傳統閃存盤(pán)單一的功能和大同小異的外觀(guān)已經(jīng)不能滿(mǎn)足消費者日益增長(cháng)的需求，如何創(chuàng )新成為閃存盤(pán)廠(chǎng)商急需解決的難題。本文通過(guò)對這些挑戰形成進(jìn)行了分析，提出了相應的對策，著(zhù)重闡述了基于CBM2080/1180 USB主控芯片的閃存盤(pán)產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)應用。

圖1：CBM2080芯片的內部結構框圖。

閃存盤(pán)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(yíng)得消費者的認可，然而，由于閃盤(pán)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(pán)產(chǎn)品存在技術(shù)含量有限的先天性不足。在閃存盤(pán)市場(chǎng)的發(fā)展歷程中，很多初期涉足閃存盤(pán)領(lǐng)域的廠(chǎng)商已經(jīng)充分體驗了由于核心技術(shù)門(mén)檻不高而被越來(lái)越多廠(chǎng)商效仿和趕超的無(wú)奈，產(chǎn)品利潤從前兩年200%～300%，降到現在的20%～10%左右。

但是利潤的下降，并不意味著(zhù)閃存盤(pán)的發(fā)展空間達到上限，從市場(chǎng)的反應和閃存盤(pán)應用領(lǐng)域來(lái)看，市場(chǎng)遠遠沒(méi)有達到飽和。移動(dòng)存儲的發(fā)展被行業(yè)人士普遍看好，以閃盤(pán)為例，Intel已在2002年初宣布將在未來(lái)的主板芯片組中徹底停止對軟驅的支持，聯(lián)想等國際廠(chǎng)商也已推出標配USB閃存盤(pán)的電腦，閃存盤(pán)取代軟驅已成大勢所趨；隨著(zhù)閃存盤(pán)更多的介入個(gè)人消費領(lǐng)域，傳統存盤(pán)單一的功能和大同小異的外觀(guān)已經(jīng)不能滿(mǎn)足消費者日益增長(cháng)的需求，這使得用戶(hù)要求更多類(lèi)型的產(chǎn)品被開(kāi)發(fā)出來(lái)。由此看來(lái)，閃存盤(pán)的發(fā)展正面臨著(zhù)新的發(fā)展契機。

閃存盤(pán)廠(chǎng)商該如何迎接上述挑戰和把握新的契機？本文通過(guò)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(kāi)發(fā)應用，來(lái)闡述利用創(chuàng )新來(lái)解決這些問(wèn)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(zhuān)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(shí)現對各種閃存支持

在整個(gè)閃存盤(pán)成本構成中，閃存占據了絕大部分，為了降低成本、獲取更大的競爭優(yōu)勢，閃存盤(pán)制造廠(chǎng)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(chǎng)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(pán)制造廠(chǎng)商對閃存的選擇空間。

同時(shí)，無(wú)線(xiàn)和消費應用市場(chǎng)的迅速增長(cháng)，吸引了Hynix、意法半導體、英飛凌等DRAM廠(chǎng)商紛紛進(jìn)入閃存領(lǐng)域，各種閃存不斷推陳出新。為了能對新推出的閃存進(jìn)行及時(shí)和有效的支持，芯邦還開(kāi)發(fā)了獨特的閃存兼容配置功能，即通過(guò)軟件升級方式迅速實(shí)現對各種最新閃存的支持，閃存盤(pán)制造廠(chǎng)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代就需要數月的時(shí)間，而芯邦通過(guò)采用該項獨有技術(shù)將該時(shí)間壓縮到僅需數天甚至幾小時(shí)，不僅打破了傳統型“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(pán)制造商能夠迅速地實(shí)現對具有高性?xún)r(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管腳對管腳兼容，減少了庫存風(fēng)險和重復工程開(kāi)發(fā)費用。

圖4：帶指紋識別功能的閃存盤(pán)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據的可靠性。閃存本身的電特性決定了其存儲位單元讀寫(xiě)時(shí)可能會(huì )發(fā)生錯誤，尤其是采用了MLC NAND、AG-AND閃存時(shí)該現象更加明顯。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(guò)上述要求，達到每528個(gè)字節可糾正任意3個(gè)字節(24比特)的數據錯誤，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(shí)現實(shí)時(shí)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(huì )大大降低閃存存取速度。

3．硬件+軟件雙重數據安全防護技術(shù)

閃存在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)由于異常的插拔或斷電會(huì )破壞數據完整性，在這種狀況下，如何使閃存盤(pán)避免盤(pán)內數據可能丟失/損壞的現象一度成為行業(yè)難題。CBM2080采用軟件數據智能備份與恢復技術(shù)，有效地解決了這一難題。此外，在上電和掉電過(guò)程中，當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，從而破壞閃存的內部數據。為此CBM2080采用特殊的硬件數據安全防護技術(shù)，有效地保護了數據。

4．USB2.0逼近閃存讀寫(xiě)速度極限

CBM2080的存取速度現已達到寫(xiě)19.5MBps、讀21.5MBps，并且還在進(jìn)一步優(yōu)化和提升中。而現有的USB2.0閃存盤(pán)速度多數為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(pán)最大讀寫(xiě)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(zhuān)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(xiě)速度的極限，實(shí)現了“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(pán)硬件組成框圖。

由于客戶(hù)需求的差異性，往往需要在芯片現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(jìn)行修改就能實(shí)現。CBM2080/1180架構中特有的軟件配置特性可以很好地適應此要求。根據此特性，開(kāi)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)，而不需修改內部的固件，節約了重新流片所需的一至兩個(gè)月時(shí)間和有關(guān)的掩膜費用，不僅大大縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間，而且還節約了費用。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(shí)又能保證靈活性將是一個(gè)挑戰，CBM2080/1180采用了自主專(zhuān)利技術(shù)，很好地解決了此問(wèn)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(guò)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(lái)直接控制，根據固件的要求產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的時(shí)序，從而滿(mǎn)足不同應用所需的時(shí)序要求。

目前按以上方法已完成的各種應用開(kāi)發(fā)包括：帶指紋識別的閃存盤(pán)、帶手機SIM卡讀卡功能的閃存盤(pán)、帶液晶顯示的閃存盤(pán)、NOR閃存盤(pán)和防偽掃描器等。

CBM2080/1180的硬件設計

CBM2080/1180為了適應不同場(chǎng)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(jiàn)圖2。

CBM2080/1180能夠適應多場(chǎng)合、多領(lǐng)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(zhì)，所有的數據線(xiàn)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)數據端口及部分控制線(xiàn)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(hù)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(guò)串口根據需要任意擴展外部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(guò)USB連接線(xiàn)與主控連接，Host是所有命令的發(fā)起者，一切操作都根據它的命令作相應的響應。

2．第二層解析Host給出的命令，區分Host的操作。

圖6：帶液晶顯示功能的閃存盤(pán)硬件組成框圖。

3．第三層根據Host給出的邏輯參數(邏輯地址和長(cháng)度)和閃存的架構得到一些需要的參數，算出要寫(xiě)入的閃存物理地址。這一部分只與閃存架構有關(guān)，相對固定，不會(huì )常修改。

4．第四層是從Host收到的扇區數據寫(xiě)到閃存中，這一部分是要針對閃存的架構確定Host數據的接收方式，四個(gè)緩沖器可以輪流接收數據。

5．第五層是直接的閃存物理操作，就是閃存的擦除、讀和寫(xiě)。

如圖3所示，第三、四、五層(綠色框內)組成一個(gè)獨立的模塊，實(shí)現了閃存的邏輯讀寫(xiě)，只需要三個(gè)參數：邏輯起始地址和長(cháng)度，根據應用的需要，寫(xiě)入閃存的數據的來(lái)源可以不同，如配置成閃存盤(pán)可以從宿主PC的USB端口在寫(xiě)的過(guò)程中接收，也可以將接收到的數據先存于數據緩沖區，再寫(xiě)入閃存。

CBM2080/1180在支持閃存時(shí)，是將相同架構的閃存歸類(lèi)，通過(guò)參數可以具體的操作到閃存，對閃存的劃分依據主要考慮以下幾個(gè)參數：

1．頁(yè)(Page)的大小

2．讀、寫(xiě)、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(guò)量產(chǎn)工具系統才可以讀寫(xiě)，量產(chǎn)的目的一是標示出閃存的壞塊，二是寫(xiě)入CBM2080/1180的對閃存盤(pán)的配置信息，以及預置一些特定的邏輯信息。

具體應用實(shí)例

1．實(shí)現帶指紋識別功能的閃存盤(pán)

該方案以CBM2080/CBM1080主控芯片為平臺，除了具備一般功能特點(diǎn)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(dòng)指紋傳感器，用戶(hù)通常只需將指紋閃存盤(pán)連接到PC，就可通過(guò)安裝在PC端的應用程序界面完成對指紋進(jìn)行提取、識別、保存等一系列的操作(見(jiàn)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(guò)多種數字接口如：SSI、SPI、并口和閃存。

2．實(shí)現帶SIM卡讀卡功能的閃存盤(pán)

該方案除了具備基于CBM2080/CBM1080主控芯片的閃存盤(pán)兼容性高(支持多種閃存)、讀寫(xiě)速度快、ECC糾錯、分區調整/加密寫(xiě)保護、USB ZIP/HARD BIOS啟動(dòng)、AUTO RUN等功能外，還能夠通過(guò)閃存盤(pán)上的SIM卡接口，讀寫(xiě)各種手機SIM卡的所有信息，并能夠對其電話(huà)號碼、短信等信息進(jìn)行編輯/保存/打印，而且還可根據客戶(hù)的需要做更多的功能擴展，目前已經(jīng)實(shí)現了不僅能夠支持聯(lián)通、移動(dòng)的GSM和CDMA卡，而且同時(shí)支持港澳臺、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可根據客戶(hù)設計的具體功能需要而擴展，這就為客戶(hù)端的二次開(kāi)發(fā)提供了便利。

3．帶液晶顯示功能的U盤(pán)實(shí)現

該方案特別具有閃存盤(pán)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(hù)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(shuō)在閃存盤(pán)上電過(guò)程中，時(shí)間可以自動(dòng)調整與電腦時(shí)間一致。將來(lái)如果有客戶(hù)和廠(chǎng)商的需要，可視閃存盤(pán)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(pán)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(pán)

目前CBM2080/1180已能支持各主流廠(chǎng)商的NAND、MLC NAND、AG-AND閃存和NOR閃存，拓展了閃存盤(pán)制造廠(chǎng)商對閃存的選擇空間。CBM2080/1180可通過(guò)擴展鎖存地址線(xiàn)的方法來(lái)實(shí)現對NOR閃存的支持，目前已能夠實(shí)現對目前市場(chǎng)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(shù)在臺式和便攜式計算機領(lǐng)域的地位已如日中天，閃存盤(pán)已不在局限于存儲數據的單一功能,客戶(hù)的需求決定了閃存盤(pán)未來(lái)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(pán)主控芯片，而且由于其獨特的功能與結構特點(diǎn)，使得CBM2080/1180足以擔當閃存盤(pán)應對未來(lái)挑戰和提升客戶(hù)核心技術(shù)含量與附加值的重任。