nor flash、nand flash、eeprom、fram的读写特性

本文的目标读者：嵌入式硬件选型、嵌入式软件驱动编写。

1、EEPROM

eeprom容量一般为1k~2M比特，根据容量和品牌不同，价格为几毛~几十，擦写寿命一百万次左右，写入前芯片会自动执行擦除。SPI速度一般为1~20M。

读操作：指定起始地址、字节数，就可以连续读出。起始地址任意，不要求必须从页首开始， 字节数也任意，芯片会自动跨页（page）。读操作的驱动程序是很简单的。

写操作：指定起始地址、字节数，就可以连续写入。起始地址任意（页内的任意地址都可以，不要求必须从页首开始），但是，字节数受限。只能在页内写入。页的大小一般有64字节、128字节、256字节等，取决于具体型号。以一页为256字节为例，那么第0~255字节为第0页，256~511为第1页。如果你指定起始地址为0，要写入257字节，也即出现了跨页操作，那么EEPROM把第0页写满之后，写指针不会跳到第257字节处（也即不会跳到第1页的第0字节处），而是会发生回环，跳回本页的第0字节处，会导致之前写入的数据被覆盖。如果你指定起始地址为500，想写入13个字节，那么当写入到第511地址后，剩余的2个字节会被写入到第256/257地址处，发生了回环，那么此时要想避免发生跨页回环，那么写入字节数必须<=11，等这一页烧写完成不再busy之后，再指定下一页起始地址去写剩余的2个字节。

除了以上缺点以外，第2个缺点就是，每次写入数据后，都需要等几个毫秒（取决于具体型号，一般1~10ms之间），EEPROM才能把数据真正存储完成（这一过程被称为“烧写”或者“编程”）。

根据以上信息就可以知道，EEPROM的大批量写入的驱动程序，是比较麻烦的，必须要根据起始地址和字节数，来判定是否会发生跨页，以及会跨多少页。标准步骤为：
（1）根据起始地址和字节数来判定是否会跨页。
（2）如果不跨页，则直接写，流程结束。
（3）如果会跨页，则由页尾地址 - 起始地址，得到本批次要写入的字节数，把本页写满。
（4）起始地址更新为下一页的页首，重新计算剩余未写入的字节数，返回步骤（1）。

另外，每次写入前，要判定上次写入是否已完成，这一点可通过读状态寄存器的busy位来获得。

为什么EEPROM的写入操作这么复杂？因为EEPROM的写入速度很慢，所以他里面带有一个高速缓存RAM，这个缓存的大小就是page的大小（也即256字节），借助这个缓存，我们就可以通过20M的SPI把数据快速发给EEPROM，然后单片机就可以切换线程，或者切换状态机，让CPU去干别的事情，而不是把CPU都浪费在数据发送和等待上。这个缓存的存在，也就决定了EEPROM无法跨页写入，因为这个缓存全部被用在写当前PAGE上了。但是这个缓存是利大于弊的，如果没有这个缓存，那我们每发一个字节都要等待或切换线程或切换状态机，效率太低。为了解决EEPROM这个麻烦的写入问题，FRAM应运而生。

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2、FRAM

FRAM的容量和EEPROM差不多，价格比EEPROM稍贵一点点。但是写入寿命为10~100亿次以上，约等于无限寿命，且写入操作无延迟，不需要等芯片内部烧写。换句话说，它的存储速度>=SPI的速度，SPI把数据发完，他就存好了，这一特性就决定了，芯片内部不需要缓存，也就不存在跨页写入障碍了。SPI读写速度一般可达20M~40M，比EEPROM快。

有趣的是，FRAM的功能可以完全向下兼容EEPROM，所以FRAM可以直接使用eeprom的驱动程序，而不用做任何改动。但是这么做的话，相当于浪费了FRAM的性能，因为FRAM的写入无需等待。因此，FRAM的驱动会变得非常简单。新手就可以轻松搞定。

读写操作都可直接指定字节起始地址+字节数。起始地址和字节数，都没有限制，只要不超过芯片的容量即可。

3、nor flash

容量一般为几百k~几百Mbit，128M bit(16M Byte)价格才几块，很便宜。他的SPI读写速度比FRAM还要快，可达133M以上，而且不仅支持标准SPI，还支持双、四线的SPI，相当于又变相提高了SPI的数据吞吐速度。典型型号W25Q。

读操作：和EEPROM、FRAM一样，所以驱动程序很简单。这也就表明了，nor flash每一个字节都有唯一的地址，这一特性使得他支持XIP功能（eXecute In Place，程序就地执行），STM32的flash单片机就是这种。显然EEPROM和FRAM也具备XIP功能，只是同等容量下，nor价格更低，所以现在的单片机基本都选了nor flash来做存储。

写操作：有一个缺点和EEPROM一样，SPI的读写速度>存储烧写速度，所以，他里面也有一个高速RAM缓冲区，容量一般也是256字节，写操作的回环特性与EEPROM一模一样。数据从256字节缓存烧写进flash，耗时约为0.7~5ms之间。SPI发送完数据以后，必须切换任务、或线程、或状态机，来等待数据真正烧写完成，最终要通过查询状态寄存器的busy标志位来验证。

除了以上烧写延迟之外，他比eeprom还多了一个缺点：就是写入前，必须要通过SPI给芯片发命令，先擦除，擦完以后才能写入。这个缺点是由FLASH的特性决定得，flash在烧写时，二进制位只能由1变0，而不能由0变1，所以由0变1的过程，只能由擦除命令来做。

擦除方式有3种：按扇区擦sector、按块擦block、芯片全擦chip。

 扇区大小一般为4KB，块一般为32K/64K，下图是经典型号W25Q的烧写时间和擦除时间表：

上表中的4种擦除方式，分别对应一个不同的SPI擦除命令。

4、nand flash

不支持就地执行，因为nand里面，没有字节地址，要想执行nand里存储的程序，必须把程序复制到RAM，RAM的每一个字节都有地址，然后CPU就可以从RAM中取指，执行代码了。

nand flash容量都很大，一般为128M~4G，它只有块地址，读写都必须按块进行。所以它适用于大容量存储。