基于SPIFI外設(shè)的Cortex-M MCU嵌入式閃存選型解決方案

新型恩智浦ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)(SPIFI，已申請專利)可以幫助32位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員以小尺寸、低成本的串行閃存替代大尺寸、高成本的并行閃存。利用SPIFI (讀音與spiffy諧音，意為“出色、整潔、漂亮”等——譯注)，外部串行閃存可以映射到微控制器內(nèi)存中，達(dá)到片上內(nèi)存讀取效果。新技術(shù)可以解決傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)外部閃存選型難題，為設(shè)計人員在保持系統(tǒng)性能的同時縮小尺寸及降低成本提供了一條新途徑。

　　目前恩智浦開發(fā)出一種新型外設(shè)接口技術(shù)，該技術(shù)在基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的最新LPC1800微控制器上已得到成功應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員利用該技術(shù)可將串行閃存取代并行閃存，縮小封裝尺寸，降低系統(tǒng)成本。這種稱為SPI閃存接口(SPIFI)的技術(shù)目前已申請專利，通過該技術(shù)可將外部串行閃存映射到微控制器內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)片上內(nèi)存讀取效果。SPIFI為設(shè)計人員提供了一種創(chuàng)新解決方案，在保持系統(tǒng)性能的同時達(dá)到簡化配置、縮小封裝體積、減少板載空間占用和節(jié)約系統(tǒng)成本的目的。

　　外部閃存的作用

　　采用32位微控制器(MCU)的嵌入式應(yīng)用目前越來越復(fù)雜，需要完成多媒體、照片和其他各種數(shù)據(jù)密集型內(nèi)容的管理任務(wù)。特別是人機(jī)接口系統(tǒng)，用戶現(xiàn)在都希望有圖形顯示，通過窗口、圖片、動畫、聲音和其他多媒體方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。此外，隨著市場的國際化，產(chǎn)品需要滿足多國語言要求，支持各種字母和字符。所有這些都對系統(tǒng)存儲資源提出了更高要求。

　　大部分32位微控制器都配有片上閃存，用于支持各種數(shù)據(jù)密集型功能，但是這種內(nèi)存容量有限，通常無法滿足整體應(yīng)用要求。片上閃存通常不足1Mb，雖然能夠解決主要應(yīng)用代碼存儲，卻無法滿足其他應(yīng)用資料的保存要求，比如：查找表單、圖像、照片、聲音文件、多國語言等。為此，設(shè)計人員通常要使用外部閃存。

　　與片上閃存相比，外部閃存成本要低很多，而且通常都有8Mb以上的現(xiàn)貨。使用外部閃存可以增加系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)運(yùn)行時能夠更新升級軟件。

　　并行閃存與串行閃存的艱難選擇

　　對于外部閃存選型(串行和并行)，設(shè)計人員通常要綜合評估，折衷考慮。并行閃存的速度通常比串行閃存快，但需要使用更多管腳、PCB布線和板載空間。

　　圖1給出了串行和并行閃存典型的數(shù)據(jù)傳輸速率。對于并行閃存，圖中假定無緩沖，固定存取時間為90ns?；谏鲜鰲l件，16位并行閃存的最大傳輸速率22Mb/s。對于串行閃存，最大時鐘頻率80MHz的每位傳輸速率為80Mb/s，四通道串行閃存最大傳輸速率為40Mb/s。雖然該計算忽略了控制位，但四通道SPI閃存支持burst位，而SPIFI接口支持該功能，因此SPIFI接口可以達(dá)到上述傳輸速率。

　　圖1：串行和并行閃存的典型傳輸速率。

　　如圖1所示，典型的16位并行閃存每秒傳輸速率為20Mb。對于使用32位微控制器和32位外部閃存通信總線的系統(tǒng)(如恩智浦產(chǎn)品)，設(shè)計人員可以選擇使用兩個16位并行閃存達(dá)到40Mb/s的傳輸速率。但是，增加速度的同時也會增加成本。這種配置使用兩個獨(dú)立的并行閃存，每個閃存有數(shù)十個封裝管腳，無論是封裝尺寸、管腳數(shù)量，還是PCB空間占用，都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計人員的承受范圍。

　　串行閃存通常使用簡單的四針串行外設(shè)接口(SPI),從空間占用、功耗和成本等因素考慮是并行閃存的理想替代產(chǎn)品，但是傳輸速率非常低。通過圖1我們可以看到典型SPI閃存50MHz的傳輸速率僅為5Mb/s，而采用兩個16位并行閃存配置系統(tǒng)的傳輸速率是其8倍。另一個問題就是大多數(shù)微控制器SPI接口都與MCU外設(shè)矩陣連接，處理器訪問數(shù)據(jù)前必須先由驅(qū)動器代碼接收到內(nèi)容并保存在板載RAM中。由于每次讀取串行閃存都要通過SPI軟件層，因此速度無法提高。對于采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的外部閃存應(yīng)用，速度可能無法滿足要求。

　　新型四通道SPI閃存采用改進(jìn)的6針SPI配置，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的SPI接口。如圖1所示，四通道SPI每秒最大傳輸速率可達(dá)40Mb，與兩個16位并行閃存速度相當(dāng)。由于減少了管腳數(shù)量和封裝尺寸，與并行方案相比，四通道SPI串行閃存可有效降低成本。雖然四通道SPI閃存完全可替代嵌入式系統(tǒng)中的并行閃存，但目前32位微控制器設(shè)計并不支持四通道SPI閃存的最大傳輸速率。這主要是因為四通道SPI接口與傳統(tǒng)的SPI接口連接方式相同，直接連接了微控制器外設(shè)矩陣。