物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)存儲方案詳解_SPI NAND Flash

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用SPI NAND flash

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NAND Flash的原因主要有以下幾點：

高存儲密度

SPI NAND Flash相比傳統(tǒng)的NOR Flash，在同樣的物理尺寸下能夠提供更大的存儲容量。這一特性使得SPI NAND Flash能夠在有限的空間內(nèi)存儲更多的數(shù)據(jù)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中對于存儲容量的高需求。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要存儲大量的數(shù)據(jù)日志、傳感器數(shù)據(jù)等，而SPI NAND Flash的高存儲密度恰好滿足了這一需求。

成本效益高

由于NAND Flash具有更高的存儲密度，其生產(chǎn)成本相對較低。因此，SPI NAND Flash在提供高容量存儲的同時，也具備較高的性價比。這對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的制造商來說，是一個重要的考慮因素，因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要大規(guī)模部署，成本控制尤為重要。

接口簡單且低功耗

SPI接口只需要少量的引腳（通常為6個：SCK、CS、MOSI、MISO、WP和HOLD），這使得硬件設(shè)計更加簡單，減少了PCB空間和成本。同時，SPI NAND Flash的功耗通常較低，非常適合電池供電的便攜設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。低功耗特性有助于延長設(shè)備的續(xù)航時間，減少更換電池或充電的頻率，提高用戶體驗。

數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能

選擇合適的SPI NAND Flash產(chǎn)品時，需要考慮數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能等因素。具備錯誤校正碼（ECC）功能的SPI NAND Flash可以提高數(shù)據(jù)可靠性，減少數(shù)據(jù)錯誤和丟失的風(fēng)險。同時，根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的讀寫性能，可以確保數(shù)據(jù)的快速訪問和處理。

廣泛的應(yīng)用場景

SPI NAND Flash廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、消費電子等領(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，SPI NAND Flash常用于存儲固件、配置數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。這些信息的可靠存儲對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。 適用于嵌入式系統(tǒng)，尤其是對存儲容量和成本敏感的應(yīng)用，如一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。選擇合適的Flash類型應(yīng)基于具體應(yīng)用需求，考慮性能、功耗、壽命、成本和集成度等因素。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NAND Flash的原因主要包括高存儲密度、成本效益高、接口簡單且低功耗、廣泛的應(yīng)用場景以及數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能等方面的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得SPI NAND 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家族中的一員——SPI NAND flash。

1、SPI NAND flash的概念

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，作為存儲設(shè)備的NOR Flash和NAND Flash，而NAND Flash由于采用了地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，并且統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（x 8 bit or x 16 bit），從而在不同容量的兼容性上面基本沒有問題，所以這類封裝及接口形式沿用了很多年。近些年隨著產(chǎn)品小型化的需求越來越強烈，并且對方案成本的要求越來越高，SPI NAND Flash逐漸出圈。

SPI NAND Flash方案的主控（MCU）內(nèi)可以不需要帶有傳統(tǒng)NAND的控制器，只需要有SPI的接口，再加入內(nèi)置ECC，這樣可以減少主控的成本，以及省掉MCU做為硬件或軟件ECC的功能。

另外，SPI NAND Flash的封裝形式多采用 WSON、TFBGA等封裝，尺寸比傳統(tǒng)的NAND Flash TSOP的封裝要小很多，充分節(jié)省了PCB板的空間，較少的管腳數(shù)量，從而可以減小PCB的尺寸及層數(shù)，既滿足了市場小型化的需求也降低了產(chǎn)品的成本。

2、SPI NAND flash的讀寫介紹

對flash芯片的操作，一般包括對flash芯片的擦除，編程和讀取，各大廠商的SPI flash芯片都大同小異，操作命令基本是沒什么變化的，當(dāng)我們拿到一款芯片，要特別注意芯片的容量，操作分區(qū)等。

其實，無論是對芯片的擦除，編程還是讀取操作，我們大致可以按照以下的套路來：寫命令---寫地址---寫（讀）數(shù)據(jù)。正如以下的時序圖一樣清晰明了，我們先把片選信號拉低，再依次寫指令，地址和數(shù)據(jù)，就可以對FLASH芯片進(jìn)行操作。

掌握以上方法，就可以輕松操作SPI flash芯片了，當(dāng)然，對時序這種底層的操作，還需要不斷學(xué)習(xí)和積累，不論是用FPGA還是MCU，最終都是為了產(chǎn)生時序信號，只要靜下來認(rèn)真理解了它，一切問題就迎刃而解了。

3、SPI NAND flash使用注意事項

3.1.不同的SPI FLASH芯片可能會提供的擦除方式：扇區(qū)擦除(4KBytes)，半塊擦除(32KBytes)，塊擦除(64KBytes)，片擦除。

3.2.不同的SPI FLASH芯片可能會提供的編程方式(也就是寫數(shù)據(jù))：頁編程(256Bytes)，扇區(qū)編程(4KBytes)。

3.3.SPI FLASH如果擦除過，在往里面寫0xFF這樣的數(shù)據(jù)意義不大，因為它的特性就是擦除后數(shù)據(jù)就是0xFF。

3.4.寫入flash時，只能把數(shù)據(jù)(bit)從1改為0。

3.5.傳統(tǒng)的EEPROM的特點就是可以隨機訪問和修改任何一個字節(jié)，可以往每個bit中寫入0或1。而寫入flash時，只能把數(shù)據(jù)(bit)從1改為0。但是傳統(tǒng)的EEPROM容量因成本的緣故收到限制，絕少有超過有512K的。

3.6.Nor Flash容量相對小，成本高，基本沒壞塊，數(shù)據(jù)線和地址線分開，可以實現(xiàn)隨機尋址，讀取任何一個字節(jié)，擦除任然要按塊來擦。NAND FLASH容量大，成本低，壞塊經(jīng)常出現(xiàn)，但可以標(biāo)記壞塊，使軟件跳過，數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用，按塊擦除按頁讀取。

4、SPI NAND flash接口介紹

SPI NAND接口

一般來說，SPI的接口就是6個IO，CS, CLK, SI, SO, WP, HOLD。

基本上接口跟Quad SPI FLASH是一樣的。支持一根線，兩根線和四根線的模式。

下面是MX35LF1GE4AB 這片SPI NAND 的verilog module的定義

尋址

SPI NAND最大存儲單元是PLANE，一個PLANE有多個block，一個block有多個PAGE，PAGE是SPI NAND最小的存儲單元。

這里以MX35LF1GE4AB為例,

一個PLANE有2048個block。

一個block有64個page

一個page中2111個byte。

RA是行地址，行地址的16:6位用來尋址Block，行地址的5:0位用來尋址PAGE。CA為列地址，一共12位，尋址空間是4096。但是SPI NAND中只有一部分是可用的，這里只有0到2112個byte是可用的，其余的地址空間都是out of bound。

常用型號

Feature寄存器

Feature寄存器每個芯片的定義都不一樣，這里以MX35LFxGE4AB為例

MX35LFxGE4AB一共有三個feature寄存器。

A0 寄存器用做一些Block的寫保護(hù)

B0寄存器是Secure OTP。QE表示使能Quad模式, ECC表示使能ECC。

C0寄存器是狀態(tài)寄存器，一般用于查詢以下

OIP： FLASH是否處于操作模式，1: Busy, 0: Ready

WEL: 是否寫使能，1: write enable, 0: not write enable

E_FAIL: 擦除錯誤，0: Passed, 1: Failed

P_FAIL:編程錯誤， 0: Passed, 1: Failed

ECC_S0, ECC_S1，ECC狀態(tài)，00b = 0 bit error，01b = 1 to 4 bits error corrected，10b = More than 4-bit error not corrected，11b = Reserved

時序

5、優(yōu)劣勢

- 優(yōu)點： - 相對較大的存儲容量。 - 相對較低的成本。 - 缺點： - 速度較慢，不適合高速讀取。 - 對比SPI NOR Flash，壽命較短。

供應(yīng)商A：江波龍

https://cn.longsys.com/product/industrialstorage/spinandflash.html

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：FS35ND02G-s3Y2QWFI000

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

M-00138FORESEE_SPINAND_FS35ND02G-S3Y2_Datasheet_1648692137.pdf

供應(yīng)商B：博雅

http://www.boyamicro.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：BY25Q01GFS

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

（3）主推型號2：BY25Q512FSEIG

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

BY25Q01GFS

BY25Q512FSEIG

供應(yīng)商C：華邦電子

https://www.winbond.com/hq?__locale=zh

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

https://www.winbond.com/hq/product/code-storage-flash-memory/qspinand-flash/?__locale=zh

（2）主推型號1：W25N01GVZEIG

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

說明

W25N01GV（1G位）串行SLC NAND閃存為具有空間、引腳和電源有限。w25nsipflash系列集成了流行的SPI接口和傳統(tǒng)的大NAND非易失性存儲空間。他們是理想的代碼跟蹤到內(nèi)存，執(zhí)行直接從雙/四SPI（XIP）編碼并存儲語音、文本和數(shù)據(jù)。這個裝置在一個單獨的機器上工作2.7V至3.6V電源，電流消耗低至25mA，有效電流為10μA待命。全部W25N W25N01GV 1G位內(nèi)存陣列被組織成65536個可編程頁，每個頁2048字節(jié)。 整個頁面可以使用2048字節(jié)內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一次編程。也可按64組擦除（128KB塊擦除）。W25N01GV有1024個可擦除塊。 W25N01GV支持標(biāo)準(zhǔn)串行外圍接口（SPI）、雙/四路I/O SPI：串行時鐘，芯片選擇、串行數(shù)據(jù)I/O0（DI）、I/O1（DO）、I/O2（/WP）和I/O3（/HOLD）。SPI時鐘頻率高達(dá) 支持104MHz，允許雙I/O和416MHz的等效時鐘速率為208MHz（104MHz x 2）（104MHz x 4）用于使用快速讀取雙/四路I/O指令時的四路I/O。 W25N01GV提供了一種新的連續(xù)讀取模式，可以有效地訪問整個系統(tǒng)具有單個讀取命令的內(nèi)存陣列。此功能非常適合代碼陰影應(yīng)用程序。 一個保持引腳，寫保護(hù)引腳和可編程寫保護(hù)，提供進(jìn)一步的控制靈活性。此外，該設(shè)備支持JEDEC標(biāo)準(zhǔn)制造商和設(shè)備ID，一個2048字節(jié)的唯一ID頁，一個2048字節(jié)的參數(shù)頁和十個2048字節(jié)的OTP頁。提供更好的NAND閃存內(nèi)存可管理性，用戶可配置的內(nèi)部ECC，壞塊管理也可以在W25N01GV。

特征? 新的W25N系列SpiFlash存儲器 –W25N01GV:1G位/128M字節(jié) –標(biāo)準(zhǔn)SPI:CLK，/CS，DI，DO，/WP，/保持 –雙SPI:CLK，/CS，IO0，IO1，/WP，/Hold –四SPI:CLK，/CS，IO0，IO1，IO2，IO3

? 最高性能串行NAND閃存 –104MHz標(biāo)準(zhǔn)/雙/四SPI時鐘 –208/416MHz等效雙/四SPI –50MB/S連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率 –快速編程/擦除性能 –超過100000次擦除/編程周期 –超過10年的數(shù)據(jù)保留期

? 低功耗，寬溫度范圍 –單2.7至3.6V電源 –25mA有效，10μ備用電流 – -40°C到+85°C工作范圍

? 具有128KB塊的靈活體系結(jié)構(gòu) –統(tǒng)一128K字節(jié)塊擦除 –靈活的頁面數(shù)據(jù)加載方法

? 高級功能 –用于存儲陣列的片上1位ECC –ECC狀態(tài)位表示ECC結(jié)果 –錯誤的塊管理和LUT訪問 –軟件和硬件寫保護(hù) –電源鎖定和OTP保護(hù) –2KB唯一ID和2KB參數(shù)頁 –10個2KB OTP頁面

? 節(jié)省空間的包裝 –8墊WSON 8x6毫米 –16針SOIC 300密耳 –24球TFBGA 8x6毫米 –聯(lián)系Winbond獲取其他套餐選項

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

C907680_NAND+FLASH_W25N01GVZEIG_規(guī)格書_WINBOND(華邦)NAND+FLASH規(guī)格書.PDF

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審核編輯 黃宇