閃存將信息存儲在由浮柵晶體管制成的存儲單元中。

NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進(jìn)行充電(寫數(shù)據(jù))或放電(擦除數(shù)據(jù)),在NAND閃存中，幾個存儲器單元(通常是8個單元)串聯(lián)連接，類似于NAND門。

NOR型閃存擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)(電流從浮置柵極到硅基層)，但在寫入數(shù)據(jù)時則是采用熱電子注入方式(電流從浮置柵極到源極)。在NOR閃存中，每個存儲器單元的一端連接到源極線，另一端直接連接到類似于NOR門的位線。

NOR和NAND均屬于Flash。但因NOR偏重于性能和可靠性，而不具備成本優(yōu)勢等差異，導(dǎo)致NAND成為主流的大容量數(shù)據(jù)存儲器，NOR主要應(yīng)用于系統(tǒng)啟動代碼和特定只讀信息系的存儲，屬于利基型存儲市場。

NOR FLASH的讀取和RAM很類似，但不可以直接進(jìn)行寫操作。對NOR FLASH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。從支持的最小訪問單元來看，NOR FLASH一般分為 8 位的和16位的(當(dāng)然，也有很多NOR FLASH芯片同時支持8位模式和是16 位模式，具體的工作模式通過特定的管腳進(jìn)行選擇) 。 對8位的 NOR FLASH芯片，或是工作在8-BIT模式的芯片來說，一個地址對應(yīng)一個BYTE(8-BIT)的數(shù)據(jù)。例如一塊8-BIT的NOR FLASH，假設(shè)容量為4個 BYTE。那芯片應(yīng)該有8個數(shù)據(jù)信號D7-D0 和2個地址信號，A1-A0。地址0x0對應(yīng)第0個 BYTE，地址0x1對應(yīng)于第1BYTE，地址0x2對應(yīng)于第2個 BYTE，而地址0x3則對應(yīng)于第3 個BYTE對16位的 NOR FLASH芯片，或是工作在16-BIT模式的芯片來說，一個地址對應(yīng)于一個HALF-WORD(16-BIT)的數(shù)據(jù)。例如，一塊16-BIT的 NOR FLASH，假設(shè)其容量為4個BYTE。那芯片應(yīng)該有16 個數(shù)據(jù)信號線D15-D0 和1個地址信號A0。地址 0x0對應(yīng)于芯片內(nèi)部的第0個 HALF-WORD，地址0x1對應(yīng)于芯片內(nèi)部的第1個 HALF-WORD。 FLASH一般都分為很多個SECTOR，每個SECTOR包括一定數(shù)量的存儲單元。對有些大容量的FLASH，還分為不同的BANK，每個BANK包括一定數(shù)目的SECTOR。FLASH的擦除操作一般都是以SECTOR，BANK或是整片F(xiàn)LASH為單位的。

在對FLASH進(jìn)行寫操作的時候，每個BIT可以通過編程由1變?yōu)?，但不可以有0修改為1。為了保證寫操作的正確性，在執(zhí)行寫操作前，都要執(zhí)行擦除操作。擦除操作會把FLASH的一個SECTOR，一個BANK或是整片F(xiàn)LASH 的值全修改為0xFF。這樣，寫操作就可以正確完成了。

SPI NOR FLASH芯片的分類

在通信方式上Nor Flash 分為兩種類型：CFI Flash和 SPI Flash，即采用的通信協(xié)議不同。

1 CFI Flash

英文全稱是common flash interface,也就是公共閃存接口，是由存儲芯片工業(yè)界定義的一種獲取閃存芯片物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。CFI有許多關(guān)于閃存芯片的規(guī)定，有利于嵌入式對FLASH的編程?，F(xiàn)在的很多NOR FLASH 都支持CFI，但并不是所有的都支持。 ??CFI接口，相對于串口的SPI來說，也被稱為parallel接口，并行接口；另外，CFI接口是JEDEC定義的，所以，有的又稱CFI接口為JEDEC接口。所以，可以簡單理解為：對于Nor Flash來說，CFI接口＝JEDEC接口＝Parallel接口 = 并行接口 ??特點(diǎn)在于支持的容量更大，讀寫速度更快。 ??缺點(diǎn)由于擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線和地址總線，會浪費(fèi)電路電子設(shè)計上的更多資源。

2 SPI Flash

serial peripheral interface串行外圍設(shè)備接口,是一種常見的時鐘同步串行通信接口。有4線（時鐘，兩個數(shù)據(jù)線，片選線）或者3線（時鐘，兩個數(shù)據(jù)線）通信接口，由于它有兩個數(shù)據(jù)線能實(shí)現(xiàn)全雙工通信，讀寫速度上較快。擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行；可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以Sector為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，在對存儲器進(jìn)行重新編程之前需要對Sector或整片進(jìn)行預(yù)編程和擦除操作。如W25Q64

3 CFI Flash 和 SPI Flash 比較

SPI flash和 CFI Flash 的介質(zhì)都是Nor Flash ，但是SPI 是通過串行接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作，而 CFI Flash 則以并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，SPI容量都不是很大，市場上 CFI Flash 最大可以做到128Mbit，而且讀寫速度慢，但是價格便宜，操作簡單。而parallel接口速度快，容量上市場上已經(jīng)有1Gbit的容量，價格昂貴。

4NOR FLASH 工作時序

4.1NM25Q128 讀操作時序圖

可知讀數(shù)據(jù)指令是 03H，可以讀出一個字節(jié)或者多個字節(jié)。發(fā)起讀操作時，先把 CS片選管腳拉低，然后通過 MOSI 引腳把 03H 發(fā)送芯片，之后再發(fā)送要讀取的 24 位地址，這些數(shù)據(jù)在 CLK 上升沿時采樣。芯片接收完 24 位地址之后，就會把相對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)在 CLK 引腳下降沿從 MISO 引腳發(fā)送出去。從圖中可以看出只要 CLK 一直在工作，那么通過一條讀指令就可以把整個芯片存儲區(qū)的數(shù)據(jù)讀出來。當(dāng)主機(jī)把 CS 引腳拉高，數(shù)據(jù)傳輸停止。

4.2.NM25Q128 頁寫時序

在發(fā)送頁寫指令之前，需要先發(fā)送“寫使能”指令。然后主機(jī)拉低 CS 引腳，然后通過 MOSI引腳把 02H 發(fā)送到芯片，接著發(fā)送 24 位地址，最后你就可以發(fā)送你需要寫的字節(jié)數(shù)據(jù)到芯片。完成數(shù)據(jù)寫入之后，需要拉高 CS 引腳，停止數(shù)據(jù)傳輸。

4.3扇區(qū)擦除時序圖

扇區(qū)擦除指的是將一個扇區(qū)擦除。擦除扇區(qū)后，扇區(qū)的位全置 1，即扇區(qū)字節(jié)為 FFh。同樣的，在執(zhí)行扇區(qū)擦除之前，需要先執(zhí)行寫使能指令。這里需要注意的是當(dāng)前 SPI 總線的狀態(tài)，假如總線狀態(tài)是 BUSY，那么這個扇區(qū)擦除是無效的，所以在拉低 CS 引腳準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先要確定 SPI 總線的狀態(tài)，這就需要執(zhí)行讀狀態(tài)寄存器指令，讀取狀態(tài)寄存器的 BUSY 位，需要等待 BUSY 位為 0，才可以執(zhí)行擦除工作。接著按時序圖分析，主機(jī)先拉低 CS 引腳，然后通過 MOSI 引腳發(fā)送指令代碼 20h 到芯片，然后接著把 24 位扇區(qū)地址發(fā)送到芯片，然后需要拉高 CS 引腳，通過讀取寄存器狀態(tài)等待扇區(qū)擦除操作完成。

5 塊、扇

SPI NOR FLASH芯片的優(yōu)缺點(diǎn)

- 優(yōu)點(diǎn)：

- 快速啟動時間，適用于實(shí)時性要求高的應(yīng)用。

- 低功耗，適用于電池驅(qū)動和功耗敏感的設(shè)備。

- 較長的壽命，適用于需要頻繁讀寫的場景。

- 缺點(diǎn)：

- 存儲容量相對較小。

- 成本相對較低但不如SPI NAND Flash

SPI NOR FLASH芯片的龍頭企業(yè)

近年來，NOR Flash全球市場主要集中于五大巨頭，分別是旺宏電子、華邦電子、Cypress、美光、兆易創(chuàng)新五大企業(yè)。但幾大巨頭在應(yīng)用市場上存在一定的差異。

美光和Cypress專注于工業(yè)市場、航天市場以及車用電子市場;旺宏、華邦電側(cè)重于消費(fèi)電子領(lǐng)域，也有部分產(chǎn)品應(yīng)用于車載和工控領(lǐng)域;兆易創(chuàng)新產(chǎn)品主要應(yīng)用于消費(fèi)市場，車載、工控領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)也在順利推進(jìn)。

供應(yīng)商A: 博雅科技

http://www.boyamicro.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

http://www.boyamicro.com/SPI_Nor_Flash.php

（2）主推型號1：BY25M512FS

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

BY25M512FS是一款SPI Nor Flash芯片，具有多種特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。以下是對該芯片的詳細(xì)解析：

基本信息

產(chǎn)品類型：SPI Nor Flash芯片

存儲容量：512Mbit（或64MB）

接口類型：SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）

技術(shù)規(guī)格

工藝：采用先進(jìn)的制造工藝（如65/55/50nm等，具體工藝可能因產(chǎn)品版本而異）

傳輸效率：具有較高的傳輸效率，能夠支持高速數(shù)據(jù)讀寫

數(shù)據(jù)保存時間：長達(dá)20年以上，確保數(shù)據(jù)的長期可靠性

擦寫次數(shù)：支持高達(dá)10萬次的擦寫操作，滿足頻繁數(shù)據(jù)更新的需求

工作溫度范圍：通常在-40℃到+125℃之間，適用于各種惡劣環(huán)境

電壓范圍：根據(jù)具體型號，可能支持1.65V(1.95V或2.7V)3.6V的工作電壓

應(yīng)用領(lǐng)域

BY25M512FS芯片因其高可靠性、良好的穩(wěn)定性和兼容性，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，包括但不限于：

手機(jī)：用于存儲系統(tǒng)固件、用戶數(shù)據(jù)等

電腦主板：提供存儲支持，用于BIOS、啟動代碼等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲

機(jī)頂盒、U盾、攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)模塊、監(jiān)控設(shè)備、通訊路由、顯示面板、藍(lán)牙模組、定位模塊等：這些設(shè)備都需要高性能的存儲解決方案來支持其運(yùn)行

封裝形式與產(chǎn)品狀態(tài)

封裝形式：提供多種封裝選項，如SOP8、TSSOP8、DFN、BGA等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求和空間限制

產(chǎn)品狀態(tài)：通常標(biāo)記為“MP”（量產(chǎn)），表示該產(chǎn)品已經(jīng)過測試并投入大規(guī)模生產(chǎn)

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

供應(yīng)商B:兆易創(chuàng)新 GigaDevice

https://www.gigadevice.com.cn/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

https://www.gigadevice.com.cn/product/flash/product-series/spi-nor-flash

（2）主推型號1:GD25Q20CTIGR

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

·2M位串行閃存

-256K字節(jié)

-每可編程頁256字節(jié)

·標(biāo)準(zhǔn)、雙路、四路SPI

-標(biāo)準(zhǔn)SPI:SCLK、CS#、SI、SO、WP#、等待#

-雙SPI:SCLK、CS#、100、101、WP#、保持#

-四通道SPI:SCLK、CS#、100、101、102、103

·高速時鐘頻率

-32/64K字節(jié)的統(tǒng)一塊

-12MHz用于30PF負(fù)載的快速讀取

-雙L/0數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)240 Mbit/s

-四通道數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)480Mbit/s

·軟件/硬件寫保護(hù)

-通過軟件寫入保護(hù)所有/部分內(nèi)存

-啟用/禁用保護(hù)與WP#引腳

-頂部/底部擋塊保護(hù)

·最少100000個程序/擦除周期

-數(shù)據(jù)保留

-20年數(shù)據(jù)保留典型

·快速編程/擦除速度

-頁面程序時間:06ms典型值

-扇區(qū)擦除時間:典型值45ms

-塊-擦除時間:0.15/025秒

-芯片擦除時間:典型值1.25秒

·靈活的體系結(jié)構(gòu)

-4K字節(jié)的均勻扇區(qū)

-32/64K字節(jié)的統(tǒng)一塊

·低功耗

-lua表示電流的深度

-lpa正態(tài)電流

·高級安全功能

-每個備的128位唯一ID

-帶OTP鎖的4x256字節(jié)安全寄存器

·全電壓范圍:27~36V

-20年數(shù)據(jù)保留典型

·允許XIP(就地執(zhí)行)操作

-8/16/32/64字節(jié)的連續(xù)讀取

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

C395521_53C9CBD58A8C773ED039AA3E666BF906.pdf

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審核編輯 黃宇