[图]基于SPIFI外设的Cortex-M MCU嵌入式闪存选型解决方案
目前恩智浦开发出一种新型外设接口技术，该技术在基于ARM Cortex-M3内核的最新LPC1800微控制器上已得到成功应用。嵌入式系统设计人员利用该技术可将串行闪存取代并行闪存，缩小封装尺寸，降低系统 成本。这种称为SPI闪存接口(SPIFI)的技术目前已申请专利，通过该技术可将外部串行闪存映射到微控制器内存，实现片上内存读取效果。SPIFI为 设计人员提供了一种创新解决方案，在保持系统性能的同时达到简化配置、缩小封装体积、减少板载空间占用和节约系统成本的目的。
外部闪存的作用
采用32位微控制器(MCU)的嵌入式应用目前越来越复杂，需要完成多媒体、照片和其他各种数据密集型内容的管理任务。特别是人机接口系统，用 户现在都希望有图形显示，通过窗口、图片、动画、声音和其他多媒体方式实现人机对话。此外，随着市场的国际化，产品需要满足多国语言要求，支持各种字母和 字符。所有这些都对系统存储资源提出了更高要求。
大部分32位微控制器都配有片上闪存，用于支持各种数据密集型功能，但是这种内存容量有限，通常无法满足整体应用要求。片上闪存通常不足 1Mb，虽然能够解决主要应用代码存储，却无法满足其他应用资料的保存要求，比如：查找表单、图像、照片、声音文件、多国语言等。为此，设计人员通常要使 用外部闪存。
与片上闪存相比，外部闪存成本要低很多，而且通常都有8Mb以上的现货。使用外部闪存可以增加系统灵活性，系统运行时能够更新升级软件。
并行闪存与串行闪存的艰难选择
对于外部闪存选型(串行和并行)，设计人员通常要综合评估，折衷考虑。并行闪存的速度通常比串行闪存快，但需要使用更多管脚、PCB布线和板载空间。
图1给出了串行和并行闪存典型的数据传输速率。对于并行闪存，图中假定无缓冲，固定存取时间为90ns。基于上述条件，16位并行闪存的最大传 输速率22Mb/s。对于串行闪存，最大时钟频率80MHz的每位传输速率为80Mb/s，四通道串行闪存最大传输速率为40Mb/s。虽然该计算忽略了 控制位，但四通道SPI闪存支持burst位，而SPIFI接口支持该功能，因此SPIFI接口可以达到上述传输速率。
图1：串行和并行闪存的典型传输速率。
如图1所示，典型的16位并行闪存每秒传输速率为20Mb。对于使用32位微控制器和32位外部闪存通信总线的系统(如恩智浦产品)， 设计人员可以选择使用两个16位并行闪存达到40Mb/s的传输速率。但是，增加速度的同时也会增加成本。这种配置使用两个独立的并行闪存，每个闪存有数 十个封装管脚，无论是封装尺寸、管脚数量，还是PCB空间占用，都会远远超出设计人员的承受范围。
串行闪存通常使用简单的四针串行外设接口(SPI),从空间占用、功耗和成本等因素考虑是并行闪存的理想替代产品，但是传输速率非常低。通过图 1我们可以看到典型SPI闪存50MHz的传输速率仅为5Mb/s，而采用两个16位并行闪存配置系统的传输速率是其8倍。另一个问题就是大多数微控制器 SPI接口都与MCU外设矩阵连接，处理器访问数据前必须先由驱动器代码接收到内容并保存在板载RAM中。由于每次读取串行闪存都要通过SPI软件层，因 此速度无法提高。对于采用标准SPI接口的外部闪存应用，速度可能无法满足要求。
新型四通道SPI闪存采用改进的6针SPI配置，数据传输速率远高于传统的SPI接口。如图1所示，四通道SPI每秒最大传输速率可达 40Mb，与两个16位并行闪存速度相当。由于减少了管脚数量和封装尺寸，与并行方案相比，四通道SPI串行闪存可有效降低成本。虽然四通道SPI闪存完 全可替代嵌入式系统中的并行闪存，但目前32位微控制器设计并不支持四通道SPI闪存的最大传输速率。这主要是因为四通道SPI接口与传统的SPI接口连 接方式相同，直接连接了微控制器外设矩阵。
解决外部闪存选型难题
恩智浦新开发的SPI闪存接口(SPIFI)可以彻底解决并行/串行闪存的选型困扰。已申请专利的SPIFI外设可以将低成本SPI和新型四通 道SPI闪存映像到ARM Cortex-M3内存中。与外部并行闪存方案相比，使用SPI外部闪存的MCU性能损失非常小。由于外部SPI闪存完整的内存空间可以映像到MCU内存 中，微控制器对外部闪存直接访问，无需使用软件API或库。
例如，使用四通道SPI闪存，SPIFI外设传输速率可达40Mb/s。设计人员可以选择更便宜的SPI闪存器件，在保证性能的基础上缩小脚位 尺寸，简化配置。由于系统无需针对外部并行闪存使用庞大的接口设计，设计人员还可以选择体积更小、成本更低的微控制器。嵌入式系统采用SPIFI外设可以 提高内存资源利用率，缩小尺寸，提高效率，降低系统总成本。
SPIFI外设是恩智浦LPC1800系列ARM Cortex-M3微控制器率先采用的一种专用技术。此外，即将面市的新产品还包括低成本Cortex-M0系列和Cortex M4数字符串行控制器(DSC)。
SPIFI支持目前市场上大部分串行闪存器件(含四通道读/写产品)，配置编程非常简便，采用4/6引脚设计(取决于串行闪存类型)，支持小型寄存器组，优化内存事务，其软件指令可降低CPU开销，提高内存数据交换效率。
SPIFI工作原理
图2给出了SPIFI外设的功能框图。SPIFI功能块与微控制器应用的高速总线(AHB)矩阵连接，后者主要用于处理器内核和片上内存。 SPIFI将外部SPI闪存内容映射到微控制器内存中。当片上ROM启动代码激活SPIFI接口后，外部SPI内存与核心处理单元上的片上内存功能完全相 似。
图2：SPIFI外设功能框图。
初始化序列
SPFI接口的所有驱动程序全部保存在ROM中。对于读取操作，只需一个例程调用指令即可启动SPIFI外设。初始化序列结束后，整个SPI闪 存可以象正常内存一样由处理器和/或DMA通道按字节、半字、整字访问。擦除和编程通过简单的API指令访问ROM命令调用即可，因此，使用外部SPI闪 存与片上内存几乎没有差别。
从SPIFI启动
对于需要微控制器从外部串行闪存启动的系统，恩智浦LPC1800微控制器已配置了SPIFI启动功能。启动源的选择有两种方法：第一种是使用微控制器引脚确定启动源的接口;第二种由用户在非易失性内存中编程选择启动接口。使用非易失性内存编程可保留引脚的双重功能。
物理接口
图3给出了SPIFI外设的物理接口。本示例对于传统SPI闪存采用了标准的4引脚配置，如果是四信道SPI闪存，还需要增加两个引脚以支持四信道功能。
图3：SPIFI外设物理接口。
不同的串行闪存厂商和产品需要不同的命令和命令格式。SPIFI外设为此提供了足够的支持，可兼容大部分SPI闪存及衍生产品，确保今后产品的兼容性。
小寄存器组
SPIFI外设小寄存器组既保证了接口的功能又简化了操作，通过8个寄存器控制SPIFI功能，连接外部SPI闪存，保存和检索数据以及监控操 作。由于设置、编程、擦除等工作均由集成的ROM API处理，因此外部SPI内存操作只需要几个简单的调用命令。总体来看，SPIFI外设配置简单，应用方便。
软件命令
当软件读取内存映射的串行闪存内容时，外部闪存可以识别并接受微控制器软件发送的和SPIFI外设自动发送的命令。这些命令可分为操作代码、地 址、中间和数据等字段，其中。地址、中间和数据字段为可选字段，这主要取决于操作代码。部分闪存支持“读”命令解释操作代码模式，以提高系统性能。根据操 作代码不同，数据字段可进一步分为输入和输出数据字段。所有发送到外部SPI闪存的命令都可以通过调用ROM API指令进行处理。SPIFI ROM API驱动器允许通过简单的加载命令访问外部SPI闪存内容，保证应用操作代码延续其紧凑和易写的特点。
独立于CPU的运行
SPIFI软件可读取外部闪存数据，并将其写入RAM或外设，无需CPU支持。比如，对于集成LCD控制器的微控制器，此功能可以提高系统性 能，节约功耗。外部闪存可以保存图像并通过LCD控制器读取。由于LCD控制器大多数按地址顺序读取数据，SPIFI外设可根据需要预先获取地址，无需等 待。整个操作无需CPU参与，也不用将图像加载到片上RAM，而由LCD控制器直接获取。因此，系统对微控制器片上RAM的容量要求不高，或者可将现有 RAM释放出来用于完成其他任务。由于LCD控制器直接获取图像，LCD显示屏图像刷新速度更快，简单的开关窗口等操作显得更加平滑流畅。另外，为降低功 耗，系统还可以使用低时钟速率运行，不会对显示性能有太大影响。
直接执行代码
从软件的角度看，微控制器可以直接执行外部SPI闪存中的代码。直接执行代码有利于在线升级或者更新片上闪存的出厂功能。外部闪存可以存放通过 验证的升级代码。例如，如果系统功能地址保存在片上闪存的表单中，通过外部闪存的例程地址即可对该表单重新编程。或者，如果包含原始例程起始信息的内存页 保存在片上闪存中，通过外部分支长跳转到外部闪存的新例程即可更新内存页。对于上述两例，由于SPIFI外设可以实现外部闪存代码直接执行，因此新代码无 需加载到片上RAM。
通过外部闪存执行代码的速度远不及片上内存。SPIFI外设设计并非针对需要峰值性能的实时运行功能，但是对于执行非关键代码序列，SPIFI具有很大的吸引力。
写/执行并行操作功能
SPIFI支持写功能和执行功能同时进行，换句话说，即使处理器正在执行片上闪存代码，也可以快速方便地对外部闪存进行编程和擦除。由于SPIFI外设可以独立运行，不受CPU影响，因此在外部串行闪存编程的同时，系统可以继续执行相关任务。
由于系统在执行关键应用代码的同时可以对外部闪存进行写操作，因此该功能可用于在线软件更新。例如，智能电表即使在更新软件时也需要不间断工 作。利用SPIFI，公用工程公司可以配置系统，向外部闪存写入任何代码，无需中断智能电表的计量工作，最后再将新代码集成到系统中。同样，对于使用 USB端口的系统，新代码可以先保存在便携式USB驱动器中，再传输到外部闪存，无需中断重要操作。
本文小结
恩智浦LPC1800 ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI闪存接口技术可以将外部闪存映射到微控制器内存中，实现片上内存功能。此项技术为设计人员带来更多的外置闪存选择机会，同时降低系统成本，缩小封装尺寸。
SPIFI外设为设计人员提供了一种新的解决方案，可以利用低成本串行闪存替代昂贵的并行闪存，在缩小尺寸的同时仍能保证系统性能。串行闪存的 低成本、小尺寸和简化配置等众多优势从此得以应用，而对系统性能的影响非常小。利用SPIFI，设计人员还可以选择无并行接口的微控制器，以小型低成本设 计实现所需性能。
恩智浦计划将SPIFI技术推广到其他Cortex-M产品上，包括低端Cortex-M0和即将上市的Cortex-M4数字信号控制器(DSC)。
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