正確選擇閃存寫入緩沖區大小，優化擦寫速度

在各種電子技術快速發展和電子市場高速擴大的今天，存儲器的需求量迅猛增長。在眾多存儲器類型中，NOR型閃存由于具有隨機讀寫速度快，可靠性能高等優點，被廣泛的應用于各種電子設備，如移動產品，汽車電子等。從1988年發展至今，NOR型閃存技術緊跟市場發展需求也在不斷地進步更新，不僅容量日益增大，可靠性能越來越高，隨機讀寫速度也越來越快。隨著各種電子設備的系統功能復雜化，對存儲器進行頻繁讀寫成了最基本的操作，讀寫速度在實際應用中成為衡量NOR型閃存越來越重要的性能指標。

隨機讀取，擦除（使存儲內容從０變１），和寫入（使存儲內容從１變０）是對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進行，所以大多數情況下，在進行寫入操作之前必須先執行擦除。隨著工藝和電路設計上的提高，NOR型閃存的隨機讀取速度基本在百ns以內（如Numonyx的主要產品系列均在110ns以內），而同步讀取速度最高可達333MHz（如Numonyx某具有LPDDR接口的NOR型閃存）；對NOR型閃存進行擦除一般是以64K~128KB的塊為整體進行的，通常執行一個擦除操作的時間約為0.2~4s；對NOR型閃存的寫入可以按照緩沖區大小，雙字節甚至比特操作，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品工藝和設計有關外，還與寫入緩沖區容量有著密切關系。目前，市場上的閃存產品主要都采用不高于64字節的寫入緩沖區容量，例如常見的S29GL和SSF29產品系列等。64字節的寫入緩沖區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。在實際應用中，工程師總是希望存儲器具有較快的寫入速度，但往往容易忽略緩沖區大小和寫入速度的關系。 最近，Numonyx公司開發推出了基于65nm技術，最高可達1024字節寫入緩沖區容量的NOR型M29EW閃存。本文對此產品的寫入緩沖區大小與寫速度的關系進行了詳細分析。推薦工程師在實際應用中，可以通過選擇合適的盡可能大的寫入緩沖區大小，最大可能的優化擦寫速度。

提高百倍的平均每字節寫入速度
?Numonyx公司的M29EW閃存，有兩種寫入方式。一種是字寫入方式（Word program），每次可對單個或者兩個字節進行寫入。另一種是緩存寫入方式（Buffer program），根據選擇的寫入緩沖區大小，每次可對1~1024個字節進行寫入。字寫入方式具有較高的靈活性，可以對任意單個地址空間進行寫入操作，但寫入時間較長，在需要對連續地址空間進行寫入時，寫入效率較低。緩存寫入方式，不但同樣具備單字節或雙字節寫入能力，最多還可以一次性寫入連續的1024字節的地址空間。本文選取了M29EW系列中的128MB產品，重點對緩存寫入方式進行分析。使用不同的寫入緩沖區大小對連續地址空間進行寫入，發現，采用大的寫入緩沖區單次寫入時間較長。在-40C的環境溫度下，用2字節寫入緩沖區大小寫入2字節的連續地址空間大概需要200us，在相同測試條件，用1024字節的寫入緩沖區對1024字節連續地址空間進行寫入大概需要近700us。但是采用大的寫入緩沖區一次寫入操作可以對更多的地址空間進行操作。這樣平均到每字節所需的平均寫入時間，反而是采用大的寫入緩沖區時間短，如圖1所示。圖1中的兩條線分別表示-40C和85C的使用環境溫度，橫坐標表示采用的寫入緩沖區大小，縱坐標是平均每字節的寫入時間，為方便結果比較，縱坐標采用了對數坐標。由圖可得，同樣在-40C的環境溫度下，用2字節的寫入緩沖區大小每字節的平均寫入時間大約是100us，而采用64字節的寫入緩沖區大小，平均每字節的寫入時間就減少到10us以下，如果采用1024字節的寫入緩沖區大小，平均每字節所需的寫入時間已經低于1us！需要說明的是，所要寫入的數據不同也會對寫入時間造成較大的影響，為方便比較，本文對各種寫入操作采用相同的寫入內容，這里測試的結果重點也放在采用不同緩沖區大小的速度相對值的比較上，而不是絕對值。

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圖1. 采用不同寫入緩沖區大小寫入與平均每字節寫入時間的關系

由于采用大的寫入緩沖區可以提高單字節的寫入速度，因此當工程師進行大塊字節的擦寫操作時，采用盡可能大的寫入緩沖區可以最大的提高擦寫效率。例如，當需要對一塊連續128KB的地址空間進行擦寫操作時，可選擇采用不同的寫入緩沖區大小進行寫入，圖2給出了寫入緩沖區大小與完成操作的寫入時間的關系。不難看出，與圖1相同，采用1024字節寫入緩沖區大小所需時間最短，相比2字節的寫入緩沖區大小，速度提高百倍以上。

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圖2. 采用不同的寫入緩沖區大小寫入128KB連續地址空間所需時間

除寫入緩沖區大小外，由上面的數據還可以發現，適當的降低寫入時閃存所處的環境溫度，也可以對寫入速度有所提高。除此之外，適當的提高寫入電壓，也會提升寫入速度。但是對于一個復雜的電子系統，內部操作電壓和環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于擦寫速度的提高效果在實際應用中往往存在較大的局限性。相比，選擇較大的寫入緩沖區大小僅對閃存本身進行操作，在相同環境條件下是提高寫入效率最簡便易行的方法。

對小范圍地址空間的高效寫入
還有一個在實際應用中值得工程師關注的問題是，當需要寫入的地址空間僅僅是小范圍內的，如只有512字節或者更低到64字節，該如何選取寫入緩沖區大小才會具有較高的寫入速度？對此，采用不同的寫入緩沖區大小（64-1024字節）分別對64-512字節的連續地址空間進行寫入操作，記錄各自所用的寫入時間，如圖3所示。這里，之所以最低考慮到64字節地址空間，是因為寫入到NOR型閃存的數據量通常要高于64字節。如果實際應用中只需要寫入更少的地址空間，如只有兩字節地址范圍，本文的結果依然適用。在使用1024字節的寫入緩沖區大小去寫入512字節的地址空間時，緩沖區中的前512個字節填入所需要寫入的數據，其余用冗余數據（FFh）來填充。結果如圖3所示，每條線代表不同的地址空間大小，橫坐標表示采用的寫入緩沖區大小，縱坐標表示完成所有地址空間寫入所用的時間。結果表明，當對64字節連續地址空間進行寫入時，采用大于64字節的寫入緩沖區大小的寫入時間基本相當；同樣，當對連續空間大小為512字節時，512字節與1024字節的寫入緩沖區大小所用寫入時間基本一致，而較低的寫入緩沖區大小，如64/128/256字節，則所需時間明顯增加。但考慮到用1024字節的寫入緩沖區相比使用512字節緩沖區需要多發送512個字節的冗余數據，會耗費512個命令周期時間，因此選擇512字節緩沖區大小具有最高的寫入效率。因此，當只需寫入較小范圍的地址空間時，可以選擇跟寫入地址空間大小相同的緩沖區大小，寫入效率最高。當然在實際應用中，如果為了簡化操作需要采用固定的寫入緩沖區大小，使用大容量的寫入緩沖區由于具有較高的平均每字節寫入速度，依然具有較高的寫入效率。
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圖3. 對小地址空間（64~512字節）進行寫入操作時，采用不同緩沖區大小與寫入時間關系

大容量寫入緩沖區的產品優勢
再來對比Numonyx公司的M29EW與市場上的同類產品S29GL256P。M29EW具有1024字節的寫入緩沖區大小而S29GL256P最大的寫入緩沖區為64字節。為了說明問題，這里同時對兩種閃存芯片相同大小的地址空間進行擦寫操作，如圖4所示。測試結果表明，M29EW整體的寫入時間是S29GL256P的30%，寫入效率遠遠高于S29GL256P。究其原因很簡單，M29EW采用1024字節的寫入緩沖區大小，使得其在寫入時間相比最高采用64字節寫入緩沖區的S29GL256P，優勢非常明顯。
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圖4. M29EW與S29GL256P寫入速度比較

（均采用產品最大寫入緩沖區大小，M29EW是1024字節而S29Gl256P是64字節）
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結論
綜上所述，我們對Numonyx公司的NOR型閃存M29EW進行了測試分析，并與市場上同類的S29GL系列產品進行了比較。分析結果表明，對于需要經常進行讀寫操作的電子產品，如移動電子設備，汽車電子設備來說，在設計過程中采用盡可能大的緩沖區大小，提高平均每字節寫入速度，是優化提高讀寫速度的關鍵，同時也是最簡單易行的方法。在執行相同的寫入操作時，選用1024字節的寫入緩沖區大小，可使寫入速度相比使用64字節緩沖區至少提高2.5倍以上。