《電子技術應用》
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能夠滿足大容量存儲應用需求的新型串行閃存
摘要: 針對需要128Mb以上串行閃存的應用要求,美光科技推出一個簡單的獨一無二的擴容解決方案。這個解決方案可以把存儲容量輕松地擴大到4G或更大,完全兼容現有的串行外設接口(SPI)協議,無需重新設計主芯片的硬件。
Abstract:
Key words :

  128Mb以上的串行閃存被認為是電子產品滿足市場需求、增加更多功能的一個主要障礙。針對需要128Mb以上串行閃存的應用要求,美光科技推出一個簡單的獨一無二的擴容解決方案。這個解決方案可以把存儲容量輕松地擴大到4G或更大,完全兼容現有的串行外設接口(SPI)協議,無需重新設計主芯片的硬件。該解決方案優于市場上現有的要求創建一個新的32位尋址模式的解決方案,因為創建新的尋址模式可能強迫設計人員修改軟硬件。

  SPI協議的優點與局限

  凡是在今天市場上銷售的獨立串行閃存都采用基于3個地址字節的SPI協議。SPI協議的數據禎由多個字節(8位)組成,主要包括:1)一個指示閃存操作的操作碼(8位);2) 24位讀寫操作地址(3個字節) ,用于對所選存儲區進行尋址;3) 如果寫操作,在所選地址寫入N x 8位數據(N = 1 … 256) 。SPI協議在嵌入式市場取得巨大成功,被所有的嵌入式串行閃存接受。升級應用無需修改硬件是在閃存內采用SPI協議的一個主要好處,因為不同閃存容量可以共用同一種封裝和引腳排列方式(8引腳)。

  不過,如果這個協議不能用于存儲密度超過128Mb應用時,那么其優點就會蕩然無存。因為SPI協議使用3個地址字節的禎通信,所以系統最大尋址空間被限制在128Mb。存儲密度在256Mb或更高的閃存要求SPI協議增加額外的字節。協議的修改可能迫使所有的設計人員(特別是需要使用128Mb存儲器的芯片組廠商)重新設計硬件。此外,若想把存儲密度提高到256Mb或更高,他們無法升級現有的代碼存儲器為128Mb(3個地址字節)的應用。

  增加存儲密度的解決方案

  因為這個原因,設計人員一直在尋找一個有效的解決辦法,只需對軟硬件稍加修改,即可把存儲器密度提高到128Mb。有一個提議是開發一個支持更高尋址密度的32尋址模式,增加2種命令以解決24位與32位之間的轉換問題。然而,這種方法需要在24尋址機制的基礎上修改現有的軟件,協議變化可能迫使設計人員重新設計主芯片的硬件。

  美光科技的串口閃存產品陣容,存儲密度從1/2Mb一直延伸到128Mb,現在該公司提出一個簡單的解決方案,可以幫助設計人員解決存儲密度提升問題。這個解決方案基于美光最新推出的N25Q256閃存,該方案的最大亮點是在采用相同的SPI協議情況下,不僅能夠滿足256Mb應用的需求,還能滿足512Mb到32Gb的需求。

  這個解決方案采用一個叫做擴展地址寄存器(EAR)的n-位寄存器,可以把尋址空間擴展到傳統的3個字節(24位)以上。主機可以使用一個專用指令寫寄存器(上電后寄存器進入00……0b默認狀態)。這樣,存儲器被外部視為n個以128Mb為單位的存儲段,該寄存器的內容可以對每個段進行尋址。

  擴展地址寄存器

  

  · 以傳統方式寫前3個地址字節(A[23:0]) (圖2給出一個讀存儲器模式操作示例)。

  

  ·第4個地址字節被預存在一個n位寄存器內。該寄存器具有以下特點:支持一條專用的寫指令(C5h);以協議速度通信,是一個邏輯寄存器(觸發器);默認條件(在上電后)是00h;在執行一條專用讀存儲器命令(C8h)后,可以查看寄存器內容;8位寄存器的最大尋址空間是32Gb,但是還可以擴展。

  擴展地址寄存器的控制命令如圖所示3 。

  

  實例分析

  1、以一個閃存為例:

  · 256Mb可以視為2個128Mb閃存模塊;

  

  

  ·所有默認操作都從最低有效位開始,除非EAR的0位被預置1。

  2 、以一個閃存為例:

  · 512Mb可以視為4個128Mb閃存模塊;

  

  

  ·所有默認操作都從最低有效位開始,除非EAR的1位和0位被預置01或10或11。

  128Mb以上的串行閃存被認為是電子產品滿足市場需求、增加更多功能的一個主要障礙。針對需要128Mb以上串行閃存的應用要求,美光科技推出一個簡單的獨一無二的擴容解決方案。這個解決方案可以把存儲容量輕松地擴大到4G或更大,完全兼容現有的串行外設接口(SPI)協議,無需重新設計主芯片的硬件。該解決方案優于市場上現有的要求創建一個新的32位尋址模式的解決方案,因為創建新的尋址模式可能強迫設計人員修改軟硬件。

  SPI協議的優點與局限

  凡是在今天市場上銷售的獨立串行閃存都采用基于3個地址字節的SPI協議。SPI協議的數據禎由多個字節(8位)組成,主要包括:1)一個指示閃存操作的操作碼(8位);2) 24位讀寫操作地址(3個字節) ,用于對所選存儲區進行尋址;3) 如果寫操作,在所選地址寫入N x 8位數據(N = 1 … 256) 。SPI協議在嵌入式市場取得巨大成功,被所有的嵌入式串行閃存接受。升級應用無需修改硬件是在閃存內采用SPI協議的一個主要好處,因為不同閃存容量可以共用同一種封裝和引腳排列方式(8引腳)。

  不過,如果這個協議不能用于存儲密度超過128Mb應用時,那么其優點就會蕩然無存。因為SPI協議使用3個地址字節的禎通信,所以系統最大尋址空間被限制在128Mb。存儲密度在256Mb或更高的閃存要求SPI協議增加額外的字節。協議的修改可能迫使所有的設計人員(特別是需要使用128Mb存儲器的芯片組廠商)重新設計硬件。此外,若想把存儲密度提高到256Mb或更高,他們無法升級現有的代碼存儲器為128Mb(3個地址字節)的應用。

  增加存儲密度的解決方案

  因為這個原因,設計人員一直在尋找一個有效的解決辦法,只需對軟硬件稍加修改,即可把存儲器密度提高到128Mb。有一個提議是開發一個支持更高尋址密度的32尋址模式,增加2種命令以解決24位與32位之間的轉換問題。然而,這種方法需要在24尋址機制的基礎上修改現有的軟件,協議變化可能迫使設計人員重新設計主芯片的硬件。

  美光科技的串口閃存產品陣容,存儲密度從1/2Mb一直延伸到128Mb,現在該公司提出一個簡單的解決方案,可以幫助設計人員解決存儲密度提升問題。這個解決方案基于美光最新推出的N25Q256閃存,該方案的最大亮點是在采用相同的SPI協議情況下,不僅能夠滿足256Mb應用的需求,還能滿足512Mb到32Gb的需求。

  這個解決方案采用一個叫做擴展地址寄存器(EAR)的n-位寄存器,可以把尋址空間擴展到傳統的3個字節(24位)以上。主機可以使用一個專用指令寫寄存器(上電后寄存器進入00……0b默認狀態)。這樣,存儲器被外部視為n個以128Mb為單位的存儲段,該寄存器的內容可以對每個段進行尋址。

  擴展地址寄存器

  

  · 以傳統方式寫前3個地址字節(A[23:0]) (圖2給出一個讀存儲器模式操作示例)。

  

  ·第4個地址字節被預存在一個n位寄存器內。該寄存器具有以下特點:支持一條專用的寫指令(C5h);以協議速度通信,是一個邏輯寄存器(觸發器);默認條件(在上電后)是00h;在執行一條專用讀存儲器命令(C8h)后,可以查看寄存器內容;8位寄存器的最大尋址空間是32Gb,但是還可以擴展。

  擴展地址寄存器的控制命令如圖所示3 。

  

  實例分析

  1、以一個閃存為例:

  · 256Mb可以視為2個128Mb閃存模塊;

  

  

  ·所有默認操作都從最低有效位開始,除非EAR的0位被預置1。

  2 、以一個閃存為例:

  · 512Mb可以視為4個128Mb閃存模塊;

  

  

  ·所有默認操作都從最低有效位開始,除非EAR的1位和0位被預置01或10或11。

  3、在閃存內的快速讀操作示例

  第1種情況從第1個存儲塊開始尋址:

  · 開始串行輸入:0Bhex + 3個地址字節 + 1個假時鐘周期字節;

  · 輸出端將收到128Mb以下閃存的從所發送的3個地址開始的數據;

  ·如果芯片保持選擇狀態,地址數值在內部自動加1,輸出數據還能與超過128Mb的存儲空間關聯 (用同一個指令可以把整個 256Mb內容下載)。

  

  

  第2種情況從第2個存儲塊開始尋址:

  · 開始第1個串行輸入:WEAR指令(C5h) + 1個數據字節(xxxxxxx1b);

  ·開始第2個串行輸入:0Bhex + 3個地址字節 + 1個假時鐘周期字節;

  · 輸出端將收到128Mb以上閃存的從所發送的3個地址開始的數據;

  ·如果芯片保持選擇狀態,地址數值在內部自動加1,輸出數據還能與小于128Mb的存儲空間關聯 (存儲器地址反轉機制在整個 256Mb內有效);

  ·從現在起,發送的所有指令都與128Mb以上的空間關聯,直到發送一條新的WEAR指令(數據字節 = xxxxxxx0b)為止。

  

  

  本文小結

  從設計角度看,擴展地址寄存器是一個簡單的解決方案。它完全兼容現有的SPI協議,支持128Mb以上的尋址空間(存儲單元更小的閃存與超過128Mb的閃存可以共存在一條總線上,而且一個控制器可以訪問兩個存儲器);軟件修改量很小,硬件無需修改;存儲容量直接擴大到4G或更高。

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