傳統(tǒng)閃存盤單一的功能和大同小異的外觀已經不能滿足消費者日益增長的需求，如何創(chuàng)新成為閃存盤廠商急需解決的難題。本文通過對這些挑戰(zhàn)形成進行了分析，提出了相應的對策，著重闡述了基于CBM2080/1180 USB主控芯片的閃存盤產品的二次開發(fā)應用。
 |
|
圖1：CBM2080芯片的內部結構框圖。
|
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，快速贏得消費者的認可，然而，由于閃盤的半導體存儲芯片和控制芯片單一的結構直接導致閃存盤產品存在技術含量有限的先天性不足。在閃存盤市場的發(fā)展歷程中，很多初期涉足閃存盤領域的廠商已經充分體驗了由于核心技術門檻不高而被越來越多廠商效仿和趕超的無奈，產品利潤從前兩年200%～300%，降到現(xiàn)在的20%～10%左右。
但是利潤的下降，并不意味著閃存盤的發(fā)展空間達到上限，從市場的反應和閃存盤應用領域來看，市場遠遠沒有達到飽和。移動存儲的發(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軟驅的支持，聯(lián)想等國際廠商也已推出標配USB閃存盤的電腦，閃存盤取代軟驅已成大勢所趨；隨著閃存盤更多的介入個人消費領域，傳統(tǒng)存盤單一的功能和大同小異的外觀已經不能滿足消費者日益增長的需求，這使得用戶要求更多類型的產品被開發(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。
閃存盤廠商該如何迎接上述挑戰(zhàn)和把握新的契機？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計控制芯片，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芯片管腳對管腳兼容，BOM和軟件相同，USB2.0工作電流<50mA。芯片的內部結構框圖如圖1所示。
CBM2080/1180的主要特色如下：
 |
|
圖3：CBM2080/1180軟件層次的劃分。
|
1．以軟件配置實現(xiàn)對各種閃存支持
在整個閃存盤成本構成中，閃存占據(jù)了絕大部分，為了降低成本、獲取更大的競爭優(yōu)勢，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閃存的選擇空間。
同時，無線和消費應用市場的迅速增長，吸引了Hynix、意法半導體、英飛凌等DRAM廠商紛紛進入閃存領域，各種閃存不斷推陳出新。為了能對新推出的閃存進行及時和有效的支持，芯邦還開發(fā)了獨特的閃存兼容配置功能，即通過軟件升級方式迅速實現(xiàn)對各種最新閃存的支持，閃存盤制造廠商只須從芯邦公司網站下載相關軟件(如量產程序軟件)進行生產即可，而不需要對控制芯片本身進行硬件上的更新?lián)Q代。
一般的控制芯片本身進行硬件或ROM固件更新?lián)Q代就需要數(shù)月的時間，而芯邦通過采用該項獨有技術將該時間壓縮到僅需數(shù)天甚至幾小時，不僅打破了傳統(tǒng)型“反饋-重新設計-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現(xiàn)對具有高性價比的新閃存的支持，降低了材料成本，同時由于USB1.1和USB2.0管腳對管腳兼容，減少了庫存風險和重復工程開發(fā)費用。
 |
|
圖4：帶指紋識別功能的閃存盤硬件組成框圖。
|
2．超強ECC糾錯能力，對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數(shù)據(jù)的可靠性。閃存本身的電特性決定了其存儲位單元讀寫時可能會發(fā)生錯誤，尤其是采用了MLC NAND、AG-AND閃存時該現(xiàn)象更加明顯。為此，各種閃存對糾錯能力都有最低要求，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的糾錯能力遠遠超過上述要求，達到每528個字節(jié)可糾正任意3個字節(jié)(24比特)的數(shù)據(jù)錯誤，兼之以強大的壞塊管理功能，不但更加可靠地保證了對各種閃存的兼容，即使對一些要求糾錯位更多的特殊閃存也能支持。此外，CBM2080的ECC糾錯是以硬件方式實現(xiàn)實時糾錯，閃存存取速度不受影響。而采用軟件糾錯算法，由于算法的復雜性，會大大降低閃存存取速度。
3．硬件+軟件雙重數(shù)據(jù)安全防護技術
閃存在進行讀寫操作時由于異常的插拔或斷電會破壞數(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)智能備份與恢復技術，有效地解決了這一難題。此外，在上電和掉電過程中，當芯片處在臨界電壓工作狀態(tài)下，控制芯片本身會產生誤操作，從而破壞閃存的內部數(shù)據(jù)。為此CBM2080采用特殊的硬件數(shù)據(jù)安全防護技術，有效地保護了數(shù)據(jù)。
4．USB2.0逼近閃存讀寫速度極限
CBM2080的存取速度現(xiàn)已達到寫19.5MBps、讀21.5MBps，并且還在進一步優(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)議和閃存存儲專用處理器，以及優(yōu)化的文件存取算法和雙通道技術，使閃存潛力得到充分挖掘，逼近閃存讀寫速度的極限，實現(xiàn)了“20倍速”的突破。
5．GPIO模式和Normal模式的靈活切換
 |
|
圖5：帶SIM卡讀卡功能的閃存盤硬件組成框圖。
|
由于客戶需求的差異性，往往需要在芯片現(xiàn)有的功能基礎上增加或更改一些功能。這些新功能中，一般只需對固件進行修改就能實現(xiàn)。CBM2080/1180架構中特有的軟件配置特性可以很好地適應此要求。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，而不需修改內部的固件，節(jié)約了重新流片所需的一至兩個月時間和有關的掩膜費用，不僅大大縮短了產品上市的時間，而且還節(jié)約了費用。當然外部軟件上載到芯片里運行，需要芯片內提供額外的程序存儲空間。怎樣使芯片成本得到控制、同時又能保證靈活性將是一個挑戰(zhàn)，CBM2080/1180采用了自主專利技術，很好地解決了此問題。
除了軟件配置特性外，芯片本身擁有的通用接口(GPIO)管腳也很關鍵。目前CBM2080/1180有兩個閃存接口通道，每個通道有十幾個管腳，在普通(Normal)模式下，這些管腳組成的通道會按閃存接口時序進行工作。但如果通過管腳的模式設定，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)固件的要求產生各種不同類型的時序，從而滿足不同應用所需的時序要求。
目前按以上方法已完成的各種應用開發(fā)包括：帶指紋識別的閃存盤、帶手機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的硬件設計
CBM2080/1180為了適應不同場合的應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 的典型應用電路見圖2。
CBM2080/1180能夠適應多場合、多領域的應用還緣自其內部結構GPIO模式和Normal模式的靈活切換的特質，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，這樣兩個數(shù)據(jù)端口及部分控制線都能夠擴展應用為通用輸入輸出端口，為CBM2080/1180適應不同用戶應用需要提供了硬件資源的保證，CBM2080/1180除了內部7K的ROM還能夠通過串口根據(jù)需要任意擴展外部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)它的命令作相應的響應。
2．第二層解析Host給出的命令，區(qū)分Host的操作。
 |
|
圖6：帶液晶顯示功能的閃存盤硬件組成框圖。
|
3．第三層根據(jù)Host給出的邏輯參數(shù)(邏輯地址和長度)和閃存的架構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有關，相對固定，不會常修改。
4．第四層是從Host收到的扇區(qū)數(shù)據(jù)寫到閃存中，這一部分是要針對閃存的架構確定Host數(shù)據(jù)的接收方式，四個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)組成一個獨立的模塊，實現(xiàn)了閃存的邏輯讀寫，只需要三個參數(shù)：邏輯起始地址和長度，根據(jù)應用的需要，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，是將相同架構的閃存歸類，通過參數(shù)可以具體的操作到閃存，對閃存的劃分依據(jù)主要考慮以下幾個參數(shù)：
1．頁(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，必須經過量產工具系統(tǒng)才可以讀寫，量產的目的一是標示出閃存的壞塊，二是寫入CBM2080/1180的對閃存盤的配置信息，以及預置一些特定的邏輯信息。
具體應用實例
1．實現(xiàn)帶指紋識別功能的閃存盤
該方案以CBM2080/CBM1080主控芯片為平臺，除了具備一般功能特點外，還具有指紋提取與識別的功能，本方案采用了Symwave的SW6888 CMOS滑動指紋傳感器，用戶通常只需將指紋閃存盤連接到PC，就可通過安裝在PC端的應用程序界面完成對指紋進行提取、識別、保存等一系列的操作(見圖4)。
在程序設計上，主控工作在Normal模式下，對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、分區(qū)調整/加密寫保護、USB ZIP/HARD BIOS啟動、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SIM卡的所有信息，并能夠對其電話號碼、短信等信息進行編輯/保存/打印，而且還可根據(jù)客戶的需要做更多的功能擴展，目前已經實現(xiàn)了不僅能夠支持聯(lián)通、移動的GSM和CDMA卡，而且同時支持港澳臺、韓國、日本等國外手機SIM卡。其硬件組成框圖如圖5。
 |
|
圖7：基于CBM2080/1180的NOR閃存。
|
在程序設計上，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)客戶設計的具體功能需要而擴展，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，如鎖保護狀態(tài)、總容量和剩余空間，以及客戶自定義的一些信息。此外，其時間顯示還具有可選自動同步功能，也就是說在閃存盤上電過程中，時間可以自動調整與電腦時間一致。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卡閃存盤的設計相似，在程序設計上，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閃存的選擇空間。CBM2080/1180可通過擴展鎖存地址線的方法來實現(xiàn)對NOR閃存的支持，目前已能夠實現(xiàn)對目前市場上最大為256MB的NOR閃存的支持。
在程序設計上，主控和閃存的接??替工作在Normal和GPIO模式下。
本文小結
USB技術在臺式和便攜式計算機領域的地位已如日中天，閃存盤已不在局限于存儲數(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，而且由于其獨特的功能與結構特點，使得CBM2080/1180足以擔當閃存盤應對未來挑戰(zhàn)和提升客戶核心技術含量與附加值的重任。 |
