基于SPIFI外設(shè)的Cortex-M MCU徹底解決嵌入式閃存選型困擾

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現(xiàn)人機對話。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，都會遠遠超出設(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。對于采用標準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閃存采用改進的6針SPI配置，數(shù)據(jù)傳輸速率遠高于傳統(tǒng)的SPI接口。如圖1所示，四通道SPI每秒最大傳輸速率可達40Mb，與兩個16位并行閃存速度相當。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。

解決外部閃存選型難題

恩智浦新開發(fā)的SPI閃存接口(SPIFI)可以徹底解決并行/串行閃存的選型困擾。已申請專利的SPIFI外設(shè)可以將低成本SPI和新型四通道SPI閃存映像到ARM Cortex-M3內(nèi)存中。與外部并行閃存方案相比，使用SPI外部閃存的MCU性能損失非常小。由于外部SPI閃存完整的內(nèi)存空間可以映像到MCU內(nèi)存中，微控制器對外部閃存直接訪問，無需使用軟件API或庫。

例如，使用四通道SPI閃存，SPIFI外設(shè)傳輸速率可達40Mb/s。設(shè)計人員可以選擇更便宜的SPI閃存器件，在保證性能的基礎(chǔ)上縮小腳位尺寸，簡化配置。由于系統(tǒng)無需針對外部并行閃存使用龐大的接口設(shè)計，設(shè)計人員還可以選擇體積更小、成本更低的微控制器。嵌入式系統(tǒng)采用SPIFI外設(shè)可以提高內(nèi)存資源利用率，縮小尺寸，提高效率，降低系統(tǒng)總成本。

SPIFI外設(shè)是恩智浦LPC1800系列ARM Cortex-M3微控制器率先采用的一種專用技術(shù)。此外，即將面市的新產(chǎn)品還包括低成本Cortex-M0系列和Cortex M4數(shù)字符串行控制器(DSC)。

SPIFI支持目前市場上大部分串行閃存器件(含四通道讀/寫產(chǎn)品)，配置編程非常簡便，采用4/6引腳設(shè)計(取決于串行閃存類型)，支持小型寄存器組，優(yōu)化內(nèi)存事務(wù)，其軟件指令可降低CPU開銷，提高內(nèi)存數(shù)據(jù)交換效率。

SPIFI工作原理

圖2給出了SPIFI外設(shè)的功能框圖。SPIFI功能塊與微控制器應(yīng)用的高速總線(AHB)矩陣連接，后者主要用于處理器內(nèi)核和片上內(nèi)存。SPIFI將外部SPI閃存內(nèi)容映射到微控制器內(nèi)存中。當片上ROM啟動代碼激活SPIFI接口后，外部SPI內(nèi)存與核心處理單元上的片上內(nèi)存功能完全相似。

圖2：SPIFI外設(shè)功能框圖。

初始化序列

SPFI接口的所有驅(qū)動程序全部保存在ROM中。對于讀取操作，只需一個例程調(diào)用指令即可啟動SPIFI外設(shè)。初始化序列結(jié)束后，整個SPI閃存可以象正常內(nèi)存一樣由處理器和/或DMA通道按字節(jié)、半字、整字訪問。擦除和編程通過簡單的API指令訪問ROM命令調(diào)用即可，因此，使用外部SPI閃存與片上內(nèi)存幾乎沒有差別。

從SPIFI啟動

對于需要微控制器從外部串行閃存啟動的系統(tǒng)，恩智浦LPC1800微控制器已配置了SPIFI啟動功能。啟動源的選擇有兩種方法：第一種是使用微控制器引腳確定啟動源的接口；第二種由用戶在非易失性內(nèi)存中編程選擇啟動接口。使用非易失性內(nèi)存編程可保留引腳的雙重功能。

物理接口

圖3給出了SPIFI外設(shè)的物理接口。本示例對于傳統(tǒng)SPI閃存采用了標準的4引腳配置，如果是四信道SPI閃存，還需要增加兩個引腳以支持四信道功能。

圖3：SPIFI外設(shè)物理接口。

不同的串行閃存廠商和產(chǎn)品需要不同的命令和命令格式。SPIFI外設(shè)為此提供了足夠的支持，可兼容大部分SPI閃存及衍生產(chǎn)品，確保今后產(chǎn)品的兼容性。

小寄存器組

SPIFI外設(shè)小寄存器組既保證了接口的功能又簡化了操作，通過8個寄存器控制SPIFI功能，連接外部SPI閃存，保存和檢索數(shù)據(jù)以及監(jiān)控操作。由于設(shè)置、編程、擦除等工作均由集成的ROM API處理，因此外部SPI內(nèi)存操作只需要幾個簡單的調(diào)用命令?？傮w來看，SPIFI外設(shè)配置簡單，應(yīng)用方便。

軟件命令

當軟件讀取內(nèi)存映射的串行閃存內(nèi)容時，外部閃存可以識別并接受微控制器軟件發(fā)送的和SPIFI外設(shè)自動發(fā)送的命令。這些命令可分為操作代碼、地址、中間和數(shù)據(jù)等字段，其中。地址、中間和數(shù)據(jù)字段為可選字段，這主要取決于操作代碼。部分閃存支持“讀”命令解釋操作代碼模式，以提高系統(tǒng)性能。根據(jù)操作代碼不同，數(shù)據(jù)字段可進一步分為輸入和輸出數(shù)據(jù)字段。所有發(fā)送到外部SPI閃存的命令都可以通過調(diào)用ROM API指令進行處理。SPIFI ROM API驅(qū)動器允許通過簡單的加載命令訪問外部SPI閃存內(nèi)容，保證應(yīng)用操作代碼延續(xù)其緊湊和易寫的特點。

獨立于CPU的運行

SPIFI軟件可讀取外部閃存數(shù)據(jù)，并將其寫入RAM或外設(shè)，無需CPU支持。比如，對于集成LCD控制器的微控制器，此功能可以提高系統(tǒng)性能，節(jié)約功耗。外部閃存可以保存圖像并通過LCD控制器讀取。由于LCD控制器大多數(shù)按地址順序讀取數(shù)據(jù)，SPIFI外設(shè)可根據(jù)需要預(yù)先獲取地址，無需等待。整個操作無需CPU參與，也不用將圖像加載到片上RAM，而由LCD控制器直接獲取。因此，系統(tǒng)對微控制器片上RAM的容量要求不高，或者可將現(xiàn)有RAM釋放出來用于完成其他任務(wù)。由于LCD控制器直接獲取圖像，LCD顯示屏圖像刷新速度更快，簡單的開關(guān)窗口等操作顯得更加平滑流暢。另外，為降低功耗，系統(tǒng)還可以使用低時鐘速率運行，不會對顯示性能有太大影響。

直接執(zhí)行代碼

從軟件的角度看，微控制器可以直接執(zhí)行外部SPI閃存中的代碼。直接執(zhí)行代碼有利于在線升級或者更新片上閃存的出廠功能。外部閃存可以存放通過驗證的升級代碼。例如，如果系統(tǒng)功能地址保存在片上閃存的表單中，通過外部閃存的例程地址即可對該表單重新編程?；蛘?，如果包含原始例程起始信息的內(nèi)存頁保存在片上閃存中，通過外部分支長跳轉(zhuǎn)到外部閃存的新例程即可更新內(nèi)存頁。對于上述兩例，由于SPIFI外設(shè)可以實現(xiàn)外部閃存代碼直接執(zhí)行，因此新代碼無需加載到片上RAM。

通過外部閃存執(zhí)行代碼的速度遠不及片上內(nèi)存。SPIFI外設(shè)設(shè)計并非針對需要峰值性能的實時運行功能，但是對于執(zhí)行非關(guān)鍵代碼序列，SPIFI具有很大的吸引力。

寫/執(zhí)行并行操作功能

SPIFI支持寫功能和執(zhí)行功能同時進行，換句話說，即使處理器正在執(zhí)行片上閃存代碼，也可以快速方便地對外部閃存進行編程和擦除。由于SPIFI外設(shè)可以獨立運行，不受CPU影響，因此在外部串行閃存編程的同時，系統(tǒng)可以繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

由于系統(tǒng)在執(zhí)行關(guān)鍵應(yīng)用代碼的同時可以對外部閃存進行寫操作，因此該功能可用于在線軟件更新。例如，智能電表即使在更新軟件時也需要不間斷工作。利用SPIFI，公用工程公司可以配置系統(tǒng)，向外部閃存寫入任何代碼，無需中斷智能電表的計量工作，最后再將新代碼集成到系統(tǒng)中。同樣，對于使用USB端口的系統(tǒng)，新代碼可以先保存在便攜式USB驅(qū)動器中，再傳輸?shù)酵獠块W存，無需中斷重要操作。

本文小結(jié)

恩智浦LPC1800 ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)可以將外部閃存映射到微控制器內(nèi)存中，實現(xiàn)片上內(nèi)存功能。此項技術(shù)為設(shè)計人員帶來更多的外置閃存選擇機會，同時降低系統(tǒng)成本，縮小封裝尺寸。

SPIFI外設(shè)為設(shè)計人員提供了一種新的解決方案，可以利用低成本串行閃存替代昂貴的并行閃存，在縮小尺寸的同時仍能保證系統(tǒng)性能。串行閃存的低成本、小尺寸和簡化配置等眾多優(yōu)勢從此得以應(yīng)用，而對系統(tǒng)性能的影響非常小。利用SPIFI，設(shè)計人員還可以選擇無并行接口的微控制器，以小型低成本設(shè)計實現(xiàn)所需性能。

恩智浦計劃將SPIFI技術(shù)推廣到其他Cortex-M產(chǎn)品上，包括低端Cortex-M0和即將上市的Cortex-M4數(shù)字信號控制器(DSC)。

作者：Rob Cosaro

系統(tǒng)、應(yīng)用和架構(gòu)經(jīng)理

Gene Carter

微控制器事業(yè)部國際產(chǎn)品經(jīng)理