當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)，例如物聯(lián)網(wǎng)中的智能設(shè)備和端點(diǎn)，通常需要即時啟動功能，同時將高性能與低功耗相結(jié)合。所有電子系統(tǒng)還應(yīng)具備從瞬態(tài)故障引起的條件中恢復(fù)的能力。此類故障通常與信號完整性密切相關(guān)，這在當(dāng)今的高速設(shè)計中變得更具挑戰(zhàn)性。

從運(yùn)行時故障中恢復(fù)通常需要能夠?qū)ο到y(tǒng)的全部或部分進(jìn)行受控復(fù)位。在極端情況下，如果沒有提供軟復(fù)位，這可能表明需要對設(shè)備進(jìn)行電源循環(huán)。對于遠(yuǎn)程位置的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)，這可能是有問題且昂貴的，因此僅提供了一個示例，說明復(fù)位功能在嵌入式設(shè)計中變得多么重要。

串行外設(shè)接口 （SPI）廣泛用于將外設(shè)和內(nèi)存連接到嵌入式系統(tǒng)中的微控制器或處理器。復(fù)位串行閃存是初始化或恢復(fù)的重要部分。為了使主機(jī)處理器更容易復(fù)位 SPI 存儲器，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu) JEDEC 定義了一個串行復(fù)位協(xié)議，該協(xié)議避免了對專用復(fù)位引腳的需求。本文介紹了復(fù)位協(xié)議及其使用，特別是擴(kuò)展 SPI （xSPI） 和從串行非易失性存儲器執(zhí)行代碼。

SPI 閃存的作用

相對于并行總線，串行接口的主要優(yōu)點(diǎn)是減少了所需的信號數(shù)量。在大多數(shù)情況下，更少的信號和 I/O 引腳可降低組件成本和功耗，因?yàn)轵?qū)動片外信號所需的功率可能是總功耗的重要因素。

最初的 SPI 規(guī)范有四個信號：用于同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇?a href="http://www.makelele.cn/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘 （SCLK）；一個或多個芯片選擇 （SS） 可實(shí)現(xiàn)對多個目標(biāo)的尋址，兩個數(shù)據(jù)信號（MOSI 和 MISO）可在每個方向傳輸數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)已以各種方式擴(kuò)展以支持更高的性能，現(xiàn)在包括通過 SPI 接口執(zhí)行軟復(fù)位的能力。

為了增加帶寬，SPI 接口得到了發(fā)展和發(fā)展，現(xiàn)在變體包括雙 SPI，它使用半雙工配置中的兩個數(shù)據(jù)引腳每個時鐘周期發(fā)送兩個位，以及四和八進(jìn)制 SPI，它添加更多數(shù)據(jù)線到每個時鐘周期傳輸更多位。此外，它們都可以在雙倍數(shù)據(jù)速率 （DDR） 模式下使用，該模式在兩個時鐘沿傳輸數(shù)據(jù)。

四路和八路 SPI 接口由 JEDEC 擴(kuò)展 SPI （xSPI） 標(biāo)準(zhǔn) JESD251 定義，該標(biāo)準(zhǔn)提供了硬件指南以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中高吞吐量 xSPI 設(shè)備的無故障集成。

最近，JEDEC 還定義并發(fā)布了一個標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定通過串行接口重置設(shè)備。該復(fù)位協(xié)議在 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD252 中定義，無需串行閃存中的專用復(fù)位引腳。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了芯片選擇、時鐘和輸入數(shù)據(jù)信號需要遵循的特定序列，以使設(shè)備執(zhí)行硬件復(fù)位。使用這種模式是為了避免由串行數(shù)據(jù)線上的噪聲引起的雜散轉(zhuǎn)換不會導(dǎo)致意外復(fù)位。在復(fù)位期間，時鐘信號保持低電平，進(jìn)一步確保引腳轉(zhuǎn)換不會被解釋為數(shù)據(jù)傳輸，而片選引腳用于確保只有特定設(shè)備被復(fù)位。

SPI閃存廣泛用于嵌入式產(chǎn)品，尤其是代碼。這使得它對整體功能至關(guān)重要，因此保持可靠運(yùn)行至關(guān)重要，包括在必要時發(fā)出重置的能力。

使用復(fù)位進(jìn)行初始化和恢復(fù)

系統(tǒng)通常在上電時使用復(fù)位功能，以確保系統(tǒng)的所有部分都以已知狀態(tài)啟動。復(fù)位還可用于從運(yùn)行期間可能由硬件問題引起的嚴(yán)重故障中恢復(fù)，其中包括信號完整性和時序問題、電磁干擾或由背景輻射引起的隨機(jī)存儲器損壞（另請參見“緩解亞穩(wěn)態(tài)”）。軟件錯誤也可能導(dǎo)致程序崩潰和無響應(yīng)。

這些偶爾出現(xiàn)的錯誤可能只對消費(fèi)者造成不便，但對于物聯(lián)網(wǎng)來說可能是一個嚴(yán)重的問題，其中成千上萬的節(jié)點(diǎn)需要具有高水平的可用性。越來越多地，這些設(shè)備可能無法輕松訪問以進(jìn)行手動重置或電源循環(huán)。嵌入式系統(tǒng)通常會使用看門狗定時器和其他自檢機(jī)制來檢測故障并采取糾正措施。這可能意味著執(zhí)行“軟”重置，其中只有必要的子系統(tǒng)在處理器的控制下被重置。

SPI 接口是有狀態(tài)的。例如，在接收到命令后，閃存將期待一定數(shù)量的地址或數(shù)據(jù)傳輸。任何導(dǎo)致主機(jī)和內(nèi)存之間失去同步的錯誤都將導(dǎo)致不可預(yù)知的行為。要從這種情況中恢復(fù)，主機(jī)需要能夠通過執(zhí)行軟復(fù)位將串行存儲器復(fù)位到已知狀態(tài)。這種復(fù)位有助于保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并且在沒有任何外部故障指示的情況下進(jìn)行。因此，它們現(xiàn)在可以被視為嵌入式系統(tǒng)操作的標(biāo)準(zhǔn)功能。

雖然一些串行閃存可能有一個專用的復(fù)位引腳，但其他的使用多路復(fù)用來減少引腳數(shù)，在這種情況下，復(fù)位引腳也將是一個 I/O 引腳，在某些情況下，制造商可能不會在全部。即使有可用的復(fù)位引腳，將微控制器的輸出專用于控制它也可能不切實(shí)際。JESD252 規(guī)范已經(jīng)制定，因此串行閃存器件仍然可以支持復(fù)位功能，而無需專用或物理復(fù)位引腳。除了錯誤恢復(fù)之外，串行復(fù)位機(jī)制可以在啟動時使用，以確保在電源穩(wěn)定后正確啟動串行存儲器。

就地執(zhí)行

傳統(tǒng)的串行閃存通過低速 SPI 連接，這意味著如果這些設(shè)備用于存儲程序存儲器，處理器必須先將代碼復(fù)制到片上 SRAM 中才能執(zhí)行。就地執(zhí)行或 XiP 是串行閃存，它通過提供更快和更寬的接口消除了這一要求。反過來，這減少了對片上 SRAM 的需求，從而可以降低主機(jī)微控制器或處理器的價格。

Adesto 的 EcoXiP具有八通道 SPI 接口，與其他八通道器件相比，具有顯著降低的功耗和比四通道 SPI 存儲器更高的性能，可提供高性能。

對于現(xiàn)代嵌入式設(shè)備，XiP 是一項有價值的發(fā)展，尤其是因?yàn)槠祥W存價格昂貴且尺寸有限。微控制器通常具有最大 1 MB 的內(nèi)部閃存，但現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常需要更多的代碼空間來存儲通信堆棧、無線接口、音頻處理、機(jī)器視覺和應(yīng)用軟件等功能。將 XiP 與外部閃存結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)更大的代碼存儲空間。它還通過消除代碼傳輸階段來縮短啟動時間。

XiP 的使用使 SRAM 可自由用于數(shù)據(jù)存儲而不是代碼，從而減少了所需的 SRAM 數(shù)量。這可以通過消除對外部 SRAM 的需要或允許使用具有較少片上 SRAM 的微控制器來降低系統(tǒng)成本。雖然 NOR 閃存允許隨機(jī)訪問，但微控制器需要將串行接口映射到自己的內(nèi)存空間，因此它被視為內(nèi)存的另一個區(qū)域，因此可以支持 XiP。為了進(jìn)一步提高性能，EcoXiP 針對代碼執(zhí)行進(jìn)行了優(yōu)化。

標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口專為隨機(jī)訪問而設(shè)計；每次讀取都包含一個命令、一個地址和返回的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)返回后，可以再次請求。然而，指令通常是從連續(xù)的地址中獲取的。EcoXiP 接口通過為每個讀取請求提供連續(xù)字節(jié)來利用這一點(diǎn)，直到發(fā)送具有新地址的命令。這可以通過消除每次獲取發(fā)送新地址的延遲來使總線吞吐量翻倍。EcoXiP 可以以 156 MB/s（峰值 266 MB/s）的持續(xù)速率提供指令。

傳統(tǒng) NOR 閃存的另一個問題是寫入比讀取慢幾個數(shù)量級。這意味著在執(zhí)行代碼時無法將數(shù)據(jù)寫入閃存，因?yàn)檫@樣做會對性能產(chǎn)生重大影響。EcoXiP 通過靈活地將內(nèi)存劃分為獨(dú)立的 bank 來支持并發(fā)讀寫。這使得使用 XiP 執(zhí)行代碼成為可能，同時將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存并執(zhí)行無線 （OTA） 更新。

支持 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，包括遠(yuǎn)程復(fù)位，使業(yè)界更容易采用帶有 XiP 的串行閃存。

結(jié)論

能夠在主機(jī)處理器的控制下復(fù)位串行閃存是嵌入式系統(tǒng)的一項重要要求。JEDEC JESD252 串行復(fù)位協(xié)議無需存儲器上的復(fù)位引腳或來自微控制器或主機(jī)處理器的專用信號即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

盡管使用串行復(fù)位和 XiP 會影響主機(jī)和內(nèi)存的設(shè)計，但越來越多的微控制器正在增加對這些標(biāo)準(zhǔn)的支持。Adesto 是第一家推出支持串行閃存復(fù)位信號協(xié)議和 xSPI 標(biāo)準(zhǔn)的串行 NOR 閃存的制造商。EcoXiP 提供所需的執(zhí)行性能，同時降低系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)成本。它還實(shí)現(xiàn)了串行閃存發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，并具有提高電源效率和安全性的其他功能。

通過這些技術(shù)，嵌入式工程師可以更好地應(yīng)對他們在開發(fā)面向物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品時面臨的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷