nand flash编程案例分析，NAND FLASH流水实现高速存储

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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案例分析，NAND FLASH流水实现高速存储

流水技术原理

所谓流水线处理，如同生产装配线一样，是将操作执行工作量分成若干个时间上均衡的操作段，从流水线的起点连续地输入，流水线的各操作段以重叠方式执行。这使得操作执行速度只与流水线输入的速度有关，而与处理所需的时间无关。这样，在理想的流水操作状态下，其运行效率很高。

如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是单流向的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以采用流水线设计方法来提高系统的工作效率。

利用流水线的设计方法，可大大提高系统的工作速度。这种方法可广泛运用于各种设计，特别是大型的、对速度要求较高的系统设计。虽然采用流水线会增大资源的使用，但是它可降低寄存器间的传播延时，保证系统维持高的系统时钟速度。在实际应用中，考虑到资源的使用和速度的要求，可以根据实际情况来选择流水线的级数以满足设计需要。

下面我们以房屋装修为例展示一下流水线的流程，如图3-7所示。

图3-7 房屋装修流水线示意图

房屋装修分4个步骤，分别是水电改造、木工上场、瓦工上场和油工上场。

如果设计团队由4个人员组成，那么在装修A小区某房屋的时候，需要按照上述出场顺序工作。水电改造工人完成A小区的工作后，可以去B小区某房屋工作，B小区工作完毕后，再去C小区工作。同理，木工、瓦工和油工也是如此。

我们可以得出结论，从水平方向上看，对于某个小区的房屋，需要四个人顺序出场;但是基于某个特定人员，在整个平面上来看，在平面方向上是排满饱和的。

所以基于团队，用流水线的方式确保了高效率，每个人工作量饱满，收益最大。

案例：NAND FLASH流水实现高速存储

NAND FLASH的详细介绍见第9章。

我们知道，NAND FLASH的特点是读/写速度比较慢。

以写为例，写数据后，必须有长时间的编程等待时间，编程结束之后，才能进行下一次写数据过程。

例如：K9K4G08UOM这款芯片的最大写入时间(编程时间)为700 μs，写数据阶段的时间为125 μs(2 Kb/16 M，假如用16 MHz时钟，一次写入2 Kb个数据)。评估一下有效的写入速率为2 Kb/(125 μs+700 μs)=2.42 Mb/s。

我们可以利用流水线技术来提高读/写速度，如图3-8所示。

图3-8 FLASH控制器流水线式进行写操作

示例中，我们用了5片芯片，为写入时间(编程时间)分配了800 μs的时间，为写数据分配了200 μs时间，组成了5级流水。第一片芯片写数据结束、编程等待的时候，对第二片芯片进行写数据，第二片芯片写数据结束、编程等待的时候，对第三片芯片进行写数据，以此类推，第五片芯片写数据结束后，重新对第一片芯片进行写数据。

重新评估一下写入速度为2Kb/200 μs=10Mb/s。

当然，上面的计算是为了方便读者理解来设定的，目的是让800 μs成为200 μs的整数倍，图片看上去美观一些。实际上我们还是用125 μs来进行写数据，写入速度接近16Mb/s。

在大容量存储类的项目中，不止使用流水线技术，还采用并行工作方式，优化之后的速度能达到几百兆。

以上介绍的为FLASH写阶段的流水线过程，读和擦除也可以利用流水线技术，此处不展开论述。

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本专栏基于Altera公司的器件和Verilog HDL语言。学完以后，相信读者能够掌握FPGA开发的基本技术，并能够独立进行FPGA项目开发。

SPI-Flash是什么？使用注意事项及常见问题

一.概念：

SPI：serial peripheral interface

串行接口设备，spi flash 就是通过串行的接口进行操作的flash存储设备

flash按照内部存储结构不同，分为两种：nor flash和nand flash。这里spi flash 属于 nor flash!

spi flash 读写较慢，次数有限制，一般用于不经常更改的存储。

早期Norflash的接口是parallel的形式，即把数据线和地址线并排与IC的管脚连接。但是后来发现不同容量的Norflash不能硬件上兼容(数据线和地址线的数量不一样)，并且封装比较大，占用了较大的PCB板位置，所以后来逐渐被SPI(串行接口)Norflash所取代。同时不同容量的SPI Norflash管脚也兼容封装也更小。，至于现在很多人说起NOR flash直接都以SPI flash来代称。

二、SPI FLASH读写介绍

对flash芯片的操作，一般包括对flash芯片的擦除，编程和读取，各大厂商的SPI flash芯片都大同小异，操作命令基本是没什么变化的，当我们拿到一款芯片，要特别注意芯片的容量，操作分区等。

其实，无论是对芯片的擦除，编程还是读取操作，我们大致可以按照以下的套路来：写命令---写地址---写（读）数据。正如以下的时序图一样清晰明了，我们先把片选信号拉低，再依次写指令，地址和数据，就可以对FLASH芯片进行操作。

掌握以上方法，就可以轻松操作SPI flash芯片了，当然，对时序这种底层的操作，还需要不断学习和积累，不论是用FPGA还是MCU，最终都是为了产生时序信号，只要静下来认真理解了它，一切问题就迎刃而解了。

三.注意事项

1.不同的SPI FLASH芯片可能会提供的擦除方式：扇区擦除(4KBytes)，半块擦除(32KBytes)，块擦除(64KBytes)，片擦除。

2.不同的SPI FLASH芯片可能会提供的编程方式(也就是写数据)：页编程(256Bytes)，扇区编程(4KBytes)。

3.SPI FLASH如果擦除过，在往里面写0xFF这样的数据意义不大，因为它的特性就是擦除后数据就是0xFF。

4.写入flash时，只能把数据(bit)从1该为0。

5.传统的EEPROM的特点就是可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写入0或1。而写入flash时，只能把数据(bit)从1该为0。但是传统的EEPROM容量因成本的缘故收到限制，绝少有超过有512K的。

6.Nor Flash容量相对小，成本高，基本没坏块，数据线和地址线分开，可以实现随机寻址，读取任何一个字节，擦除任然要按块来擦。NAND FLASH容量大，成本低，坏块经常出现，但可以标记坏块，使软件跳过，数据线和地址线复用，按块擦除按页读取。

四、项目实操中的问题

项目中需要用到SPI flash，在使用这个4MB 的SPI flash中出了三个问题让印象深刻，特记录下来以作提醒

问题1：我们知道SPI flash也分主从模式，一般master都是有MCU等器件担当的，而slave有SPI器件担任，笔者的这个小系统同样如此。

并且MCU是自带有SPI controler，接线方式依然是四线解法，SCK,CS,DO,DI，在看手册的过程因为自己的不注意，看到描述是“user can

decide the SPICS configuration in the master mode，if P_IO_Ctrl[10] set 1, the IOA[12] as GPIO function, if P_IO_Ctrl[10] set 0, the IOA[12] as SPICS hardware function” 我当时没有好好体会这句话的意思，简单的认为我在使用SPI flash之前就k肯定需要把P_IO_Ctrl[10]设置为 0，其实这是错误的认识。

因为现在是通过MCU对slave SPI器件操作，首先肯定是需要MCU端来选中SPI器件，从master角度来讲，只需要一个GPIO信号线接到slave的CS端，同时输出低电平就相当了选中了这个slave了，之所以如此说法是因为这是从slave角度来说的，相当于MCU现在也作为一个slave，另一个MCU控制这个slave，则这时候SPI 初始化时就需要把 P_IO_Ctrl[10] set 0

问题2：需要一个烧录器向SPI flash中烧写内容，用的是西立特公司的superPro，但烧录步骤错误了，忘记了在编程之前必须要erase，

了解了一下，好像是和nor flash一样的介质，擦除会把所有bit置1，在编程的时候根据需要只可以把相应位置0.

问题3：在使用MCU上一个SPI 控制器接口接SPI flash时，没有交叉连接，即MCU 的DI应该接SPI 的DO，MCU 的DO应该接SPI 的DI。

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