原创 NAND Flash(贴片式TF卡)存储新突破,基础示例

2024-5-21 17:40 191 2 2 分类: 物联网 文集: SD NAND

目录

  引言

  SD卡的发展

  SD NAND卡的特性与优势

  二代SD NAND五大优点

  SD NAND六大主要优势

  现有产品分类

  实际应用场景

  SD NAND芯片推荐线路连接:

  CSNP4GCR01-AMW的介绍

  基础使用例程

  例程环境简介

  硬件设备及电路

  项目创建流程

  代码

  例程结果

  对比市场现有产品

  创世半导体(CS)是全球首家推出SD NAND FLASH产品的厂商,SD NAND的出现大大降低了使用 NAND FLASH 的技术难度。

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引言

  随着科技的发展,数据的存储需求也在日益增长。在这个信息爆炸的时代,一款高效、稳定、便携的存储设备显得尤为重要。新品SD卡——SD NAND,应运而生,为我们的数据存储带来了新的革命。

SD卡的发展

  SD卡自问世以来,其体积不断缩小,容量逐步增大,速度也在不断提升。

  开始。

  1997年11月,闪迪和英飞凌联合推出了MMC(MultiMediaCard)存储卡。

  1999年8月,闪迪又联合松下、东芝推出了SD(Secure Digital)存储卡。SD卡拥有与MMC卡相同的长宽尺寸,略厚一些(2.1mm VS. 1.4mm)。早期SD卡设备/读卡器都能同时兼容MMC卡。

  2000年1月,SD卡协会正式成立,当年推出了最大容量64MB、传输速度约12.5MB/s的产品。

  2003年3月,闪迪展示了面向手机等移动设备的miniSD卡(目前已退出市场)。

  2004年2月,闪迪又和摩托罗拉发布了更小巧的microSD卡(也称为TransFlash或TF卡)。

  2005年7月,SD卡协会确认了microSD卡规范,传输速度也提升到了约25MB/s。

  2006年1月,SD 2.0带来了采用FAT32文件系统、最大容量32GB的SDHC(包括miniSDHC、microSDHC)卡。而最初版本的SD卡采用FAT12/FAT16文件系统,最大容量为2GB。

  2010年5月,SD 3.01带来了采用exFAT文件系统、最大容量提升到2TB的SDXC(包括microSDXC)卡;以及UHS-I高速总线,最大传输速度为104MB/s。

  2011年6月,SD 4.0带来了UHS-II总线。这种SD卡(包括microSD卡)具有两排触点,可以实现全双工156MB/s、半双工312MB/s的传输速度。

  2016年2月,SD 5.0带来了视频速度等级规范,包括V30、V60、V90。

  2016年11月,SD 5.1增加了针对App运行性能的A1标准。在满足10MB/s持续读写的基础上,增加了随机读取1500IOPS、随机写入500IOPS的要求。

  2017年2月,SD 6.0带来了全双工312MB/s、全双工624MB/s的UHS-III总线以及随机读取4000IOPS、随机写入2000IOPS的A2标准。UHS-III向下兼容UHS-II,但到目前为止都没有看到任何样品。

  2016年11月,SD 5.1增加了针对App运行性能的A1标准。在满足10MB/s持续读写的基础上,增加了随机读取1500IOPS、随机写入500IOPS的要求。

  2017年2月,SD 6.0带来了全双工312MB/s、全双工624MB/s的UHS-III总线以及随机读取4000IOPS、随机写入2000IOPS的A2标准。UHS-III向下兼容UHS-II,但到目前为止都没有看到任何样品。

  2019年初,闪迪推出“UHS-I超频卡”,突破了104MB/s的速度瓶颈。之后,金士顿、雷克沙等厂商也追加了类似规格的产品。

  2020年5月,SD 8.0引入了PCIe 3.0×2、PCIe 4.0×1和PCIe 4.0×2,将最高速度提升至接近4GB/s(3938MB/s)。

  2022年5月,SD 9.0增加了快速启动和安全启动特性,为SD卡创造了半嵌入式应用场景。

  内存卡在近年来的发展主要集中在提高容量和读写速度上。例如,现在市场上已经出现了容量达到1TB的MicroSD卡,读写速度也不断提高,以满足用户对存储容量和速度的需求。

  同时,一些新型内存卡如CFexpress和SD Express也正在逐渐普及,它们支持更快的数据传输速度和更大的容量。随着手机互联网的发展,云存储也逐渐在吞食存储卡的市场。过去需要通过内存卡扩展手机存储空间,现在则可以通过云服务,把数据存储在云端。

SD NAND的特性与优势

  以CSNP4GCR01-AMW为例。

  不用写驱动程序自带坏块管理的NAND Flash(贴片式TF卡),

  尺寸小巧,简单易用,兼容性强,稳定可靠,固件可定制,LGA-8封装,

  标准SDIO接口,兼容SPI/SD接口,兼容各大MCU平台,可替代普通TF卡/SD卡,

  尺寸6x8mm毫米,机贴手贴都非常方便,

  内置SLC晶圆擦写寿命10万次,通过1万次随机掉电测试耐高低温,

  支持工业级温度-40°~+85°,

  速度级别Class10(读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S)

  标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码,省去了驱动代码编程环节。

  支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND,

  提供STM32参考例程及原厂技术支持,

  主流容量:128MB/512MB/2GB/4GB/8GB,

  比TF卡稳定,比eMMC便宜。

二代SD NAND五大优点

  •尺寸小巧

  •简单易用

  •兼容性强

  •稳定可靠

  •固件可定制

 SD NAND六大主要优势

  •LGA-8封装,机贴手贴都方便。

  •尺寸小巧5(6*8mm),助力产品颜值提升。

  •容量适宜(1Gb/4Gb/32Gb)帮助客户降低成本。

  •擦写寿命长(内置SLC晶圆,擦写寿命可达5-10万次,专为嵌式而生)。

  •免驱动(即贴即用)直连SD/SPI接口即可使用,已内置Flash管理程序。

  •稳定可靠:已通过10k次随机掉电高低温冲击测试。内置FW包含平均读写,坏块管理,垃圾回收等处理机制。

  SD NAND 与 TF卡的区别:(看图表)

现有产品分类

  本篇示例代码采用工业级CSNP4GCR01-AMW。容量为512MB。

实际应用场景

  新一代SD NAND主要应用领域

  •5G

  •机器人

  •智能音箱

  •智能面板(HMI)

  •移动支付

  •智能眼镜(AR)

  •智能家居

  •医疗设备

  •轨道交通

  •人脸识别

  •3D打印机

 SD NAND芯片推荐线路连接:

 CSNP4GCR01-AMW的介绍

  不用写驱动程序自带坏块管理的NAND Flash(贴片式TF卡),

  尺寸小巧,简单易用,兼容性强,稳定可靠,固件可定制,LGA-8封装,

  标准SDIO接口,兼容SPI/SD接口,兼容各大MCU平台,可替代普通TF卡/SD卡,

  尺寸6x8mm毫米,机贴手贴都非常方便,

  内置SLC晶圆擦写寿命10万次,通过1万次随机掉电测试耐高低温,

  支持工业级温度-40°~+85°,

  速度级别Class10(读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S)

  标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码,省去了驱动代码编程环节。

  支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND,

  提供STM32参考例程及原厂技术支持,

  主流容量:128MB/512MB/2GB/4GB/8GB,

  比TF卡稳定,比eMMC便宜。

基础使用例程

  例程环境简介

  项目环境:

  使用开发板为正点原子探索者STM32F407ZG;

  STM32CubeMX;

  Keil;

  SD NAND:芯片型号 CSNP4GCR01-AMW;芯片转接板(将芯片引脚引出为TF 卡)

 硬件设备及电路

  SD NAND原理图:

  探索者TF 卡槽:

  STM32线路连接

  使用SDIO模式,

  D0接PC8; D1接PC9; D2接PC10; D3接PC11;

  信号

  SDIO信号“4线模式”

  CLK:HOST给DEVICE的时钟信号。

  VDD:电源信号。

  VSS:Ground信号。

  DAT0-DAT3:4条数据线

  CMD:用于HOST发送命令和DEVICE回复响应。

项目创建流程

  基础时钟配置:

  SDIO模式配置:

  FATFS配置:

  更改缓存区大小:

  完成项目其他基础配置。

代码

  while(1)之前:

FATFS fs; /* FatFs 文件系统对象 */

FIL file; /* 文件对象 */

FRESULT f_res; /* 文件操作结果 */

UINT fnum; /* 文件成功读写数量 */

BYTE ReadBuffer[512] = {0}; /* 读缓冲区 */

BYTE WriteBuffer[] = /* 写缓冲区 */

"This is STM32 working with FatFs \r\n STM32的FATFS文件系统测试 \r\n ";

// 在外部 SD 卡挂载文件系统,文件系统挂载时会对 SD 卡初始化

// note:必须先要保证SD卡正常拥有FAT文件系统,如果没有会失败。

f_res = f_mount(&fs, "0:", 1);

/*----------------------- 文件系统测试:写测试 -----------------------------*/

/* 打开文件,如果文件不存在则创建它 */

f_res = f_open(&file, "0:FatFs STM32cube.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);

if(f_res == FR_OK)

{

/* 将指定存储区内容写入到文件内 */

f_res = f_write(&file, WriteBuffer, sizeof(WriteBuffer), &fnum);

/* 不再读写,关闭文件 */

f_close(&file);

}

/*------------------- 文件系统测试:读测试 ------------------------------------*/

f_res = f_open(&file, "0:FatFs STM32cube.txt", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);

if(f_res == FR_OK)

{

f_res = f_read(&file, ReadBuffer, sizeof(ReadBuffer), &fnum);

}

/* 不再读写,关闭文件 */

f_close(&file);

/* 不再使用文件系统,取消挂载文件系统 */

f_mount(NULL, "0:", 1);

/* 操作完成,停机 */

  MX_SDIO_SD_Init()函数中加入

if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

void MX_SDIO_SD_Init(void)

{

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 0 */

/* USER CODE END SDIO_Init 0 */

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 1 */

/* USER CODE END SDIO_Init 1 */

hsd.Instance = SDIO;

hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;

hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;

hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;

hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;

hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE;

hsd.Init.ClockDiv = 34;

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 2 */

if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

/* USER CODE END SDIO_Init 2 */

}

例程结果

  新建了一个 STM32cube.txt 文件

  写入内容如下图所示。

  Keil 调试 :成功读取文件内容,暂存至数组中。内容如下

  代码解释

对比市场现有产品

  目前再嵌入式中使用最多的存储情况:

  EEPROM:

  只能存放字节类型的数据:芯片为AT24CXX;采用IIC通信,存储内容类型,大小有限。

  U盘 :

  存放文件格式多样;采用USB接口;占用空间大;可以热拔插;

  关于MCU的存储方面,以前基本上用内置的E2PROM,或者是外置的NOR Flash 就可以了。但随着物联网的兴起,MCU的应用越来越广泛了,逐渐的MCU会涉及到大容量的存储需求,用来存储音频,图片(GUI)、视频缓存、协议栈等等。

  那传统的E2PROM和NOR Flash就不够用了。这个时候MCU可能就需要用到NAND Flash了。但MCU采用大容量存储芯片NAND Flash,面临着新的挑战。

  每个产品都有自己的优缺点。再存储器件选取上,都是考虑项目本身的需求,个产品性能综合考虑最优存储产品。

作者: 雷龙发展, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3884608.html

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