nor flash调试与使用总结

最近项目中使用到norflash，总结一下学习与使用经验

文章目录

一、Flash基本概念
- 存储器介绍与Flash在其中定位---非易失存储器类别中嵌入式领域常见设备
- Flash的典型分类---NorFlash（贵/容量小/读快写慢）与NandFlash（便宜/容量大/读慢写快）
- Flash的基本存储和读写擦原理---电荷是否超过特定阈值来表示0（低表示1）
二、nor flash关键特性理解（以 GD25Q128介绍）
- 基本特性介绍---容量、访问接口、读写速度、擦除性能、写保护
- 【关注点1】flash的擦除/写性能远低于读，相差2个量级
- 【关注点2】多线SPI访问特性与极限读取性能计算（一定要留有余量）
- 【关注点3】写保护区域设置与 flash排布设计（只读和易变、可变区域做隔离）
- 【关注点4】3/4字节地址切换问题，为满足超16M的容量空间。
三、常见问题与调试方法（待补充）
- 常见开机失败---3/4字节地址切换问题
- 常见读取性能差---中间缓存/时钟偏低
- 常见写数据概率失败---硬件链路设计问题信号干扰
- 常见读取数据概率失败---管脚驱动电流不够
参考资料：

一、Flash基本概念

存储器介绍与Flash在其中定位—非易失存储器类别中嵌入式领域常见设备

存储器常见分类类型：
1、易失性存储器：
RAM(Random Access Memory) 随机存取存储器。直接对字节地址进行随机读写，速度快，掉电丢失，用于存储运行数据或代码。包含DRAM（Dynamic Ram需要定时刷新）和SRAM（Static Ram 有电源不需要刷新）两种。
2、非易失存储器：
NVM（non-volatile memory） 断电数据不丢失。常见类型：
1）OTP（One Time Programmable）一次性可编程存储，程序烧入后不可再次更改和清除；
2）EPROM(Erasable Programmable ROM) 可擦除可编程只读存储器，利用高电压写入，曝光于紫外线抹除清空。
3）EEPROM（Eraseable programmable read only memory）电可擦编程只读内存，类似EPROM，抹除方式使用高电场。
4）Flash memory快闪存储器，读写速度和容量上要远远高于E2PROM，价格也便宜的多，嵌入式领域常用存储。

Flash的典型分类—NorFlash（贵/容量小/读快写慢）与NandFlash（便宜/容量大/读慢写快）

NOR和NAND是市场上两种主要的非易失闪存技术。NAND一般以存储数据为主，晶片容量大，容量可以达到2Gb甚至更大，读取块形式通常一次512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价；NOR一般以存储程序代码为主，又称为Code Flash，采用内存的随机读取技术，可让微处理器直接读取，容量较低。

Flash的基本存储和读写擦原理—电荷是否超过特定阈值来表示0（低表示1）

1）存储原理：数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。闪存的存储单元为三端器件，源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏，使得存储单元具有了电荷保持能力。

2）擦写原理：NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据-设置0）或放电（擦除数据-设置1）。NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。
3）读取原理：依据有无电荷读取存储的数据，当浮置栅极有电荷时，源极和漏极可以导通，读取到的bit是0；擦除后浮置栅极无电荷，源极和漏极不能导通，读取的bit是1；

二、nor flash关键特性理解（以 GD25Q128介绍）

基本特性介绍—容量、访问接口、读写速度、擦除性能、写保护

容量：存储总量128Mbit（16Mbyte）;
擦除性能：支持按4KB sector擦除（400ms）或者 32KB（1S）/ 64KB（1.2S） block擦除，寿命支持10万次擦写，支持3字节4字节地址模式。
读写性能：:访问方式SPI，最大支持4线访问80M时钟读写（数据传输320Mbits/S），支持写保护控制；

【关注点1】flash的擦除/写性能远低于读，相差2个量级

flash的读写都是通过时钟CLK配置IO完成，可以通过提升时钟大小，构建多线IO来提高访问速度，如GD25Q128最大支持4线访问80M时钟读写（数据传输320Mbits/S）。但是擦除时不取决于时钟大小，也没有多线的概念，完全由器件本身性能决定，如按4KB擦除要400ms，最快按64KB单元要1.2S（约0.4Mbits/S）和读取理论数据320Mbits/S相差几百倍。
简单理解一下：
1）读取是最简单快速的，取值flash只需要做电压值比较确定是0还是1，可以连续读取任意长度字节内容，整个传输瓶颈是在 SPI接口协议用几线 / 时钟频率大小，举例4线80M。
2）写相对读复杂一些，分成两部分先接受SPI传输数据缓存起来，按Page写如果存储单元不相同就充电把1改到0。整个瓶颈过程是Page写改值过程，如下图每Page 256Byte耗时0.6ms。写的速度相当于一次读取时间+Page写入等待时间；

3）擦除耗时是最长的，和器件工艺原理相关，不涉及SPI数据传输因此不受频率限制。如下图，按4KByte单元擦除每个单元需要50ms；

【关注点2】多线SPI访问特性与极限读取性能计算（一定要留有余量）

很多flash SPI器件都支持多线访问，即把部分IO作为数据SO或SI来支持多线并行读取。如GD25Q128用4线读取的时候，把SI、SO、WP写保护、HOLD都作为读取IO，可以一次CLK读取4个bit数据。

多线读取和理论值往往有一个损失率，0.5% 甚至可以到 15%（有非常多因素）。我们先算一下理论极限速度。
1）假如SPI时钟为100M = 100x10 ^ 6x4线传输 = 400 * 10 ^ 6 bit / S= 47.68MB / S。
2）再进一步，每次发送一次命令需要先发cmd+addr+Dummy（共20个CLK周期）然后读取，因此一次连续读取nByte（2n个时钟周期）确定了利用率，假如1次读取64个= 47.68MB/S * （2x64 / (2x64+20)） = 41.23MB/S；假如一次读取1M数据就还是47.68MB/S；
3）再进一步，实际测量波形发现大量数据读取过程CLK还是间歇性的，并不是完整连续的。这里引入因素也很多，SPI控制器从flash读取数据fifo是有深度的，当读取后需要CPU或者DMA搬移走。特别是用CPU搬移的时候，很可能还涉及一些中间缓存buffer上下文，到目标sram可能会再搬移一次导致时间更长。
在计算耗时的时候，一定要根据系统进行排除并留有余量，不要简单按理论值计算。

【关注点3】写保护区域设置与 flash排布设计（只读和易变、可变区域做隔离）

flash提供写保护区域设置，通过状态寄存器进行设置。如下类似，可以按保护首部或者尾部1/x、或首部或者尾部固定大小block。也引导我们方案设计的时候把只读区域和易变、可变区域做隔离。

【关注点4】3/4字节地址切换问题，为满足超16M的容量空间。

容量低于16MByte的nor flash，一般是3字节模式：cmd+addr0+addr1+addr2，因为3个字节地址表示范围：0xffffff为16M内容。超过16M的时候，就需要用到4字节地址cmd+addr0+addr1+addr2+addr3。
注意点是：部分芯片bootrom不支持4字节地址模式，默认按3字节和nor flash通信，如果切换到4字节后重启就会导致bootrom启动失败。这里的解决方案是软件在reboot前主动切换到3字节，但是不能解决主芯片硬重启的情况，因此更好的方法是硬件上调整供电控制让主芯片和norflash同步reset。一旦主芯片被复位下电norflash也下电，让二者都回到3字节模式，就可以正常启动了。

三、常见问题与调试方法（待补充）

常见开机失败—3/4字节地址切换问题

常见读取性能差—中间缓存/时钟偏低

常见写数据概率失败—硬件链路设计问题信号干扰

常见读取数据概率失败—管脚驱动电流不够

参考资料：

GD25Q128datasheet：https://www.gigadevice.com/zh-hans/flash-memory/gd25q128e/