嵌入式Flash和SPI Flash深入理解学习笔记。
一、Flash Memory简介
Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。
另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。
二、Flash Memory的主要特性
与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：
- 需要先擦除再写入 Flash Memory 写入数据时有一定的限制。它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。
- 块擦除次数有限 Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。 为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。）
- 读写干扰 由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常。这种异常可以通过重新擦除来恢复。Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。
- 电荷泄漏 存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误。不过这个时间比较长，一般十年左右。此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。
三、NOR Flash 和 NAND Flash
根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。主要的差异如下所示：
- NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；
- NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；
- NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；
- NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；
- NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；
- NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；
- NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。
- 大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；
（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）
1、NOR Flash
NOR Flash 根据与 CPU 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。
Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。
鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。
2、NAND Flash
NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：
NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。
NAND Flash 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。
NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。Table 1 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。
| SLC | MLC | TLC | |
|---|---|---|---|
| 制造成本 | 30-35 doller/32 GB | 17 doller/32 GB | 9-12 doller/32GB |
| 擦写次数 | 10万次或更高 | 1万次或更高 | 5000次甚至更高 |
| 存储单元 | 1bit/cell | 2bit/cell | 3bit /cell |
相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash。PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。
ROW flash 和 managed flash
由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。
在具体实现中，根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。
1、Raw Flash
在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。
通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。
2、Managed Flash
Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。
SPI Flash和嵌入式Flash优劣势
国外大型半导体企业的MCU/SoC的代码存储多采用Embedded Flash IP。国内外有许多供应商或者代工厂都可提供验证好的IP。但是国内的三高芯片(主频高，RAM容量高，Flash容量高)却倾向于使用第三方SPI Flash，配合额外的Cache，存在一系列问题：功耗、可用主频、不确定的Latency，调试，加密，RAM占用高导致可用RAM大幅降低。
实际最根本的原因还是成本限制，嵌入式Flash在实际MCU中占用面积很大，甚至可以说MCU实际上就是卖Flash送MCU，从这里可以看出嵌入式Flash在MCU中的占比。
另外一个原因就是采用了SPI Flash之后，MCU的工艺选择范围就会拓宽很多，可以通过采用更为先进的工艺实现更强劲的功能。而SPI Flash本身也很成熟，成本也比较低，所以采用外置SPI Flash算是取二者所长。
至于功耗、可用主频、不确定的Latency，调试，加密这些，对于实际使用来说，重要性还是没有成本高。对于加密部分可以采用合封等方式，甚至用OTFAD等专用加解密模块来保证，即使加了这些模块，对于MCU来讲还是有成本优势的。
先说运行原理，CPU不管代码是从哪儿来的，只要能通过总线直接寻址就可以。所以无论是啥接口啥规格的存储器，只要能在连接到总线后做到可直接寻址，那么CPU都可以执行上面的代码，无非就是快慢的区别。通常情况下常见的接口就是并口和SPI，存储器类型也基本限定为NOR Flash和SRAM（或SDRAM）。
通常说的内置Flash或者说叫片上Flash。是把Flash视为一个片内的外设，和其他的模块（CPU、SRAM等）做在同一片晶圆上，而且通常直接挂接在内部高速总线上。这种工艺成本最高，性能最好。
还有一种内置Flash就是简单的把一颗SPI或者其他接口的Flash芯片通过SIP工艺和MCU封装在一起。这种MCU如果你用强酸把封装融化会看到2片硅晶片，其中一片是MCU，另一片就是Flash芯片。两者之间一般通过SPI或者SPI的多线版本（QSPI，OSPI，HexSPI等等）进行连接。
这种的如果直接从SPI Flash执行当然会非常慢。但是你看这种MCU的规格书，你大概率会看到一个所谓的“零等待Flash”区，尤其是Flash比较大的型号上更为常见。实际上，这种方案为了速度牺牲了一部分内部的SRAM，在上电的时候把Flash中的一部分数据拷贝到内部SRAM里，这部分区域就是所谓的零等待区了。而SRAM做大了成本也很高，所以缓存不了全部，所以零等待区以外的数据在访问起来就会特别的慢。当然还有其他加速访问Flash的技术手段（如Cache），Cache又可分为Icache和Dcache，后面将会写一篇文章来专门讲解Cache和Flash搭配，以及对应DMA，指令跳转，备份域读写访问等的影响。