物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用SPI NAND flash

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NAND Flash的原因主要有以下幾點(diǎn)：

高存儲(chǔ)密度

SPI NAND Flash相比傳統(tǒng)的NOR Flash，在同樣的物理尺寸下能夠提供更大的存儲(chǔ)容量。這一特性使得SPI NAND Flash能夠在有限的空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中對(duì)于存儲(chǔ)容量的高需求。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)日志、傳感器數(shù)據(jù)等，而SPI NAND Flash的高存儲(chǔ)密度恰好滿足了這一需求。

成本效益高

由于NAND Flash具有更高的存儲(chǔ)密度，其生產(chǎn)成本相對(duì)較低。因此，SPI NAND Flash在提供高容量存儲(chǔ)的同時(shí)，也具備較高的性價(jià)比。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的制造商來(lái)說(shuō)，是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要大規(guī)模部署，成本控制尤為重要。

接口簡(jiǎn)單且低功耗

SPI接口只需要少量的引腳（通常為6個(gè)：SCK、CS、MOSI、MISO、WP和HOLD），這使得硬件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，減少了PCB空間和成本。同時(shí)，SPI NAND Flash的功耗通常較低，非常適合電池供電的便攜設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。低功耗特性有助于延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，減少更換電池或充電的頻率，提高用戶體驗(yàn)。

數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能

選擇合適的SPI NAND Flash產(chǎn)品時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能等因素。具備錯(cuò)誤校正碼（ECC）功能的SPI NAND Flash可以提高數(shù)據(jù)可靠性，減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟失的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的讀寫性能，可以確保數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)和處理。

廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景

SPI NAND Flash廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，SPI NAND Flash常用于存儲(chǔ)固件、配置數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。這些信息的可靠存儲(chǔ)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。 適用于嵌入式系統(tǒng)，尤其是對(duì)存儲(chǔ)容量和成本敏感的應(yīng)用，如一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。選擇合適的Flash類型應(yīng)基于具體應(yīng)用需求，考慮性能、功耗、壽命、成本和集成度等因素。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用SPI NAND Flash的原因主要包括高存儲(chǔ)密度、成本效益高、接口簡(jiǎn)單且低功耗、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景以及數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能等方面的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得SPI NAND Flash成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的存儲(chǔ)解決方案。

本文會(huì)再為大家詳解存儲(chǔ)器家族中的一員——SPI NAND flash。

1、SPI NAND flash的概念

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，作為存儲(chǔ)設(shè)備的NOR Flash和NAND Flash，而NAND Flash由于采用了地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，并且統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（x 8 bit or x 16 bit），從而在不同容量的兼容性上面基本沒(méi)有問(wèn)題，所以這類封裝及接口形式沿用了很多年。近些年隨著產(chǎn)品小型化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，并且對(duì)方案成本的要求越來(lái)越高，SPI NAND Flash逐漸出圈。

SPI NAND Flash方案的主控（MCU）內(nèi)可以不需要帶有傳統(tǒng)NAND的控制器，只需要有SPI的接口，再加入內(nèi)置ECC，這樣可以減少主控的成本，以及省掉MCU做為硬件或軟件ECC的功能。

另外，SPI NAND Flash的封裝形式多采用 WSON、TFBGA等封裝，尺寸比傳統(tǒng)的NAND Flash TSOP的封裝要小很多，充分節(jié)省了PCB板的空間，較少的管腳數(shù)量，從而可以減小PCB的尺寸及層數(shù)，既滿足了市場(chǎng)小型化的需求也降低了產(chǎn)品的成本。

2、SPI NAND flash的讀寫介紹

對(duì)flash芯片的操作，一般包括對(duì)flash芯片的擦除，編程和讀取，各大廠商的SPI flash芯片都大同小異，操作命令基本是沒(méi)什么變化的，當(dāng)我們拿到一款芯片，要特別注意芯片的容量，操作分區(qū)等。

其實(shí)，無(wú)論是對(duì)芯片的擦除，編程還是讀取操作，我們大致可以按照以下的套路來(lái)：寫命令---寫地址---寫（讀）數(shù)據(jù)。正如以下的時(shí)序圖一樣清晰明了，我們先把片選信號(hào)拉低，再依次寫指令，地址和數(shù)據(jù)，就可以對(duì)FLASH芯片進(jìn)行操作。

掌握以上方法，就可以輕松操作SPI flash芯片了，當(dāng)然，對(duì)時(shí)序這種底層的操作，還需要不斷學(xué)習(xí)和積累，不論是用FPGA還是MCU，最終都是為了產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)，只要靜下來(lái)認(rèn)真理解了它，一切問(wèn)題就迎刃而解了。

3、SPI NAND flash使用注意事項(xiàng)

3.1.不同的SPI FLASH芯片可能會(huì)提供的擦除方式：扇區(qū)擦除(4KBytes)，半塊擦除(32KBytes)，塊擦除(64KBytes)，片擦除。

3.2.不同的SPI FLASH芯片可能會(huì)提供的編程方式(也就是寫數(shù)據(jù))：頁(yè)編程(256Bytes)，扇區(qū)編程(4KBytes)。

3.3.SPI FLASH如果擦除過(guò)，在往里面寫0xFF這樣的數(shù)據(jù)意義不大，因?yàn)樗奶匦跃褪遣脸髷?shù)據(jù)就是0xFF。

3.4.寫入flash時(shí)，只能把數(shù)據(jù)(bit)從1改為0。

3.5.傳統(tǒng)的EEPROM的特點(diǎn)就是可以隨機(jī)訪問(wèn)和修改任何一個(gè)字節(jié)，可以往每個(gè)bit中寫入0或1。而寫入flash時(shí)，只能把數(shù)據(jù)(bit)從1改為0。但是傳統(tǒng)的EEPROM容量因成本的緣故收到限制，絕少有超過(guò)有512K的。

3.6.Nor Flash容量相對(duì)小，成本高，基本沒(méi)壞塊，數(shù)據(jù)線和地址線分開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)尋址，讀取任何一個(gè)字節(jié)，擦除任然要按塊來(lái)擦。NAND FLASH容量大，成本低，壞塊經(jīng)常出現(xiàn)，但可以標(biāo)記壞塊，使軟件跳過(guò)，數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用，按塊擦除按頁(yè)讀取。

4、SPI NAND flash接口介紹

SPI NAND接口

一般來(lái)說(shuō)，SPI的接口就是6個(gè)IO，CS, CLK, SI, SO, WP, HOLD。

基本上接口跟Quad SPI FLASH是一樣的。支持一根線，兩根線和四根線的模式。

下面是MX35LF1GE4AB 這片SPI NAND 的verilog module的定義

尋址

SPI NAND最大存儲(chǔ)單元是PLANE，一個(gè)PLANE有多個(gè)block，一個(gè)block有多個(gè)PAGE，PAGE是SPI NAND最小的存儲(chǔ)單元。

這里以MX35LF1GE4AB為例,

一個(gè)PLANE有2048個(gè)block。

一個(gè)block有64個(gè)page

一個(gè)page中2111個(gè)byte。

RA是行地址，行地址的16:6位用來(lái)尋址Block，行地址的5:0位用來(lái)尋址PAGE。CA為列地址，一共12位，尋址空間是4096。但是SPI NAND中只有一部分是可用的，這里只有0到2112個(gè)byte是可用的，其余的地址空間都是out of bound。

常用型號(hào)

Feature寄存器

Feature寄存器每個(gè)芯片的定義都不一樣，這里以MX35LFxGE4AB為例

MX35LFxGE4AB一共有三個(gè)feature寄存器。

A0 寄存器用做一些Block的寫保護(hù)

B0寄存器是Secure OTP。QE表示使能Quad模式, ECC表示使能ECC。

C0寄存器是狀態(tài)寄存器，一般用于查詢以下

OIP： FLASH是否處于操作模式，1: Busy, 0: Ready

WEL: 是否寫使能，1: write enable, 0: not write enable

E_FAIL: 擦除錯(cuò)誤，0: Passed, 1: Failed

P_FAIL:編程錯(cuò)誤， 0: Passed, 1: Failed

ECC_S0, ECC_S1，ECC狀態(tài)，00b = 0 bit error，01b = 1 to 4 bits error corrected，10b = More than 4-bit error not corrected，11b = Reserved

時(shí)序

5、優(yōu)劣勢(shì)

- 優(yōu)點(diǎn)： - 相對(duì)較大的存儲(chǔ)容量。 - 相對(duì)較低的成本。 - 缺點(diǎn)： - 速度較慢，不適合高速讀取。 - 對(duì)比SPI NOR Flash，壽命較短。

供應(yīng)商A：江波龍

https://cn.longsys.com/product/industrialstorage/spinandflash.html

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

（2）主推型號(hào)1：FS35ND02G-s3Y2QWFI000

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

M-00138FORESEE_SPINAND_FS35ND02G-S3Y2_Datasheet_1648692137.pdf

供應(yīng)商B：博雅

http://www.boyamicro.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

（2）主推型號(hào)1：BY25Q01GFS

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

（3）主推型號(hào)2：BY25Q512FSEIG

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

BY25Q01GFS

BY25Q512FSEIG

供應(yīng)商C：華邦電子

https://www.winbond.com/hq?__locale=zh

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

https://www.winbond.com/hq/product/code-storage-flash-memory/qspinand-flash/?__locale=zh

（2）主推型號(hào)1：W25N01GVZEIG

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

說(shuō)明

W25N01GV（1G位）串行SLC NAND閃存為具有空間、引腳和電源有限。w25nsipflash系列集成了流行的SPI接口和傳統(tǒng)的大NAND非易失性存儲(chǔ)空間。他們是理想的代碼跟蹤到內(nèi)存，執(zhí)行直接從雙/四SPI（XIP）編碼并存儲(chǔ)語(yǔ)音、文本和數(shù)據(jù)。這個(gè)裝置在一個(gè)單獨(dú)的機(jī)器上工作2.7V至3.6V電源，電流消耗低至25mA，有效電流為10μA待命。全部W25N W25N01GV 1G位內(nèi)存陣列被組織成65536個(gè)可編程頁(yè)，每個(gè)頁(yè)2048字節(jié)。 整個(gè)頁(yè)面可以使用2048字節(jié)內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一次編程。也可按64組擦除（128KB塊擦除）。W25N01GV有1024個(gè)可擦除塊。 W25N01GV支持標(biāo)準(zhǔn)串行外圍接口（SPI）、雙/四路I/O SPI：串行時(shí)鐘，芯片選擇、串行數(shù)據(jù)I/O0（DI）、I/O1（DO）、I/O2（/WP）和I/O3（/HOLD）。SPI時(shí)鐘頻率高達(dá) 支持104MHz，允許雙I/O和416MHz的等效時(shí)鐘速率為208MHz（104MHz x 2）（104MHz x 4）用于使用快速讀取雙/四路I/O指令時(shí)的四路I/O。 W25N01GV提供了一種新的連續(xù)讀取模式，可以有效地訪問(wèn)整個(gè)系統(tǒng)具有單個(gè)讀取命令的內(nèi)存陣列。此功能非常適合代碼陰影應(yīng)用程序。 一個(gè)保持引腳，寫保護(hù)引腳和可編程寫保護(hù)，提供進(jìn)一步的控制靈活性。此外，該設(shè)備支持JEDEC標(biāo)準(zhǔn)制造商和設(shè)備ID，一個(gè)2048字節(jié)的唯一ID頁(yè)，一個(gè)2048字節(jié)的參數(shù)頁(yè)和十個(gè)2048字節(jié)的OTP頁(yè)。提供更好的NAND閃存內(nèi)存可管理性，用戶可配置的內(nèi)部ECC，壞塊管理也可以在W25N01GV。

特征? 新的W25N系列SpiFlash存儲(chǔ)器 –W25N01GV:1G位/128M字節(jié) –標(biāo)準(zhǔn)SPI:CLK，/CS，DI，DO，/WP，/保持 –雙SPI:CLK，/CS，IO0，IO1，/WP，/Hold –四SPI:CLK，/CS，IO0，IO1，IO2，IO3

? 最高性能串行NAND閃存 –104MHz標(biāo)準(zhǔn)/雙/四SPI時(shí)鐘 –208/416MHz等效雙/四SPI –50MB/S連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率 –快速編程/擦除性能 –超過(guò)100000次擦除/編程周期 –超過(guò)10年的數(shù)據(jù)保留期

? 低功耗，寬溫度范圍 –單2.7至3.6V電源 –25mA有效，10μ備用電流 – -40°C到+85°C工作范圍

? 具有128KB塊的靈活體系結(jié)構(gòu) –統(tǒng)一128K字節(jié)塊擦除 –靈活的頁(yè)面數(shù)據(jù)加載方法

? 高級(jí)功能 –用于存儲(chǔ)陣列的片上1位ECC –ECC狀態(tài)位表示ECC結(jié)果 –錯(cuò)誤的塊管理和LUT訪問(wèn) –軟件和硬件寫保護(hù) –電源鎖定和OTP保護(hù) –2KB唯一ID和2KB參數(shù)頁(yè) –10個(gè)2KB OTP頁(yè)面

? 節(jié)省空間的包裝 –8墊WSON 8x6毫米 –16針SOIC 300密耳 –24球TFBGA 8x6毫米 –聯(lián)系Winbond獲取其他套餐選項(xiàng)

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

C907680_NAND+FLASH_W25N01GVZEIG_規(guī)格書_WINBOND(華邦)NAND+FLASH規(guī)格書.PDF

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審核編輯 黃宇