傳統(tǒng)閃存盤單一的功能和大同小異的外觀已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求，如何創(chuàng)新成為閃存盤廠商急需解決的難題。本文通過對(duì)這些挑戰(zhàn)形成進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策，著重闡述了基于CBM2080/1180 USB主控芯片的閃存盤產(chǎn)品的二次開發(fā)應(yīng)用。
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圖1：CBM2080芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
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閃存盤剛剛上市就以兼容性好、小巧、安全、高速、大容量等眾多特點(diǎn)，快速贏得消費(fèi)者的認(rèn)可，然而，由于閃盤的半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片和控制芯片單一的結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致閃存盤產(chǎn)品存在技術(shù)含量有限的先天性不足。在閃存盤市場(chǎng)的發(fā)展歷程中，很多初期涉足閃存盤領(lǐng)域的廠商已經(jīng)充分體驗(yàn)了由于核心技術(shù)門檻不高而被越來越多廠商效仿和趕超的無奈，產(chǎn)品利潤(rùn)從前兩年200%～300%，降到現(xiàn)在的20%～10%左右。
但是利潤(rùn)的下降，并不意味著閃存盤的發(fā)展空間達(dá)到上限，從市場(chǎng)的反應(yīng)和閃存盤應(yīng)用領(lǐng)域來看，市場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到飽和。移動(dòng)存儲(chǔ)的發(fā)展被行業(yè)人士普遍看好，以閃盤為例，Intel已在2002年初宣布將在未來的主板芯片組中徹底停止對(duì)軟驅(qū)的支持，聯(lián)想等國(guó)際廠商也已推出標(biāo)配USB閃存盤的電腦，閃存盤取代軟驅(qū)已成大勢(shì)所趨；隨著閃存盤更多的介入個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，傳統(tǒng)存盤單一的功能和大同小異的外觀已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求，這使得用戶要求更多類型的產(chǎn)品被開發(fā)出來。由此看來，閃存盤的發(fā)展正面臨著新的發(fā)展契機(jī)。
閃存盤廠商該如何迎接上述挑戰(zhàn)和把握新的契機(jī)？本文通過具體討論基于深圳芯邦微電子有限公司CBM2080型USB2.0和CBM1180型USB1.1主控芯片二次開發(fā)應(yīng)用，來闡述利用創(chuàng)新來解決這些問題的途徑。
CBM2080/1180功能概述
CBM2080是芯邦最新推出的自主設(shè)計(jì)控制芯片，采用32位專用處理器、0.18um工藝，支持NAND、AG-AND、MLC和NOR等閃存，USB2.0/USB1.1芯片管腳對(duì)管腳兼容，BOM和軟件相同，USB2.0工作電流<50mA。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
CBM2080/1180的主要特色如下：
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圖3：CBM2080/1180軟件層次的劃分。
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1．以軟件配置實(shí)現(xiàn)對(duì)各種閃存支持
在整個(gè)閃存盤成本構(gòu)成中，閃存占據(jù)了絕大部分，為了降低成本、獲取更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，閃存盤制造廠商需要更大的閃存選擇空間。CBM2080/CBM1180閃存控制芯片目前已能支持各主流廠商的不同型號(hào)NAND、MLC NAND、AG-AND和NOR閃存，且閃存容量不受限制，拓展了閃存盤制造廠商對(duì)閃存的選擇空間。
同時(shí)，無線和消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)，吸引了Hynix、意法半導(dǎo)體、英飛凌等DRAM廠商紛紛進(jìn)入閃存領(lǐng)域，各種閃存不斷推陳出新。為了能對(duì)新推出的閃存進(jìn)行及時(shí)和有效的支持，芯邦還開發(fā)了獨(dú)特的閃存兼容配置功能，即通過軟件升級(jí)方式迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)各種最新閃存的支持，閃存盤制造廠商只須從芯邦公司網(wǎng)站下載相關(guān)軟件(如量產(chǎn)程序軟件)進(jìn)行生產(chǎn)即可，而不需要對(duì)控制芯片本身進(jìn)行硬件上的更新?lián)Q代。
一般的控制芯片本身進(jìn)行硬件或ROM固件更新?lián)Q代就需要數(shù)月的時(shí)間，而芯邦通過采用該項(xiàng)獨(dú)有技術(shù)將該時(shí)間壓縮到僅需數(shù)天甚至幾小時(shí)，不僅打破了傳統(tǒng)型“反饋-重新設(shè)計(jì)-重新制造-重新采用”的高成本和低效率模式，更重要的是，閃存盤制造商能夠迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)具有高性價(jià)比的新閃存的支持，降低了材料成本，同時(shí)由于USB1.1和USB2.0管腳對(duì)管腳兼容，減少了庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)和重復(fù)工程開發(fā)費(fèi)用。
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圖4：帶指紋識(shí)別功能的閃存盤硬件組成框圖。
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2．超強(qiáng)ECC糾錯(cuò)能力，對(duì)性能偏差的特殊閃存也能支持
與存取速度同等重要的是閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性。閃存本身的電特性決定了其存儲(chǔ)位單元讀寫時(shí)可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，尤其是采用了MLC NAND、AG-AND閃存時(shí)該現(xiàn)象更加明顯。為此，各種閃存對(duì)糾錯(cuò)能力都有最低要求，如SLC NAND、MLC NAND、AG-AND閃存的最低要求分別是1比特、4比特和3比特。而CBM2080的糾錯(cuò)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述要求，達(dá)到每528個(gè)字節(jié)可糾正任意3個(gè)字節(jié)(24比特)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，兼之以強(qiáng)大的壞塊管理功能，不但更加可靠地保證了對(duì)各種閃存的兼容，即使對(duì)一些要求糾錯(cuò)位更多的特殊閃存也能支持。此外，CBM2080的ECC糾錯(cuò)是以硬件方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾錯(cuò)，閃存存取速度不受影響。而采用軟件糾錯(cuò)算法，由于算法的復(fù)雜性，會(huì)大大降低閃存存取速度。
3．硬件+軟件雙重?cái)?shù)據(jù)安全防護(hù)技術(shù)
閃存在進(jìn)行讀寫操作時(shí)由于異常的插拔或斷電會(huì)破壞數(shù)據(jù)完整性，在這種狀況下，如何使閃存盤避免盤內(nèi)數(shù)據(jù)可能丟失/損壞的現(xiàn)象一度成為行業(yè)難題。CBM2080采用軟件數(shù)據(jù)智能備份與恢復(fù)技術(shù)，有效地解決了這一難題。此外，在上電和掉電過程中，當(dāng)芯片處在臨界電壓工作狀態(tài)下，控制芯片本身會(huì)產(chǎn)生誤操作，從而破壞閃存的內(nèi)部數(shù)據(jù)。為此CBM2080采用特殊的硬件數(shù)據(jù)安全防護(hù)技術(shù)，有效地保護(hù)了數(shù)據(jù)。
4．USB2.0逼近閃存讀寫速度極限
CBM2080的存取速度現(xiàn)已達(dá)到寫19.5MBps、讀21.5MBps，并且還在進(jìn)一步優(yōu)化和提升中。而現(xiàn)有的USB2.0閃存盤速度多數(shù)為7-8MBps。由于閃存控制芯片本身性能的限制，市場(chǎng)上USB2.0閃存盤最大讀寫速度普遍限制在10倍速以下，CBM2080采用了32位USB協(xié)議和閃存存儲(chǔ)專用處理器，以及優(yōu)化的文件存取算法和雙通道技術(shù)，使閃存潛力得到充分挖掘，逼近閃存讀寫速度的極限，實(shí)現(xiàn)了“20倍速”的突破。
5．GPIO模式和Normal模式的靈活切換
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圖5：帶SIM卡讀卡功能的閃存盤硬件組成框圖。
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由于客戶需求的差異性，往往需要在芯片現(xiàn)有的功能基礎(chǔ)上增加或更改一些功能。這些新功能中，一般只需對(duì)固件進(jìn)行修改就能實(shí)現(xiàn)。CBM2080/1180架構(gòu)中特有的軟件配置特性可以很好地適應(yīng)此要求。根據(jù)此特性，開發(fā)人員只需修改存放在閃存里的外部軟件就可以完成任務(wù)，而不需修改內(nèi)部的固件，節(jié)約了重新流片所需的一至兩個(gè)月時(shí)間和有關(guān)的掩膜費(fèi)用，不僅大大縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間，而且還節(jié)約了費(fèi)用。當(dāng)然外部軟件上載到芯片里運(yùn)行，需要芯片內(nèi)提供額外的程序存儲(chǔ)空間。怎樣使芯片成本得到控制、同時(shí)又能保證靈活性將是一個(gè)挑戰(zhàn)，CBM2080/1180采用了自主專利技術(shù)，很好地解決了此問題。
除了軟件配置特性外，芯片本身?yè)碛械耐ㄓ媒涌?GPIO)管腳也很關(guān)鍵。目前CBM2080/1180有兩個(gè)閃存接口通道，每個(gè)通道有十幾個(gè)管腳，在普通(Normal)模式下，這些管腳組成的通道會(huì)按閃存接口時(shí)序進(jìn)行工作。但如果通過管腳的模式設(shè)定，使芯片工作在GPIO模式下，這兩路閃存接口通道的大部分管腳便成了GPIO管腳，可以由固件來直接控制，根據(jù)固件的要求產(chǎn)生各種不同類型的時(shí)序，從而滿足不同應(yīng)用所需的時(shí)序要求。
目前按以上方法已完成的各種應(yīng)用開發(fā)包括：帶指紋識(shí)別的閃存盤、帶手機(jī)SIM卡讀卡功能的閃存盤、帶液晶顯示的閃存盤、NOR閃存盤和防偽掃描器等。
CBM2080/1180的硬件設(shè)計(jì)
CBM2080/1180為了適應(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用需要主要有兩種封裝形式TQFP48和LQFP6?。48管腳CBM2080/CBM1180最大支持4片閃存，6??腳CBM2080L/CBM1180L最大支持8片閃存。CBM2080/1180 的典型應(yīng)用電路見圖2。
CBM2080/1180能夠適應(yīng)多場(chǎng)合、多領(lǐng)域的應(yīng)用還緣自其內(nèi)部結(jié)構(gòu)GPIO模式和Normal模式的靈活切換的特質(zhì)，所有的數(shù)據(jù)線和控制端口都能夠在這兩種模式下由程序自由控制切換，這樣兩個(gè)數(shù)據(jù)端口及部分控制線都能夠擴(kuò)展應(yīng)用為通用輸入輸出端口，為CBM2080/1180適應(yīng)不同用戶應(yīng)用需要提供了硬件資源的保證，CBM2080/1180除了內(nèi)部7K的ROM還能夠通過串口根據(jù)需要任意擴(kuò)展外部EEPROM。
軟件層次的劃分和主流程
CBM2080/1180的軟件層次劃分和主流程如下：
1．第一層是Host端，通過USB連接線與主控連接，Host是所有命令的發(fā)起者，一切操作都根據(jù)它的命令作相應(yīng)的響應(yīng)。
2．第二層解析Host給出的命令，區(qū)分Host的操作。
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圖6：帶液晶顯示功能的閃存盤硬件組成框圖。
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3．第三層根據(jù)Host給出的邏輯參數(shù)(邏輯地址和長(zhǎng)度)和閃存的架構(gòu)得到一些需要的參數(shù)，算出要寫入的閃存物理地址。這一部分只與閃存架構(gòu)有關(guān)，相對(duì)固定，不會(huì)常修改。
4．第四層是從Host收到的扇區(qū)數(shù)據(jù)寫到閃存中，這一部分是要針對(duì)閃存的架構(gòu)確定Host數(shù)據(jù)的接收方式，四個(gè)緩沖器可以輪流接收數(shù)據(jù)。
5．第五層是直接的閃存物理操作，就是閃存的擦除、讀和寫。
如圖3所示，第三、四、五層(綠色框內(nèi))組成一個(gè)獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)了閃存的邏輯讀寫，只需要三個(gè)參數(shù)：邏輯起始地址和長(zhǎng)度，根據(jù)應(yīng)用的需要，寫入閃存的數(shù)據(jù)的來源可以不同，如配置成閃存盤可以從宿主PC的USB端口在寫的過程中接收，也可以將接收到的數(shù)據(jù)先存于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再寫入閃存。
CBM2080/1180在支持閃存時(shí)，是將相同架構(gòu)的閃存歸類，通過參數(shù)可以具體的操作到閃存，對(duì)閃存的劃分依據(jù)主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：
1．頁(yè)(Page)的大小
2．讀、寫、擦除閃存的命令
3．特殊操作
閃存配合CBM2080/1180主控之后，必須經(jīng)過量產(chǎn)工具系統(tǒng)才可以讀寫，量產(chǎn)的目的一是標(biāo)示出閃存的壞塊，二是寫入CBM2080/1180的對(duì)閃存盤的配置信息，以及預(yù)置一些特定的邏輯信息。
具體應(yīng)用實(shí)例
1．實(shí)現(xiàn)帶指紋識(shí)別功能的閃存盤
該方案以CBM2080/CBM1080主控芯片為平臺(tái)，除了具備一般功能特點(diǎn)外，還具有指紋提取與識(shí)別的功能，本方案采用了Symwave的SW6888 CMOS滑動(dòng)指紋傳感器，用戶通常只需將指紋閃存盤連接到PC，就可通過安裝在PC端的應(yīng)用程序界面完成對(duì)指紋進(jìn)行提取、識(shí)別、保存等一系列的操作(見圖4)。
在程序設(shè)計(jì)上，主控工作在Normal模式下，對(duì)傳感器的操作可以通過多種數(shù)字接口如：SSI、SPI、并口和閃存。
2．實(shí)現(xiàn)帶SIM卡讀卡功能的閃存盤
該方案除了具備基于CBM2080/CBM1080主控芯片的閃存盤兼容性高(支持多種閃存)、讀寫速度快、ECC糾錯(cuò)、分區(qū)調(diào)整/加密寫保護(hù)、USB ZIP/HARD BIOS啟動(dòng)、AUTO RUN等功能外，還能夠通過閃存盤上的SIM卡接口，讀寫各種手機(jī)SIM卡的所有信息，并能夠?qū)ζ潆娫捥?hào)碼、短信等信息進(jìn)行編輯/保存/打印，而且還可根據(jù)客戶的需要做更多的功能擴(kuò)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不僅能夠支持聯(lián)通、移動(dòng)的GSM和CDMA卡，而且同時(shí)支持港澳臺(tái)、韓國(guó)、日本等國(guó)外手機(jī)SIM卡。其硬件組成框圖如圖5。
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圖7：基于CBM2080/1180的NOR閃存。
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在程序設(shè)計(jì)上，閃存接口工作在Normal模式下，而與SIM卡的接口工作在GPIO模式下。外部EEPROM可根據(jù)客戶設(shè)計(jì)的具體功能需要而擴(kuò)展，這就為客戶端的二次開發(fā)提供了便利。
3．帶液晶顯示功能的U盤實(shí)現(xiàn)
該方案特別具有閃存盤狀態(tài)信息顯示功能，如鎖保護(hù)狀態(tài)、總?cè)萘亢褪Ｓ嗫臻g，以及客戶自定義的一些信息。此外，其時(shí)間顯示還具有可選自動(dòng)同步功能，也就是說在閃存盤上電過程中，時(shí)間可以自動(dòng)調(diào)整與電腦時(shí)間一致。將來如果有客戶和廠商的需要，可視閃存盤還可以加上鬧鐘等功能。其硬件組成框圖如圖6。
和SIM卡閃存盤的設(shè)計(jì)相似，在程序設(shè)計(jì)上，閃存接口工作在Normal模式下，而與LCD的接口工作在GPIO模式下。
4．NOR閃存盤
目前CBM2080/1180已能支持各主流廠商的NAND、MLC NAND、AG-AND閃存和NOR閃存，拓展了閃存盤制造廠商對(duì)閃存的選擇空間。CBM2080/1180可通過擴(kuò)展鎖存地址線的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)NOR閃存的支持，目前已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目前市場(chǎng)上最大為256MB的NOR閃存的支持。
在程序設(shè)計(jì)上，主控和閃存的接??替工作在Normal和GPIO模式下。
本文小結(jié)
USB技術(shù)在臺(tái)式和便攜式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的地位已如日中天，閃存盤已不在局限于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單一功能,客戶的需求決定了閃存盤未來的發(fā)展。從以上的具體應(yīng)用可以看出，CBM2080/1180不僅是一款性能突出的閃存盤主控芯片，而且由于其獨(dú)特的功能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得CBM2080/1180足以擔(dān)當(dāng)閃存盤應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)和提升客戶核心技術(shù)含量與附加值的重任。 |
