单片机上搭配的SPI NOR FLASH容量告急！扩容新选择

news2024/12/23 22:38:56

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前言：
正文：

为便于理解并省去容量单位转换的麻烦，以下容量单位均使用Byte单位（128Mbit=16MByte）

前言：

NOR FLASH 是市场上两种主要的非易失闪存技术之一。Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术(实际上是东芝的富士雄率先开发出来的)，彻底改变了原先由EPROM(Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器)和EEPROM(电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多，在设计中应该考虑这些情况。

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这个图是一个存储单元的基本模型，中间红色的浮置栅极是一个金属片，能够存放电荷。可以简化为下图：

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去掉浮置栅极就是一个标准的MOS管，通过给控制栅极加上电压，让在D和S之间流通的电子，隧穿到浮置栅极中存储起来，达到了掉电不会丢失数据（电子/电荷）的功能。
上图就是浮栅晶体管大致的组成图，是在NMOS的基础上在控制栅极下的绝缘层之间加入了一层浮栅层，用于储存电子。
其中与沟道接近的绝缘层二氧化硅厚度比较薄，电子在比价大的电场作用下，会隧穿进入浮栅层。
在写入电子时，在控制栅极施加相对于衬底高压时，离子井的电子被吸引并隧穿进入浮栅层被存储在其中，如果撤销电压之后，因为浮栅层被绝缘层包裹，浮栅层电子还是存储在这个部位，此状态计为逻辑0。

在擦除电子时，需要在衬底加一个相对于栅极的高压，浮栅层存储的电子就会在电场作用下隧穿回到下面的P型半导体里。

了解了存储的基本构成，下面我们再来看看存储的应用。

正文：

随着物联网的兴起，MCU的应用也越来越广泛了，以前基本上用内置的EEPROM或者外置小容量NOR Flash就可以满足大部分需求，随着技术发展和应用要求的提高，逐渐的MCU需要实现的功能也越来越多，实现更多功能的同时需要存储的数据量也在增大，比如系统增大、存储音频、图片（GUI）、视频缓存、协议栈等等…
　　
　　一般情况下NOR FLASH的用户在容量不够用时直接升级为更高一级容量的NOR FLASH 就可以了，不过也有二般情况，由于NOR的单元结构相对较大的原因，当容量达到一定程度时性价比会异常的低，结合生产工艺和目前的市场情况来看，16MB是一个分水岭，比16MB NOR Flash大一级的32MB NOR Flash 的价格相对于16MB NOR Flash 高出一大截，甚至比128MB的NAND Flash还要贵，雪上加霜的是这货供应状况还不佳，即使能接受32MB NOR Flash的价格并且把方案也开发好了，前期调试和试产都通过了，等到正式量产的时候买不到货… 就可能会错过整机产品销售的最佳时机。
　　
　　这个时候有人会说：这些我都知道啊！我也想用NAND Flash啊！不过我的MCU不！支！持！NAND Flash啊！难不成我还要换平台从头再开发？
　　
　　非也，今时不同往日，有个叫SD NAND的东东可供选择，NAND 架构、SD协议，只要是支持SD2.0 协议的MCU均可以使用。正常情况下使用SPI 模式，如果需要更快的速度并且IO口够用时可以使用SD模式。内置ECC、坏块管理、均衡擦写等等功能，这意味着用户不需要额外写驱动来管理NAND ,当然性能弱的MCU也做不到^^

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SD NAND的更多信息可以参考下列文章
　　
　　传送门: 技术问答-什么是SD NAND？ (longsto.com)
　　
　　由于SD NAND存储单元使用的是NAND 架构，所以NAND 持有的基础特性也继承了下来，SD NAND在这个基础上进一步做了优化，使得易用性和应用兼容性上大大提升。
　　
　　我们先看一看NOR 与 NAND的区别都有哪些。
　　
　　1.NOR Flash支持随机访问，所以支持XIP(execute In Place)，NAND Flash需要按块进行读取，所以不支持XIP 。
　　
　　2.NAND FLASH理论读取速度与NOR Flash相近，实际情况会根据接口不同有些差异。
　　
　　3.NOR 与 NAND 写入前都需要先擦除，NOR在擦除时以64～128KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约5s，NAND在擦除时以8～32KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约4ms。
　　
　　4.NAND 理论最大擦除次数比NOR多
　　
　　5.NOR 驱动比NAND简单，NAND FLASH需要通过专门的NFI（NAND FLASH Interface）与Host端进行通信，驱动相对复杂。
　　
　　6.所有Flash 都会有位反转的问题，NAND 位反转概率要比NOR高，NAND Flash 必须要使用ECC。
　　
　　7.NAND的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，所以NAND成本更低。

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总结： NOR 与 NAND 各有特点，应用场景与应用难度也不同，SD NAND 在保留了NAND架构优质特性的同时改进了不足之处，内置的控制器能自行管理NAND Flash，用户无需在外部处理ECC和进行坏块管理，免去了MTD层，用户不需要写繁琐的驱动代码。这些特性也使得NOR用户升级NAND 成为可能。
　　
　　插播广告^^：CS创世现提供128MB,512MB,4GB 等容量，同时提供商业级和工业级可选项，用户根据自身需求选择即可。
　　
　　128MB 详情页：128MB SD NAND
　　
　　PS. 除了SD NAND 之外还有一种次选升级方案，那就是使用TF卡，不过这种解决方案需要看具体应用环境。SD NAND 与TF卡对比资料可以参考下列文章，希望大家能找到适合自己的产品。
　　
　　传送门：SD NAND与TF卡的区别-技术问答 (longsto.com)
　　
退路. 如果因为某些原因暂时无法升级SD NAND 时，也可以考虑下列高性价比 NOR FLASH，目前有8MB(64Mbit）、16MB(128Mbit）容量可供选择，有兴趣的朋友可以跳转到产品详情页查看。

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