正確選擇閃存寫入緩沖區(qū)大小，優(yōu)化擦寫速度

在各種電子技術(shù)快速發(fā)展和電子市場(chǎng)高速擴(kuò)大的今天，存儲(chǔ)器的需求量迅猛增長(zhǎng)。在眾多存儲(chǔ)器類型中，NOR型閃存由于具有隨機(jī)讀寫速度快，可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如移動(dòng)產(chǎn)品，汽車電子等。從1988年發(fā)展至今，NOR型閃存技術(shù)緊跟市場(chǎng)發(fā)展需求也在不斷地進(jìn)步更新，不僅容量日益增大，可靠性能越來(lái)越高，隨機(jī)讀寫速度也越來(lái)越快。隨著各種電子設(shè)備的系統(tǒng)功能復(fù)雜化，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行頻繁讀寫成了最基本的操作，讀寫速度在實(shí)際應(yīng)用中成為衡量NOR型閃存越來(lái)越重要的性能指標(biāo)。

隨機(jī)讀取，擦除（使存儲(chǔ)內(nèi)容從０變１），和寫入（使存儲(chǔ)內(nèi)容從１變０）是對(duì)閃存的三種基本操作。任何閃存器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。隨著工藝和電路設(shè)計(jì)上的提高，NOR型閃存的隨機(jī)讀取速度基本在百ns以內(nèi)（如Numonyx的主要產(chǎn)品系列均在110ns以內(nèi)），而同步讀取速度最高可達(dá)333MHz（如Numonyx某具有LPDDR接口的NOR型閃存）；對(duì)NOR型閃存進(jìn)行擦除一般是以64K~128KB的塊為整體進(jìn)行的，通常執(zhí)行一個(gè)擦除操作的時(shí)間約為0.2~4s；對(duì)NOR型閃存的寫入可以按照緩沖區(qū)大小，雙字節(jié)甚至比特操作，其中按比特寫入可使任一比特由1變成0，NOR的寫入速度除了與產(chǎn)品工藝和設(shè)計(jì)有關(guān)外，還與寫入緩沖區(qū)容量有著密切關(guān)系。目前，市場(chǎng)上的閃存產(chǎn)品主要都采用不高于64字節(jié)的寫入緩沖區(qū)容量，例如常見(jiàn)的S29GL和SSF29產(chǎn)品系列等。64字節(jié)的寫入緩沖區(qū)容量意味著一次寫入操作最大能寫入的地址空間范圍為64字節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師總是希望存儲(chǔ)器具有較快的寫入速度，但往往容易忽略緩沖區(qū)大小和寫入速度的關(guān)系。 最近，Numonyx公司開(kāi)發(fā)推出了基于65nm技術(shù)，最高可達(dá)1024字節(jié)寫入緩沖區(qū)容量的NOR型M29EW閃存。本文對(duì)此產(chǎn)品的寫入緩沖區(qū)大小與寫速度的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析。推薦工程師在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)選擇合適的盡可能大的寫入緩沖區(qū)大小，最大可能的優(yōu)化擦寫速度。

提高百倍的平均每字節(jié)寫入速度
?Numonyx公司的M29EW閃存，有兩種寫入方式。一種是字寫入方式（Word program），每次可對(duì)單個(gè)或者兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行寫入。另一種是緩存寫入方式（Buffer program），根據(jù)選擇的寫入緩沖區(qū)大小，每次可對(duì)1~1024個(gè)字節(jié)進(jìn)行寫入。字寫入方式具有較高的靈活性，可以對(duì)任意單個(gè)地址空間進(jìn)行寫入操作，但寫入時(shí)間較長(zhǎng)，在需要對(duì)連續(xù)地址空間進(jìn)行寫入時(shí)，寫入效率較低。緩存寫入方式，不但同樣具備單字節(jié)或雙字節(jié)寫入能力，最多還可以一次性寫入連續(xù)的1024字節(jié)的地址空間。本文選取了M29EW系列中的128MB產(chǎn)品，重點(diǎn)對(duì)緩存寫入方式進(jìn)行分析。使用不同的寫入緩沖區(qū)大小對(duì)連續(xù)地址空間進(jìn)行寫入，發(fā)現(xiàn)，采用大的寫入緩沖區(qū)單次寫入時(shí)間較長(zhǎng)。在-40C的環(huán)境溫度下，用2字節(jié)寫入緩沖區(qū)大小寫入2字節(jié)的連續(xù)地址空間大概需要200us，在相同測(cè)試條件，用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)對(duì)1024字節(jié)連續(xù)地址空間進(jìn)行寫入大概需要近700us。但是采用大的寫入緩沖區(qū)一次寫入操作可以對(duì)更多的地址空間進(jìn)行操作。這樣平均到每字節(jié)所需的平均寫入時(shí)間，反而是采用大的寫入緩沖區(qū)時(shí)間短，如圖1所示。圖1中的兩條線分別表示-40C和85C的使用環(huán)境溫度，橫坐標(biāo)表示采用的寫入緩沖區(qū)大小，縱坐標(biāo)是平均每字節(jié)的寫入時(shí)間，為方便結(jié)果比較，縱坐標(biāo)采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。由圖可得，同樣在-40C的環(huán)境溫度下，用2字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小每字節(jié)的平均寫入時(shí)間大約是100us，而采用64字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小，平均每字節(jié)的寫入時(shí)間就減少到10us以下，如果采用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小，平均每字節(jié)所需的寫入時(shí)間已經(jīng)低于1us！需要說(shuō)明的是，所要寫入的數(shù)據(jù)不同也會(huì)對(duì)寫入時(shí)間造成較大的影響，為方便比較，本文對(duì)各種寫入操作采用相同的寫入內(nèi)容，這里測(cè)試的結(jié)果重點(diǎn)也放在采用不同緩沖區(qū)大小的速度相對(duì)值的比較上，而不是絕對(duì)值。

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圖1. 采用不同寫入緩沖區(qū)大小寫入與平均每字節(jié)寫入時(shí)間的關(guān)系

由于采用大的寫入緩沖區(qū)可以提高單字節(jié)的寫入速度，因此當(dāng)工程師進(jìn)行大塊字節(jié)的擦寫操作時(shí)，采用盡可能大的寫入緩沖區(qū)可以最大的提高擦寫效率。例如，當(dāng)需要對(duì)一塊連續(xù)128KB的地址空間進(jìn)行擦寫操作時(shí)，可選擇采用不同的寫入緩沖區(qū)大小進(jìn)行寫入，圖2給出了寫入緩沖區(qū)大小與完成操作的寫入時(shí)間的關(guān)系。不難看出，與圖1相同，采用1024字節(jié)寫入緩沖區(qū)大小所需時(shí)間最短，相比2字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小，速度提高百倍以上。

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圖2. 采用不同的寫入緩沖區(qū)大小寫入128KB連續(xù)地址空間所需時(shí)間

除寫入緩沖區(qū)大小外，由上面的數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)慕档蛯懭霑r(shí)閃存所處的環(huán)境溫度，也可以對(duì)寫入速度有所提高。除此之外，適當(dāng)?shù)奶岣邔懭腚妷?，也?huì)提升寫入速度。但是對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，內(nèi)部操作電壓和環(huán)境溫度往往受其他器件影響難以控制，因此改變溫度和寫入電壓對(duì)于擦寫速度的提高效果在實(shí)際應(yīng)用中往往存在較大的局限性。相比，選擇較大的寫入緩沖區(qū)大小僅對(duì)閃存本身進(jìn)行操作，在相同環(huán)境條件下是提高寫入效率最簡(jiǎn)便易行的方法。

對(duì)小范圍地址空間的高效寫入
還有一個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中值得工程師關(guān)注的問(wèn)題是，當(dāng)需要寫入的地址空間僅僅是小范圍內(nèi)的，如只有512字節(jié)或者更低到64字節(jié)，該如何選取寫入緩沖區(qū)大小才會(huì)具有較高的寫入速度？對(duì)此，采用不同的寫入緩沖區(qū)大小（64-1024字節(jié)）分別對(duì)64-512字節(jié)的連續(xù)地址空間進(jìn)行寫入操作，記錄各自所用的寫入時(shí)間，如圖3所示。這里，之所以最低考慮到64字節(jié)地址空間，是因?yàn)閷懭氲絅OR型閃存的數(shù)據(jù)量通常要高于64字節(jié)。如果實(shí)際應(yīng)用中只需要寫入更少的地址空間，如只有兩字節(jié)地址范圍，本文的結(jié)果依然適用。在使用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小去寫入512字節(jié)的地址空間時(shí)，緩沖區(qū)中的前512個(gè)字節(jié)填入所需要寫入的數(shù)據(jù)，其余用冗余數(shù)據(jù)（FFh）來(lái)填充。結(jié)果如圖3所示，每條線代表不同的地址空間大小，橫坐標(biāo)表示采用的寫入緩沖區(qū)大小，縱坐標(biāo)表示完成所有地址空間寫入所用的時(shí)間。結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)64字節(jié)連續(xù)地址空間進(jìn)行寫入時(shí)，采用大于64字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小的寫入時(shí)間基本相當(dāng)；同樣，當(dāng)對(duì)連續(xù)空間大小為512字節(jié)時(shí)，512字節(jié)與1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小所用寫入時(shí)間基本一致，而較低的寫入緩沖區(qū)大小，如64/128/256字節(jié)，則所需時(shí)間明顯增加。但考慮到用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)相比使用512字節(jié)緩沖區(qū)需要多發(fā)送512個(gè)字節(jié)的冗余數(shù)據(jù)，會(huì)耗費(fèi)512個(gè)命令周期時(shí)間，因此選擇512字節(jié)緩沖區(qū)大小具有最高的寫入效率。因此，當(dāng)只需寫入較小范圍的地址空間時(shí)，可以選擇跟寫入地址空間大小相同的緩沖區(qū)大小，寫入效率最高。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，如果為了簡(jiǎn)化操作需要采用固定的寫入緩沖區(qū)大小，使用大容量的寫入緩沖區(qū)由于具有較高的平均每字節(jié)寫入速度，依然具有較高的寫入效率。
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圖3. 對(duì)小地址空間（64~512字節(jié)）進(jìn)行寫入操作時(shí)，采用不同緩沖區(qū)大小與寫入時(shí)間關(guān)系

大容量寫入緩沖區(qū)的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
再來(lái)對(duì)比Numonyx公司的M29EW與市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品S29GL256P。M29EW具有1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小而S29GL256P最大的寫入緩沖區(qū)為64字節(jié)。為了說(shuō)明問(wèn)題，這里同時(shí)對(duì)兩種閃存芯片相同大小的地址空間進(jìn)行擦寫操作，如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明，M29EW整體的寫入時(shí)間是S29GL256P的30%，寫入效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S29GL256P。究其原因很簡(jiǎn)單，M29EW采用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小，使得其在寫入時(shí)間相比最高采用64字節(jié)寫入緩沖區(qū)的S29GL256P，優(yōu)勢(shì)非常明顯。
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圖4. M29EW與S29GL256P寫入速度比較

（均采用產(chǎn)品最大寫入緩沖區(qū)大小，M29EW是1024字節(jié)而S29Gl256P是64字節(jié)）
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結(jié)論
綜上所述，我們對(duì)Numonyx公司的NOR型閃存M29EW進(jìn)行了測(cè)試分析，并與市場(chǎng)上同類的S29GL系列產(chǎn)品進(jìn)行了比較。分析結(jié)果表明，對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行讀寫操作的電子產(chǎn)品，如移動(dòng)電子設(shè)備，汽車電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用盡可能大的緩沖區(qū)大小，提高平均每字節(jié)寫入速度，是優(yōu)化提高讀寫速度的關(guān)鍵，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單易行的方法。在執(zhí)行相同的寫入操作時(shí)，選用1024字節(jié)的寫入緩沖區(qū)大小，可使寫入速度相比使用64字節(jié)緩沖區(qū)至少提高2.5倍以上。