UART-FLASH技术深度解析

智多晶 UART-FLASH 技术深度解析

在消费类电子产品的设计战场上，每一分钱、每一平方毫米的PCB面积、每一个IO引脚都可能是决定成败的关键。尤其是在智能门铃、儿童玩具、家电提示音这类对成本极度敏感的应用中，工程师们常常面临一个两难选择：要么用昂贵的MCU搭配SPI Flash实现灵活升级，要么固化功能以节省开支——直到像智多晶这样的国产SoC厂商带来了“UART-FLASH”这一看似违和却异常实用的技术方案。

它不追求极致性能，也不标榜前沿架构，而是用一种近乎“取巧”的方式，在资源极其有限的条件下，实现了外部存储扩展的可能性。听起来不可思议？毕竟UART不是用来串口打印和通信的吗？怎么还能读写Flash？

答案就在于： 把通用异步收发器当成时钟发生器来用 。

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想象一下，你手里的MCU没有SPI控制器，只有最基本的UART模块和几个GPIO。现在你要从一片W25Q16JV里读出一段ADPCM编码的语音数据并播放出来。传统思路走不通了——没有SPI，没法驱动Flash；加个专用控制器又会推高成本。这时候，如果能让UART_TX输出精确的时钟信号，再配合软件控制片选与方向切换，是不是就能模拟出SPI的基本操作？

这正是智多晶在其ZD68F系列语音SoC中实现的核心机制。这些芯片本身基于增强型8051内核，集成了音频解码引擎和PWM输出，但并未内置原生SPI控制器。为了支持外挂Flash存储语音内容，他们巧妙地复用了UART硬件，通过特定波特率发送固定字节（如 0x55 ），在TX引脚上生成稳定的方波时钟，从而为外部SPI NOR Flash提供SCLK信号。

整个过程就像一场精密的“电平时序舞蹈”。比如设置波特率为2Mbps时，每位数据持续时间为500ns，恰好能满足大多数SPI Flash对最低时钟周期的要求（通常≥80ns）。此时发送一个字节，就会在TX线上产生8个时钟脉冲。只要控制得当，完全可以用这种方式逐步移位传输命令、地址和数据。

接收端则依赖UART_RX配合定时采样完成。虽然UART接收是基于起始位触发的异步机制，不适合直接处理连续流数据，但在半双工模式下，我们可以通过“发一个空字节→收一个字节”的方式，利用发送动作带动时钟，同时捕获Flash返回的数据。典型的JEDEC ID读取流程如下：

void uart_flash_read_jedec_id(uint8_t *id_buf) {
    gpio_clear(FLASH_CS_PIN);        // 拉低片选

    uart_send_byte(0x9F);            // 发送读ID命令
    uart_send_byte(0x00);            // dummy byte，触发第一个数据返回
    id_buf[0] = uart_receive_byte();
    uart_send_byte(0x00);
    id_buf[1] = uart_receive_byte();
    uart_send_byte(0x00);
    id_buf[2] = uart_receive_byte();

    gpio_set(FLASH_CS_PIN);          // 结束操作
}

这段代码看似简单，实则暗藏玄机。关键在于发送与接收必须严格同步——不能有中断延迟导致错位，也不能因缓冲区溢出丢失数据。实践中常采用轮询或高优先级中断处理，并加入微秒级延时确保Flash有足够的建立时间。

当然，这种方案并非“仅靠两根线”就能搞定。至少还需要一个GPIO用于片选（CS），有些设计甚至额外使用另一个GPIO作为DI（MOSI）信号，避免TX复用带来的方向冲突问题。因此实际占用IO数一般为3~4个：UART_TX、UART_RX、CS、可选DI。相比标准SPI所需的4~6个引脚，已经大幅缩减，尤其适合SOT23-6、DFN8等超小封装芯片。

更进一步看，这种技术的价值远不止省几个引脚那么简单。它的真正优势体现在系统级整合能力上。以一款智能门铃为例：

• 用户按下按钮 → SoC唤醒；
• 自动进入UART-FLASH模式，拉低CS；
• 读取Flash中的语音索引表，定位目标音频偏移；
• 分块加载压缩音频流，内部解码后通过PWM驱动喇叭播放；
• 完毕后自动休眠，待机电流低于1μA。

整个过程无需外部MCU参与，所有逻辑均由SoC内置掩膜ROM中的播放引擎完成。这意味着你可以将主控任务交给更简单的单片机，或者干脆让这个语音芯片独立工作。更重要的是， 更换语音内容不再需要重新烧录SoC ，只需换一块预存新音频的Flash即可现场升级——这对于批量生产后的固件迭代或区域化定制极具意义。

不过，任何技术都有其边界。UART-FLASH的最大瓶颈在于速率。受限于UART波特率上限（通常不超过4Mbps），等效SCLK频率也难以突破此范围，实际有效吞吐率大约在200~400KB/s之间，远低于现代SPI Flash可达的几十MB/s。因此它绝不适合用于高速启动（XIP）、大文件传输或实时流媒体场景。

但它恰恰精准命中了另一类需求：小容量、低频次、低成本的数据访问。例如存储几段提示音、保存设备配置参数、记录简单的事件日志等。在这些应用中，几百KB/s的速度绰绰有余，而节省下来的BOM成本和PCB空间才是真正的赢家。

从工程角度看，成功落地UART-FLASH还需注意几个细节：

• 波特率匹配 ：应选择能被系统主频整除的值（如24MHz主频分频得2Mbps），避免累积误差；
• 电平兼容性 ：确保SoC与Flash共用同一电源域（常见3.3V或1.8V），必要时加入电平转换电路；
• 抗干扰设计 ：高频信号线上串联22Ω~47Ω电阻抑制振铃，靠近Flash端加0.1μF去耦电容稳定供电；
• CS时序精度 ：片选信号必须在命令开始前至少提前500ns拉低，否则可能导致Flash响应失败；
• 可靠性增强 ：引入CRC校验、读取重试机制，防止因噪声或电压波动造成数据错误。

值得一提的是，尽管该技术由智多晶率先在语音SoC领域规模化应用，但其思想并不独属某一家。类似“Bit-Banging + UART辅助”的软硬协同方案，在其他无SPI资源的低端MCU中也有探索。未来若结合DMA与USART，甚至可能实现更高效率的模拟SPI传输——例如STM32的部分型号就曾有过用USART+DMA模拟I2S的先例。

回到现实，UART-FLASH的本质是一种 在资源约束下做出的优雅妥协 。它不炫技，也不试图颠覆现有架构，而是以极简的方式解决了一个真实存在的痛点：如何在不增加硬件复杂度的前提下，获得一定的存储扩展能力？

对于那些年销量百万级、单价压到几毛钱的产品来说，这种设计思路的价值无法用性能指标衡量。它代表了一种务实的创新哲学——真正的技术进步，有时候不是跑得更快，而是懂得在哪里停下来，用最合适的工具做最恰当的事。

而智多晶所做的，正是把这种哲学嵌入到了芯片的基因之中。