spi nor flash应用汇总 浅谈spi flash应用原理

工程师谭军 发表于 2018-09-18 15:19:25 收藏 已收藏
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spi nor flash应用汇总 浅谈spi flash应用原理

工程师谭军 发表于 2018-09-18 15:19:25
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  本文主要是关于spi nor flash的相关介绍,并着重对spi nor flash应用进行了详尽的阐述。

  spI flash

  SPI一种通信接口。那么严格的来说SPI Flash是一种使用SPI通信的Flash,即,可能指NOR也可能是NAND。但现在大部分情况默认下人们说的SPI Flash指的是SPI NorFlash。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。

  NorFlash根据数据传输的位数可以分为并行(Parallel,即地址线和数据线直接和处理器相连)NorFlash和串行(SPI,即通过SPI接口和处理器相连)NorFlash;区别主要就是:1、SPI NorFlash每次传输一bit位的数据,parallel连接的NorFlash每次传输多个bit位的数据(有x8和x16bit两种); 2、SPI NorFlash比parallel便宜,接口简单点,但速度慢。

  NandFlash是地址数据线复用的方式,接口标准统一(x8bit和x16bit),所以不同容量再兼容性上基本没什么问题。但是目前对产品的需求越来越小型化以及成本要求也越来越高,所以SPI NandFlash渐渐成为主流,并且采用SPI NANDFlash方案,主控也可以不需要传统NAND控制器,只需要有SPI接口接口操作访问,从而降低成本。另外SPI NandFlash封装比传统的封装也小很多,故节省了PCB板的空间。

  今天主要说下SPI NorFlash。

  二、有毛用啊

  节省成本,减小封装,存储数据。

  三、怎么用啊

  怎么用说白了对于Flash就是读写擦,也就是实现flash的驱动。先简单了解下spi flash的物理连接。

  之前介绍SPI的时候说过,SPI接口目前的使用是多种方式(具体指的是物理连线有几种方式),Dual SPI、Qual SPI和标准的SPI接口(这种方式肯定不会出现在连接外设是SPI Flash上,这玩意没必要全双工),对于SPI Flash来说,主要就是Dual和Qual这两种方式。具体项目具体看了,理论上在CLK一定的情况下, 线数越多访问速度也越快。我们项目采用的Dual SPI方式,即两线。

  当前涉及到具体的SPI flash芯片类型了,所以必须也得参考flash的datasheet手册了。我们以W25Q64JVSSIQ为例。

  这是基本信息的介绍,然后看下具体IO的定义

  这个是WSON封装的管脚定义,其他详细信息参考datasheet。

  硬件驱动的话也是和芯片强相关的,因为读写擦都是和硬件时序相关的,所以必须得参考硬件datasheet手册。

  上面的datasheet都详细说明了每个操作的时序周期发送的命令。上图中,第一列是指令名称,第二列是指令编码,第三列及以后的指令功能与对应的指令有关。带括号的字节内容为flash向主机返回的字节数据,不带括号则是主机向flash发送字节数据。

  A0~A23:flash内部存储器地址;MID0~MID7:制造商ID;ID0~ID15:flash芯片ID;D0~D7:flash内部存储的数据;dummy:指任意数据。

  比如获取deviceID:

  表示该命令由这四个字节组成,其中dummy意为任意编码,即这三个字节必须得发数据,但这些数据是任意的,上图命令列表中带括号的字节数据表示由FLASH返回给主机的响应,可以看到deviceID命令的第5个字节为从机返回的响应,(ID7~ID0),即返回设备的ID号。

  代码如下:

  uint32_t Get_Flash_DeviceID(void)

  {

  uint8_t deviceID= 0x00;

  spiflashReset();

  spi_write( 0xAB);

  spi_write( Dummy);

  spi_write( Dummy);

  spi_write( Dummy);

  deviceID = spi_write( Dummy);

  spi_write( Dummy);

  spiflashSet() ;

  return deviceID;

  }

  SPI FLASH与NOR FLASH的区别

  Nor Flash包含SPI Flash。SPI Flash是Nor Flash的一部分。

  1、NorFLASH使用方便,易于连接,可以在芯片上直接运行代码,稳定性出色,传输速率高,在小容量时有很高的性价比,这使其很适合应于嵌入式系统中作为 FLASH ROM。

  2、在通信方式上Nor Flash 分为两种类型:CFI Flash和 SPI Flash。SPI Flash, serial peripheral interface串行外围设备接口,是一种常见的时钟同步串行通信接口。

  spi nor flash应用汇总 浅谈spi flash应用原理

  spi nor flash应用汇总

  NOR flash和Nand flash相比

  NOR缺点: 价格贵, 容量小, 擦除块大, 擦除速度慢, NOR flash擦出寿命为100,000次, 远小于NAND flash的一百万次。 NOR可以单字节编程, 也就是说一次只更新一个byte

  NOR优点: 读速度快, 稳定不会出现位反转, 不需要EDC和ECC, 不需要坏块管理

  NOR flash通常一次可以写一个字节, NAND flash内存必须一次写多个字节(通常为512字节)

  NOR flash的优缺点决定了它的应用场: 适合存储关键很少修改的数据, 比如bootloader kernel等代码;不适合尺寸较大经常修改的数据,比如用户地图, 库文件等

  3 wire SPI

  正常的SPI使用四根线: clock, cs, MOSI, MISO. 可以把MOSI MISO合并为一根线(slave out/slave in SISO)上实现半双工。 主要用来实现低速传输

  DUAL SPI

  对于SPI flash来说, 全双工并不常用, 因此扩展这两根数据线, 使得他们支持半双工传输, 加倍数据传输速度。 可以发送一个命令字节请求进入dual mode, 然后MOSI就变成了SIO0(Serial I/O 0), MISO变成了SIO1.

  这种模式主要是针对SPI ROM, SPI flash设备, 需要进行大数据量传输

  QUAD SPI

  quad SPI又增加了两根I/O线(SIO2 SIO3), 可以在一个时钟周期传送四个data bits. 通过使用特殊的命令, 使能quad mode.

  Double data rate

  除了使用多根I/O线, 某些设备还通过DDR技术增加传输速率

  SPI NOR flash文件系统支持

  NOR flash和普通机械硬盘, SSD, EMMC的最大区别就是NOR flash在写之前,需要确保写的位置是已经擦除过的, 因此并不适合使用传统的Ext2/3/4, FAT/NTFS等文件系统

  甚至YAFFS类的文件系统也不适合NOR flash

  JFFS和JFFS2

  这两个文件系统都可以支持NOR flash, 并且提供了垃圾回收, 坏块管理, 磨损平衡。 二者都存在文件系统mount速度较慢的问题, 不适合大容量flash

  YAFFS/YAFFS2

  已经被踢出主线内核了, 基本废弃了。

  Cramfs/Squashfs

  常规的只读文件系统, 都支持数据压缩, 实现简单, 速度快, 如果NOR flash存放的文件系统是只读的, 尽量使用他们。 这些常规文件系统工作在传统块设备上, 需要内核支持

  CONFIG_MTD_BLKDEVS=y

  CONFIG_MTD_BLOCK=y

  Ext2/3/4 FAT/NTFS

  支持读写的块设备文件系统不适合工作用在NOR flash上, 因为NOR flash写操作会导致擦除操作, 速度慢, 影响寿命。

  MTD模拟block device

  打开CONFIG_MTD_BLOCK和CONFIG_MTD_BLKDEVS

  启动后/dev/下会增加几个block设备

  root@devm:~# ls /dev/mtdmtd0 mtd1 mtd2 mtd3 mtdblock0 mtdblock2 mtd0ro mtd1ro mtd2ro mtd3ro mtdblock1 mtdblock3

  使用mkfs.ext4, 格式化mtdblock,

  root@evm:~# mkfs.ext4 /dev/mtdblock3mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)Filesystem label=OS type: LinuxBlock size=1024 (log=0)Fragment size=1024 (log=0)Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks1856 inodes, 7424 blocks371 blocks (5.00%) reserved for the super userFirst data block=1Maximum filesystem blocks=76021761 block group8192 blocks per group, 8192 fragments per group1856 inodes per group Allocating group tables: done Writing inode tables: done Creating journal (1024 blocks): doneWriting superblocks and filesystem accounting information: done

  使用dd命令, 写入cramfs镜像

  首先, 在Host创建cramefs镜像

  mkfs.cramfs rootfs/ cramfs.img

  dd命令导入镜像

  root@evm:~# dd if=/dev/mtdblock3 of=cramfs.img 14848+0 records in14848+0 records outroot@evm:~# ls -l-rw-r--r-- 1 root root 7602176 Jan 1 00:24 kaka.imgroot@evm:~#

  NOR flash使用JFFS2

  NOR flash上运行JFFS2, JFFS2通过MTD接口操作NOR flash

  创建JFFS2镜像

  mkfs.jffs2工具在mtd-utils工具包中

  sudo apt-get install mtd-utils mkfs.jffs2 -r rootfs/ -o jffs2.img --pad=0x800000

  --pad=0x800000 如果不加这个参数, 生成的镜像尺寸(文件系统大小)是按照rootfs/小内容大小决定的;通过这个参数我们可以强制指定文件系统大小

  烧写JFFS2镜像

  有两种烧写方法:

  1. 在uboot中把jffs2.img下载到DRAM中, 然后使用sf write命令把DRAM内容烧写到nor flash上

  2. 进入系统后使用 dd if=jffs2.img of=/dev/mtdblock4

  二者性质上实际相同, 都是直接把镜像烧到NOR flash某段内存中

  挂载JFFS2文件系统

  首先kernel要支持jffs2文件系统, 执行如下命令

  mount -t jffs2 /dev/mtdblock4 /mnt

  文件系统挂载速度

  由于JFFS2在挂载过程中需要执行扫描, 构造文件系统, 因此在同样大小的mtdblock上, JFFS2挂载时间远大于EXT4文件系统

  文件系统尺寸为0x740000(7.25MB)

  Ext4挂载时间 root@evm:~# time mount -t ext4 /dev/mtdblock3 /mnt real 0m 0.06suser 0m 0.00ssys 0m 0.00s

  JFFS2挂载时间 root@evm:~# time mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /mntreal 0m 0.34suser 0m 0.00ssys 0m 0.33s

  结语

  关于spi nor flash的相关介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。

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