物聯網系統中為什么要使用SPI NOR FLASH

物聯網系統中使用SPI NOR FLASH的原因主要基于其獨特的性能特點和在嵌入式系統中的廣泛應用。以下是詳細的分析：

1、高可靠性與低時延

SPI NOR FLASH存儲器在初始響應和啟動時提供高可靠性，并具有低時延。這一特性對于物聯網設備至關重要，因為物聯網設備通常需要快速啟動并穩定運行，以確保數據的實時傳輸和處理。

2、直接執行代碼的能力

SPI NOR FLASH適合存儲代碼并直接執行。它的地址線和數據線分開，可以按字節讀寫數據，符合CPU的指令譯碼執行要求。這意味著如果SPI NOR FLASH上存儲了代碼指令，CPU可以直接從中讀取并執行，無需額外的處理操作，從而提高了系統的運行效率。

3、優秀的耐用性和數據保留能力

SPI NOR FLASH具有較長的使用壽命和數據保留能力。一些產品具有高達100K編程/擦除（P/E）周期的耐用性和長達10年的數據保留能力。這對于需要長期穩定運行和數據安全性的物聯網設備來說是非常重要的。

4、靈活的接口和配置選項

SPI NOR FLASH通過SPI接口進行數據傳輸，這是一種高速同步串行接口，支持全雙工、單工以及半雙工傳輸方式。這使得SPI NOR FLASH可以與多種類型的微控制器（MCU）和處理器無縫連接，并提供靈活的接口和配置選項。

5、功耗管理

某些SPI NOR FLASH組件上設有深度節能與待機模式，可以在配置完成后通過將SPI NOR FLASH組件置于低功耗狀態來幫助降低功耗。這對于需要長時間運行的物聯網設備來說是非常有益的。

6、耐環境挑戰

物聯網設備經常需要在各種惡劣的環境條件下運行，如高溫、低溫、潮濕等。SPI NOR FLASH組件通常具有較高的耐溫范圍，可以承受這些惡劣的環境條件，確保設備的穩定運行。

7、廣泛的應用場景

SPI NOR FLASH被廣泛應用于嵌入式系統中，如Bootloader、操作系統內核等程序的存儲。在物聯網系統中，這些程序是設備啟動和運行的基礎，因此使用SPI NOR FLASH可以確保這些程序的安全存儲和快速執行。

具體應用場景

作為初始代碼的載體，NOR被廣泛應用于各個智能化領域。主板BIOS、數字機頂盒、家庭網關、路由器、loT、汽車電子、穿戴式設備、安防監控、人工智能等領域的代碼存儲媒介中都有NOR。其中，智能穿戴、AMOLED屏、手機攝像、loT設備、汽車電子、5G基站、增強現實、虛擬現實具備較大增長空間。

綜上所述，物聯網系統中使用SPI NOR FLASH的原因主要包括其高可靠性、低時延、直接執行代碼的能力、廣泛的應用場景、優秀的耐用性和數據保留能力、靈活的接口和配置選項、功耗管理以及耐環境挑戰等特性。這些特性使得SPI NOR FLASH成為物聯網系統中不可或缺的存儲解決方案。

本文會再為大家詳解存儲器件家族中的一員——PI NOR FLASH芯片

SPI NOR FLASH芯片的定義

NOR FLASH 是很常見的一種存儲芯片，數據掉電不會丟失。NOR FLASH支持Execute ON Chip，即程序可以直接在FLASH片內執行。這點和NAND FLASH不一樣。因此，在嵌入是系統中，NOR FLASH很適合作為啟動程序的存儲介質。

NOR Flash是一類采用“或非”邏輯門電路，能夠被電子刪除和重編的電子非易失性計算機存儲媒介。

閃存(Flash)的存儲單元是三端器件，分別是源極、漏極和柵極。由于柵極和硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，使得浮置柵極中的電荷不會泄露，所以閃存具有記憶能力。

2 NOR Flash和NAND Flash的區別

閃存是一種電壓控制型器件,閃存將信息存儲在由浮柵晶體管制成的存儲單元中。

NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進行充電(寫數據)或放電(擦除數據),在NAND閃存中，幾個存儲器單元(通常是8個單元)串聯連接，類似于NAND門。

NOR型閃存擦除數據仍是基于隧道效應(電流從浮置柵極到硅基層)，但在寫入數據時則是采用熱電子注入方式(電流從浮置柵極到源極)。在NOR閃存中，每個存儲器單元的一端連接到源極線，另一端直接連接到類似于NOR門的位線。

NOR和NAND均屬于Flash。但因NOR偏重于性能和可靠性，而不具備成本優勢等差異，導致NAND成為主流的大容量數據存儲器，NOR主要應用于系統啟動代碼和特定只讀信息系的存儲，屬于利基型存儲市場。

NOR FLASH的讀取和RAM很類似，但不可以直接進行寫操作。對NOR FLASH的寫操作需要遵循特定的命令序列，最終由芯片內部的控制單元完成寫操作。從支持的最小訪問單元來看，NOR FLASH一般分為 8 位的和16位的(當然，也有很多NOR FLASH芯片同時支持8位模式和是16 位模式，具體的工作模式通過特定的管腳進行選擇) 。 對8位的 NOR FLASH芯片，或是工作在8-BIT模式的芯片來說，一個地址對應一個BYTE(8-BIT)的數據。例如一塊8-BIT的NOR FLASH，假設容量為4個 BYTE。那芯片應該有8個數據信號D7-D0 和2個地址信號，A1-A0。地址0x0對應第0個 BYTE，地址0x1對應于第1BYTE，地址0x2對應于第2個 BYTE，而地址0x3則對應于第3 個BYTE對16位的 NOR FLASH芯片，或是工作在16-BIT模式的芯片來說，一個地址對應于一個HALF-WORD(16-BIT)的數據。例如，一塊16-BIT的 NOR FLASH，假設其容量為4個BYTE。那芯片應該有16 個數據信號線D15-D0 和1個地址信號A0。地址 0x0對應于芯片內部的第0個 HALF-WORD，地址0x1對應于芯片內部的第1個 HALF-WORD。 FLASH一般都分為很多個SECTOR，每個SECTOR包括一定數量的存儲單元。對有些大容量的FLASH，還分為不同的BANK，每個BANK包括一定數目的SECTOR。FLASH的擦除操作一般都是以SECTOR，BANK或是整片FLASH為單位的。

在對FLASH進行寫操作的時候，每個BIT可以通過編程由1變為0，但不可以有0修改為1。為了保證寫操作的正確性，在執行寫操作前，都要執行擦除操作。擦除操作會把FLASH的一個SECTOR，一個BANK或是整片FLASH 的值全修改為0xFF。這樣，寫操作就可以正確完成了。

SPI NOR FLASH芯片的分類

在通信方式上Nor Flash 分為兩種類型：CFI Flash和 SPI Flash，即采用的通信協議不同。

1 CFI Flash

英文全稱是common flash interface,也就是公共閃存接口，是由存儲芯片工業界定義的一種獲取閃存芯片物理參數和結構參數的操作規程和標準。CFI有許多關于閃存芯片的規定，有利于嵌入式對FLASH的編程。現在的很多NOR FLASH 都支持CFI，但并不是所有的都支持。 ??CFI接口，相對于串口的SPI來說，也被稱為parallel接口，并行接口；另外，CFI接口是JEDEC定義的，所以，有的又稱CFI接口為JEDEC接口。所以，可以簡單理解為：對于Nor Flash來說，CFI接口＝JEDEC接口＝Parallel接口 = 并行接口 ??特點在于支持的容量更大，讀寫速度更快。 ??缺點由于擁有獨立的數據線和地址總線，會浪費電路電子設計上的更多資源。

2 SPI Flash

serial peripheral interface串行外圍設備接口,是一種常見的時鐘同步串行通信接口。有4線（時鐘，兩個數據線，片選線）或者3線（時鐘，兩個數據線）通信接口，由于它有兩個數據線能實現全雙工通信，讀寫速度上較快。擁有獨立的數據總線和地址總線，能快速隨機讀取，允許系統直接從Flash中讀取代碼執行；可以單字節或單字編程，但不能單字節擦除，必須以Sector為單位或對整片執行擦除操作，在對存儲器進行重新編程之前需要對Sector或整片進行預編程和擦除操作。如W25Q64

3 CFI Flash 和 SPI Flash 比較

SPI flash和 CFI Flash 的介質都是Nor Flash ，但是SPI 是通過串行接口來實現數據操作，而 CFI Flash 則以并行接口進行數據操作，SPI容量都不是很大，市場上 CFI Flash 最大可以做到128Mbit，而且讀寫速度慢，但是價格便宜，操作簡單。而parallel接口速度快，容量上市場上已經有1Gbit的容量，價格昂貴。

4NOR FLASH 工作時序

4.1NM25Q128 讀操作時序圖

可知讀數據指令是 03H，可以讀出一個字節或者多個字節。發起讀操作時，先把 CS片選管腳拉低，然后通過 MOSI 引腳把 03H 發送芯片，之后再發送要讀取的 24 位地址，這些數據在 CLK 上升沿時采樣。芯片接收完 24 位地址之后，就會把相對應地址的數據在 CLK 引腳下降沿從 MISO 引腳發送出去。從圖中可以看出只要 CLK 一直在工作，那么通過一條讀指令就可以把整個芯片存儲區的數據讀出來。當主機把 CS 引腳拉高，數據傳輸停止。

4.2.NM25Q128 頁寫時序

在發送頁寫指令之前，需要先發送“寫使能”指令。然后主機拉低 CS 引腳，然后通過 MOSI引腳把 02H 發送到芯片，接著發送 24 位地址，最后你就可以發送你需要寫的字節數據到芯片。完成數據寫入之后，需要拉高 CS 引腳，停止數據傳輸。

4.3扇區擦除時序圖

扇區擦除指的是將一個扇區擦除。擦除扇區后，扇區的位全置 1，即扇區字節為 FFh。同樣的，在執行扇區擦除之前，需要先執行寫使能指令。這里需要注意的是當前 SPI 總線的狀態，假如總線狀態是 BUSY，那么這個扇區擦除是無效的，所以在拉低 CS 引腳準備發送數據前，需要先要確定 SPI 總線的狀態，這就需要執行讀狀態寄存器指令，讀取狀態寄存器的 BUSY 位，需要等待 BUSY 位為 0，才可以執行擦除工作。接著按時序圖分析，主機先拉低 CS 引腳，然后通過 MOSI 引腳發送指令代碼 20h 到芯片，然后接著把 24 位扇區地址發送到芯片，然后需要拉高 CS 引腳，通過讀取寄存器狀態等待扇區擦除操作完成。

5 塊、扇

SPI NOR FLASH芯片的優缺點

- 優點：

- 快速啟動時間，適用于實時性要求高的應用。

- 低功耗，適用于電池驅動和功耗敏感的設備。

- 較長的壽命，適用于需要頻繁讀寫的場景。

- 缺點：

- 存儲容量相對較小。

- 成本相對較低但不如SPI NAND Flash

SPI NOR FLASH芯片的龍頭企業

近年來，NOR Flash全球市場主要集中于五大巨頭，分別是旺宏電子、華邦電子、Cypress、美光、兆易創新五大企業。但幾大巨頭在應用市場上存在一定的差異。

美光和Cypress專注于工業市場、航天市場以及車用電子市場;旺宏、華邦電側重于消費電子領域，也有部分產品應用于車載和工控領域;兆易創新產品主要應用于消費市場，車載、工控領域產品的開發也在順利推進。

供應商A: 博雅科技

http://www.boyamicro.com/

1、產品能力

（1）選型手冊

http://www.boyamicro.com/SPI_Nor_Flash.php

（2）主推型號1：BY25M512FS

對應的產品詳情介紹

BY25M512FS是一款SPI Nor Flash芯片，具有多種特點和廣泛的應用領域。以下是對該芯片的詳細解析：

基本信息

產品類型：SPI Nor Flash芯片

存儲容量：512Mbit（或64MB）

接口類型：SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）

技術規格

工藝：采用先進的制造工藝（如65/55/50nm等，具體工藝可能因產品版本而異）

傳輸效率：具有較高的傳輸效率，能夠支持高速數據讀寫

數據保存時間：長達20年以上，確保數據的長期可靠性

擦寫次數：支持高達10萬次的擦寫操作，滿足頻繁數據更新的需求

工作溫度范圍：通常在-40℃到+125℃之間，適用于各種惡劣環境

電壓范圍：根據具體型號，可能支持1.65V(1.95V或2.7V)3.6V的工作電壓

應用領域

BY25M512FS芯片因其高可靠性、良好的穩定性和兼容性，被廣泛應用于各種電子設備中，包括但不限于：

手機：用于存儲系統固件、用戶數據等

電腦主板：提供存儲支持，用于BIOS、啟動代碼等關鍵數據的存儲

機頂盒、U盾、攝像頭、物聯網模塊、監控設備、通訊路由、顯示面板、藍牙模組、定位模塊等：這些設備都需要高性能的存儲解決方案來支持其運行

封裝形式與產品狀態

封裝形式：提供多種封裝選項，如SOP8、TSSOP8、DFN、BGA等，以適應不同的應用需求和空間限制

產品狀態：通常標記為“MP”（量產），表示該產品已經過測試并投入大規模生產

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

供應商B:兆易創新 GigaDevice

https://www.gigadevice.com.cn/

1、產品能力

（1）選型手冊

https://www.gigadevice.com.cn/product/flash/product-series/spi-nor-flash

（2）主推型號1:GD25Q20CTIGR

對應的產品詳情介紹

·2M位串行閃存

-256K字節

-每可編程頁256字節

·標準、雙路、四路SPI

-標準SPI:SCLK、CS#、SI、SO、WP#、等待#

-雙SPI:SCLK、CS#、100、101、WP#、保持#

-四通道SPI:SCLK、CS#、100、101、102、103

·高速時鐘頻率

-32/64K字節的統一塊

-12MHz用于30PF負載的快速讀取

-雙L/0數據傳輸速度高達240 Mbit/s

-四通道數據傳輸速度高達480Mbit/s

·軟件/硬件寫保護

-通過軟件寫入保護所有/部分內存

-啟用/禁用保護與WP#引腳

-頂部/底部擋塊保護

·最少100000個程序/擦除周期

-數據保留

-20年數據保留典型

·快速編程/擦除速度

-頁面程序時間:06ms典型值

-扇區擦除時間:典型值45ms

-塊-擦除時間:0.15/025秒

-芯片擦除時間:典型值1.25秒

·靈活的體系結構

-4K字節的均勻扇區

-32/64K字節的統一塊

·低功耗

-lua表示電流的深度

-lpa正態電流

·高級安全功能

-每個備的128位唯一ID

-帶OTP鎖的4x256字節安全寄存器

·全電壓范圍:27~36V

-20年數據保留典型

·允許XIP(就地執行)操作

-8/16/32/64字節的連續讀取

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

C395521_53C9CBD58A8C773ED039AA3E666BF906.pdf

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