電子產品因數(shù)據(jù)存儲、內部指令執(zhí)行、系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換等功能需要，往往在設計上有一定存儲空間的需求。單片機自身的存儲有時不能滿足實際應用的需要。因此，電子工程師在產品設計時會采用各種閃存（Flash Memory）芯片。

NOR閃存和NAND閃存

嵌入式工程師或者電子工程師在選擇閃存時必須考慮很多因素：采用哪種類型的架構（NOR或NAND）？是選擇串行接口（serial）還是并行接口（parallel）？是否需要糾錯碼（ECC）？等等。如果處理器或控制器只支持一種類型的接口，選擇起來就相對容易。然而現(xiàn)實情況往往并非如此。這里我們先來認識一下閃存的兩種架構：NOR和NAND。

NOR架構的布線和結構如下圖所示。每個記憶單元互相獨立，都有一段直連到地，組成一個類似NOR閘（或稱“或非門”）的電路。當兩個字線中有一個字線（Word Line）被拉低（0）時，相應的位線（Bit Line）就會被拉高（1）。而想要位線被拉低，則需要兩個字線都拉低。

NOR Flash 閃存在硅上的布線和結構 (圖片來源：維基百科)

NAND架構的布線和結構如下圖所示。多個（通常是8個）記憶單元以類似NAND閘（或稱“與非門”）的方式彼此串聯(lián)。當所有的字線都拉高（1）時，位線就被拉低（0）。

NAND Flash 閃存在硅上的布線和結構 (圖片來源：維基百科)

NOR閃存架構提供了足夠的地址線來映射整個內存范圍。這使其具有隨機訪問和讀取時間短的優(yōu)勢，成為“代碼執(zhí)行”的理想選擇。NOR架構另一個優(yōu)點是在閃存的使用壽命內每個儲存單元的好壞情況都是可知的。缺點包括單元尺寸較大，導致每比特成本較高，且寫入和擦除速度較慢。

相比之下，NAND架構與NOR架構相比，單元尺寸更小，寫入和擦除速度更高。缺點包括讀取速度較慢，且采用I/O映射型或間接接口，比較復雜，不允許隨機訪問。另一個主要缺點是存在壞塊。NAND Flash在出廠時通常有98%的單元正常工作，在產品的整個使用壽命中可能會發(fā)生額外的故障（壞塊），因此需要在器件內部設置糾錯碼（ECC）功能。

總結NOR架構與NAND架構的區(qū)別如下：

一般來說，對于需要較低容量、快速隨機讀取訪問和較高數(shù)據(jù)可靠性的應用，如代碼執(zhí)行所需，NOR閃存是一個很好的選擇。比如，在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術蓬勃發(fā)展的今天，NOR閃存就可以應用在很多設備上來存儲、運行程序以讓產品更加智能。而NAND閃存則是數(shù)據(jù)存儲等應用的理想選擇，因為這些應用需要更高的內存容量和更快的寫入和擦除操作，因此SSD等都是使用NAND閃存。

目前NOR閃存市場占有率排名靠前的有華邦（臺灣）、旺宏（臺灣）、兆易創(chuàng)新（中國大陸）、賽普拉斯（美國）、美光（美國）。行業(yè)內主流NOR Flash產品的工藝節(jié)點仍為65nm。合肥恒爍半導體在2020年4月推出50nm高速低功耗產品，中國大陸半導體廠家已經(jīng)開始在NOR閃存的賽道奮起直追。而NAND 市場占有率主要集中在三星（韓國）、東芝（日本）、西部數(shù)據(jù)（美國）、美光（美國）、英特爾（美國）、SK海力士（韓國）等傳統(tǒng)大廠手上，國產廠商與之還存在一定技術差距。但也有好消息傳來：長江存儲在2020年初宣布將跳過96層，直接量產128層閃存，惟具體時間表還沒有公布。

NOR閃存的電氣接口

NOR閃存剛問世時，采用的是帶有并行地址和數(shù)據(jù)總線的并行接口。隨著密度的增長，并行接口的信號數(shù)逐漸提高，使得電路設計變得更加困難。在這種情況下NOR閃存的接口開始向串行發(fā)展，但相較并行接口其性能受到一定的影響。下面討論幾種采用不同接口方式的NOR閃存。

并行NOR閃存的電氣接口

顧名思義，并行NOR閃存使用類似SRAM的并行地址和數(shù)據(jù)總線與存儲器控制器進行接口。市場上的并行NOR Flash器件一般支持8位（8-bit）或16位（16-bit）數(shù)據(jù)總線。地址總線的寬度取決于Flash的容量。地址總線的寬度可以用以下公式計算：

總線寬度 = log2?(以bit計的總容量 / 以bit計的數(shù)據(jù)總線寬度)

根據(jù)此公式我們可以算出具有16位數(shù)據(jù)總線的2-Gbit（256MB）NOR閃存將有27條地址線。一個256MB的內存如果使用并行接口的話，算上片選、重置等腳位后將會有30多個電氣接口，給電路設計帶來很大的難度。

我們再來看看除了地址線以外并行接口還需要哪些信號：

并行NOR閃存的接口方式(圖片來源：賽普拉斯)

不難看出并行NOR閃存使用的接口數(shù)會非常多，給電路設計帶來很大困難。因此目前大多數(shù)的NOR閃存都采用了串行接口。

串行NOR閃存的電氣接口

串行接口的接口數(shù)量大大減少，可以實現(xiàn)更小的器件封裝和更簡單的PCB布線。缺點是犧牲了NOR閃存的主要優(yōu)勢之一，即直接隨機存儲訪問。

串行NOR閃存通常使用串行外設接口(標準SPI)協(xié)議與存儲器控制器連接。為了實現(xiàn)更高的速度，可以使用雙SPI(Dual SPI)和四SPI(QUAD SPI)接口。

標準SPI通常就稱SPI，它是一種串行外設接口規(guī)范，有4根引腳信號：CLK, CS, MOSI, MISO。而Dual SPI只是針對閃存的SPI接口而言，不是針對所有SPI外設。對于閃存的SPI鏈接，全雙工模式并不常用，因此Dual SPI擴展了MOSI和MISO的用法，讓它們工作在半雙工，以加倍數(shù)據(jù)傳輸。也就是對于閃存的Dual SPI，可以發(fā)送一個命令字節(jié)進入Dual模式，這樣MOSI變成SIO0，MISO變成SIO1，一個時鐘周期內就能傳輸2個bit數(shù)據(jù)。而Qual SPI與Dual SPI類似，再增加了兩根I/O線（SIO2, SIO3），可以在一個時鐘周期內傳輸4個bit。

我們以合肥恒爍半導體出品的32M-bit(4MB) NOR閃存ZB25VQ32B為例：

Datasheet of ZB25VQ32B(ZBIT Semi)

從ZB25VQ32B的規(guī)格書我們可以看到，在數(shù)據(jù)傳輸方式上，該NOR閃存同時支持Standard SPI、Dual SPI和Quad SPI三種方式。得益于串行接口，ZB25VQ32B的封裝采用SOP-8(5.3mm x 7.9mm)和DFN-8(3mm x 4mm)這種8個管腳的小型封裝，大大簡化了電路設計。

ZB25VQ32B的管腳與封裝

ZB25VQ32B的管腳說明如下：

ZB25VQ32B 管腳及說明

串行NOR閃存的接口方式(圖片來源：賽普拉斯)

跟并行傳輸每個時鐘周期可以傳輸8或者16個bit數(shù)據(jù)比，串行接口的傳輸速率低了很多（每個時鐘至多4bit），但是這是硬件設計上的必要妥協(xié)。市面上大多數(shù)的串行NOR閃存在不同廠商之間都是兼容封裝的，因此即使在設計階段完成后，也可以很容易地更換器件。這使得開發(fā)人員不僅可以在不同廠商之間進行更換，還可以遷移到其他更大或更小容量的NOR閃存器件上，而不必完全重新設計系統(tǒng)。以合肥恒爍半導體3V ZB25系列NOR閃存為例，以下不同容量的閃存之間都采用了相同的封裝，電子工程師可以根據(jù)產品設計需要選擇合適的產品：

8MBit, ZB25VQ80

16MBit, ZB25VQ16

32MBit, ZB25VQ32

128MBit, ZB25VQ128

等等

NOR閃存應用的電路原理圖

以ZB25VQ32這類SOP-8封裝的NOR閃存為例：

C1 = 100nF, R1 = 50Ω, R2 = 10KΩ, R3 = 100KΩ

編輯：黃飛

?