電子產品因數據存儲、內部指令執行、系統數據交換等功能需要，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。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勢，成為“代碼執行”的理想選擇。NOR架構另一個優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據可靠性的應用，如代碼執行所需，NOR閃存是一個很好的選擇。比如，在物聯網和人工智能技術蓬勃發展的今天，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閃存則是數據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）、兆易創新（中國大陸）、賽普拉斯（美國）、美光（美國）。行業內主流NOR Flash產品的工藝節點仍為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）、西部數據（美國）、美光（美國）、英特爾（美國）、SK海力士（韓國）等傳統大廠手上，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據總線的并行接口。隨著密度的增長，并行接口的信號數逐漸提高，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的并行地址和數據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）數據總線。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計的數據總線寬度)

根據此公式我們可以算出具有16位數據總線的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閃存使用的接口數會非常多，給電路設計帶來很大困難。因此目前大多數的NOR閃存都采用了串行接口。

串行NOR閃存的電氣接口

串行接口的接口數量大大減少，可以實現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)協議與存儲器控制器連接。為了實現更高的速度，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，以加倍數據傳輸。也就是對于閃存的Dual SPI，可以發送一個命令字節進入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數據。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的規格書我們可以看到，在數據傳輸方式上，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數據比，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。市面上大多數的串行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。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

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