引言

　　新型恩智浦ARM Cortex-M3微控制器首次采用的SPI閃存接口技術(shù)(SPIFI),，它可以幫助設(shè)計人員以小尺寸,、低成本的串行閃存替代大尺寸,、高成本的并行閃存,。利用SPIFI (讀音與spiffy諧音,，意為“出色,、整潔,、漂亮”等——譯注),，外部串行閃存可以映射到微控制器內(nèi)存中,，達(dá)到片上內(nèi)存讀取效果。新技術(shù)可以解決傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)外部閃存選型難題,，為設(shè)計人員在保持系統(tǒng)性能的同時縮小尺寸及降低成本提供了一條新途徑,。

　　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(dá)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*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,。基于上述條件,，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(dá)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的6針SPI配置,，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)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(dá)40Mb,，與兩個16位并行閃存速度相當(dāng),。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(dá)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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,。總體來看,，SPIFI外設(shè)配置簡單,，應(yīng)用方便。

　　軟件命令

　　當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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),。