痞子衡嵌入式：並行NOR接口標準(CFI-JESD68)及SLC Parallel NOR簡介

---

　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是CFI標準及SLC Parallel NOR。

　　NOR Flash是嵌入式世界裏最多見的存儲器，經常內嵌在微控制器裏(Parallel型)或外置做爲內存擴展(Serial型)，做爲代碼存儲器。對於嵌入式開發而言，NOR主要分爲兩大類：Serial NOR、Parallel NOR，最先出現的NOR是Parallel NOR，後來爲了簡化引腳數，逐漸發展出了Serial NOR，目前的格局是Serial NOR主要佔據低容量NOR市場（128Mb如下），而Parallel NOR主要佔據高容量NOR市場（128Mb以上），生產Parallel NOR的廠商有不少，但不管是哪一個廠商的Parallel NOR基本上都兼容CFI接口標準，這給軟件驅動開發帶來了便利。

1、CFI-JESD68標準由來

　　關於NOR Flash發展史，咱們知道早在1988年Intel便發表了NOR Flash結構，今後改變了由EPROM/EEPROM一統天下的局面。早期的NOR產品主要是Parallel NOR，做爲半導體行業領導大廠，爲了使NOR產品發展標準化，Intel於1996年制定了CFI 1.0標準（1.0版本屬於draft版本，正式版本是1997年發佈的1.1），CFI標準的存在是爲了讓Host可以從NOR Flash device中直接獲取製造商ID、設備ID、Flash大小以及各類物理特性，從而使得NOR Flash產品在先後兼容性上表現更好，軟件驅動設計也更加標準化。
　　鑑於CFI已慢慢發展成爲NOR Flash事實上的接口標準，JEDEC組織於1999年9月正式將CFI標準命名爲JESD68，下表是CFI-JESD68標準制定的時間關係：

時間	NOR標準	制定者
1996.07	CFI 1.0	Intel
1997.05	CFI 1.1	Intel
1999.09	JESD68	JEDEC
2001.12	CFI 2.0	AMD
2003.09	JESD68.01	JEDEC

Note: CFI-JESD68標準原則上是爲Parallel NOR制定的，可是部分Serial NOR也支持這一標準。

2、SLC Parallel NOR原理

2.1 Parallel NOR分類

　　從軟件驅動開發角度而言，Parallel NOR能夠從如下幾個方面進一步細分：

單元層數(bit/cell)：SLC（1bit/cell） / MLC（2bit/cell）
地址模式： ADP / ADM / AADM
數據線寬度：x8 / x16
信號線模式：Asynchronous / Synchronous
數據採集模式：SDR / DDR
接口標準：CFI

　　本文的主要研究對象是兼容CFI 2.0 (JESD68.01)標準的Asynchronous SDR SLC Parallel NOR Flash。

2.2 Parallel NOR內存模型

　　NOR內存單元從大到小通常分爲以下5層：Device、Block、Sector、Page、Byte，其中Byte、Page和Sector是必有的，由於Byte是讀取的最小單元（便可以任意地址隨機訪問），Page是編程的最小單元，Sector是擦除的最小單元，而Block則不是必有的（如沒有，可認爲Block=1）。

Note: 關於Block有一點須要特別說明，即NOR的RWW（Read While Write）特性，咱們知道NOR是能夠存儲代碼直接原地執行XIP的，若是在某個Block裏執行代碼（即CPU從NOR中讀取指令數據）的同時去擦除或編程這塊Block會發生什麼狀況呢？有些NOR是支持這種RWW操做的，但也有的NOR不支持RWW（此時會產生hardfault/lockup），Block的存在是爲了規避RWW問題，RWW問題的做用範圍是Block，若是某Block中執行代碼擦除/編程的是另外一塊Block，則徹底不用擔心RWW問題。

2.3 Parallel NOR信號與封裝

　　CFI手冊裏並無明確規定Parallel NOR信號線與封裝，但業界有默認的標準，從信號線角度來講NOR和SRAM基本是同樣的，以下是典型的Parallel NOR內部結構圖，除了內存單元外，還有三大組成，分別是控制單元、地址譯碼單元和輸出緩衝單元，信號線主要掛在這三大組成上，關於各信號線具體做用，請查閱相關文檔。

　　NOR芯片根據Flash size大小不一樣封裝也不盡相同，以經典的128Mb容量的ADP NOR芯片爲例，其封裝通常有三種TSOP-56, TFBGA-56, LFBGA-64，下圖是TSOP-56封裝信號分佈：

2.4 Parallel NOR接口命令

　　CFI手冊裏也沒有明確規定Parallel NOR接口命令，一樣地業界仍是有默認的標準，以下是從Micron MT28EW系列手冊裏截取的部分基本命令，包括Reset、Read、Read CFI、Program(Word program)、Buffer Program、Block(Sector) Erase，涵蓋讀寫擦最基本的三種操做，這些基本命令在主流廠商的NOR產品裏都被支持。此外，NOR還支持更多高級命令（Blank Check、security/protect相關，lower power相關等），那些命令因Device而異，不是本文討論重點。

　　除了讀寫擦這三個最基本命令外，還有一個Data Polling機制也很是經常使用，這個機制用於獲取命令（主要是Program/Erase）執行狀態與結果，當Program/Erase命令發給NOR device以後，NOR device是經過DQ[7:0]引腳來返回命令執行狀態的，各bit意義以下圖所示，簡單來講DQ3（Erase timer bit）代表操做的開始，DQ5（Error bit）代表操做過程當中是否發生硬件錯誤，DQ6（Toggle bit）代表操做是否結束。

　　下圖爲Toggle bit檢測的流程圖，這個檢測流程是最經常使用的，主要用於確認Program/Erase操做是否成功地執行了。

　　此外，還有一個必有命令不得不提，這個命令是Read CFI，用於獲取芯片內部存儲的出廠信息（包括內存結構、特性、其餘行爲參數等），這個query table最多由五部分組成，其結構已由CFI規定以下表，痞子衡已經圈出了一些重要信息，在設計NOR軟件驅動時，能夠經過獲取這個query table來作到代碼通用。

2.5 Parallel NOR數據速率

　　數據存取速率是個重要的技術指標，對於這個指標，CFI手冊裏並無定義，因此須要根據NOR Flash手冊裏的AC characteristics表來肯定。以異步模式Read命令爲例講解（以Micron生產的型號爲MT28EW128ABA爲例），下面是Read的兩種模式Random Read和Page Read完整時序簡圖：

　　從上述時序圖，咱們能夠知道Page Read平均數據率確定是比Random Read要高的，那麼這兩種數據率分別能達到多少呢？可繼續參看以下時序參數表，t_RC最小爲70ns，那麼Random Read數據率最大爲2Bytes/70ns = 228.571Mbps，而t_PAGE最大爲20ns，那麼Page Read的數據率最小爲2Bytes / 20ns = 800Mbps。（注：均以x16 Device爲例）

　　若是想快捷地瞭解NOR Flash的性能，最簡單的就是打開NOR Flash手冊，看首頁的feature介紹，以下是MT28EW128ABA的簡要feature：

• Single-level cell (SLC) process technology
• Density: 128Mb
• Supply voltage
  – VCC = 2.7–3.6V (program, erase, read)
  – VCCQ = 1.65 - VCC (I/O buffers)
• Asynchronous random/page read
  – Page size: 16 words or 32 bytes
  – Page access: 20ns
  – Random access: 70ns (VCC = VCCQ = 2.7-3.6V)
  – Random access: 75ns (VCCQ = 1.65-VCC)
• Buffer program (512-word program buffer)
  – 2.0 MB/s (TYP) when using full buffer program
  – 2.5 MB/s (TYP) when using accelerated buffer program (VHH)
• Word/Byte program: 25us per word (TYP)
• Block erase (128KB): 0.2s (TYP)
• Memory organization
  – Uniform blocks: 128KB or 64KW each
  – x8/x16 data bus
• CFI (Common Flash Interface) support

3、SLC Parallel NOR產品

　　最後痞子衡收集了能夠售賣SLC Parallel NOR芯片的廠商及產品系列：

廠商	芯片系列	官方網址
Micron	MT28EW, MT28FW	https://www.micron.com parallel-nor-part-catalog
Macronix	MX68GL MX29LA, MX29GL, MX29GA, MX29LV MX29VS, MX29NS, MX29SL, MX29F	http://www.macronix.com parallel-nor-part-catalog
Winbond	W29GL	http://www.winbond.com.tw parallel-nor-part-catalog
Spansion	S29GL, S29AL, S29AS, S29PL	http://www.cypress.com/ parallel-nor-part-catalog
ISSI	IS29GL	www.issi.com parallel-nor-part-catalog
Microchip	SST38VF, SST39VF	https://www.microchip.com parallel-nor-part-catalog

　　至此，CFI標準及SLC Parallel NOR痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~