大容量NORFlash與8位單片機的接口設計

引 言

Flash存儲器又稱(chēng)閃速存儲器，是20世紀80年代末逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型半導體不揮發(fā)存儲器。它兼有RAM和ROM的特點(diǎn)，既可以在線(xiàn)擦除、改寫(xiě)，又能夠在掉電后保持數據不丟失。

NOR Flash是Flash存儲器中最早出現的一個(gè)品種，與其他種類(lèi)的Flash存儲器相比具有以下優(yōu)勢：可靠性高、隨機讀取速度快，可以單字節或單字編程，允許CPU直接從芯片中讀取代碼執行等。因此NOR Flash存儲器在嵌入式系統應用開(kāi)發(fā)中占有非常重要的地位。本文以SST公司的NOR Flash芯片SST39SF040和MCS-51單片機為例，針對大容量NORFlash在8位低檔單片機中應用的特殊性，詳細介紹了其接口硬件和接口軟件的設計方法。

1 SST39SF040芯片介紹

SST39SF040是SST公司最近推出的一種基于SuperFlash技術(shù)的NOR Flash存儲器，屬于SST公司并行閃速存儲器系列；適用于需要程序在線(xiàn)寫(xiě)入或大容量、非易失性數據重復存儲的場(chǎng)合。

1.1 芯片內部功能結構和外部引腳

圖1是SST39SF040的內部功能結構框圖，由Super-Flash存儲單元、行譯碼器、列譯碼器、地址緩沖與鎖存器、輸入／輸出緩沖和數據鎖存器以及控制邏輯電路等部分組成。圖2是其外部引腳分布圖，其中A18～A0為地址線(xiàn)，CE為芯片選通信號，OE可作為讀信號，WE為寫(xiě)信號，DQ7～DQ0為數據線(xiàn)。

1.2 芯片的主要特性
① 容量為512 KB，按512K×8位結構組織。
② 采用單一的5 V電源供電，編程電源VPP在芯片內部產(chǎn)生。
③ 芯片可反復擦寫(xiě)100 000次，數據保存時(shí)間為100年。
④ 工作電流典型值為10 mA，待機電流典型值為30μA。
⑤ 扇區結構：扇區大小統一為4 KB。
⑥ 讀取、擦除和字節編程時(shí)間的典型值：數據讀取時(shí)間為45～70 ns；扇區擦除時(shí)間為18 ms，整片擦除時(shí)間為70 ms；字節編程時(shí)間為14μs。
⑦ 有記錄內部擦除操作和編程寫(xiě)入操作完成與否的狀態(tài)標志位。
⑧ 具有硬、軟件數據保護功能。
⑨ 具有地址和數據鎖存功能。

1.3 芯片的操作

1.3.1 芯片的軟件操作命令序列

SST39SF040的軟件操作可以分成兩類(lèi)：普通讀操作和命令操作。

普通讀操作非常簡(jiǎn)單，與RAM的讀操作類(lèi)似，當OE和CE信號同時(shí)為低電平時(shí)，即可從芯片讀出數據。

芯片的命令操作包括芯片的識別、字節編程、扇區擦除以及整片擦除等。這些操作分別由各自的軟件操作命令序列來(lái)完成，如表1所列。其中，BA為待編程字節的地址，Data為字節編程數據，SAX為待擦除扇區的地址。命令中的地址只有低15位有效，高4位可任意設置為“0”或“1”。

SST39SF040的軟件操作命令序列實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)總線(xiàn)寫(xiě)操作組成的。以SST39SF040的扇區擦除為例，其操作過(guò)程包括3個(gè)步驟：第1步，開(kāi)啟擦除方式，用表1中給出的第1至第5周期的總線(xiàn)寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現；第2步，裝載扇區擦除命令(30H)和待擦除扇區的地址，用其對應的第6周期的總線(xiàn)寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現；第3步，進(jìn)行內部擦除。內部擦除時(shí)間最長(cháng)為25 ms。

總線(xiàn)寫(xiě)操作時(shí)，OE必須保持為高電平，CE和WE應為低電平。地址和數據的鎖存由CE和WE兩個(gè)信號的邊沿進(jìn)行控制。它們當中后出現的下降沿將鎖存地址，先出現的上升沿將鎖存數據。

1.3.2 字節編程和擦除操作的狀態(tài)檢測

芯片在進(jìn)行內部字節編程或擦除操作時(shí)都需要花費一定的時(shí)間，雖然可以采用固定的延時(shí)來(lái)等待這些操作的完成，但為了優(yōu)化系統的字節編程和擦除操作時(shí)間，以及時(shí)判斷內部操作的完成與否，SST39SF040提供了兩個(gè)用于檢測的狀態(tài)位，即跳變位DQ6和數據查詢(xún)位DQ7。在芯片進(jìn)行內部操作時(shí)，只要根據圖3的流程對DQ6或者DQ7進(jìn)行查詢(xún)就能及時(shí)作出判斷。

2 SST39SF040與MCS-51的接口設計

2.1 硬件設計

硬件設計就是搭建合適的接口電路，將SST39SF040連接到MCS-51的系統總線(xiàn)上。根據SST39SF040和MCS-51系列單片機的結構特性，我們發(fā)現SST39SF040的數據線(xiàn)和讀、寫(xiě)信號線(xiàn)可以很容易地連接到MCS-51的系統總線(xiàn)上，所以要考慮的主要問(wèn)題是SST39SF040地址線(xiàn)的連接。由于其容量已經(jīng)超出了MCS-51的尋址范圍，19根地址線(xiàn)無(wú)法全部連接到MCS-51的地址總線(xiàn)上，因此必須在該系統中進(jìn)行進(jìn)一步的存儲器擴展。存儲器擴展通?？衫脝纹瑱C空閑的I／O口線(xiàn)作為頁(yè)面地址輸出引腳來(lái)實(shí)現。但是許多應用系統當中，單片機的I／O口線(xiàn)都是非常緊張的，在沒(méi)有多余的I／O口線(xiàn)時(shí)，頁(yè)面地址就必須提前從數據總線(xiàn)輸出并存放在鎖存器中備用。具體做法是：將鎖存器直接掛在數據總線(xiàn)上，為其安排一個(gè)I／O地址，從而構成頁(yè)面寄存器，在訪(fǎng)問(wèn)存儲器時(shí)，提前將頁(yè)面地址作為數據寫(xiě)入頁(yè)面寄存器即可。

根據以上分析可設計出SST39SF040與MCS-51之間的接口電路，如圖4所示。本系統中，將512 KB的存儲器分為32頁(yè)面，每頁(yè)大小為16 KB。由此可得，頁(yè)面地址需要5位，頁(yè)內偏移量需要14位。頁(yè)面地址的給出是在進(jìn)行存儲器訪(fǎng)問(wèn)之前完成的，具體的方法是：用一條“MOVX’命令將頁(yè)面地址輸出到鎖存器74LS374中，再由74LS374將頁(yè)面地址保持在存儲器的地址引腳A14～A18上。頁(yè)內偏移量則直接在存儲器的讀寫(xiě)命令中給出，執行命令時(shí)，低8位地址A0～A7從P0口輸出到74LS373中保持；地址A8～A13則由單片機的P2.0～P2.5直接提供。以上分時(shí)輸出的地址信號A0～A18將在讀／寫(xiě)控制信號開(kāi)始作用后，同時(shí)有效，以實(shí)現對SST39SF040的512KB全地址空間的訪(fǎng)問(wèn)。P2.6和P2.7分別用作SKT39SF040和鎖存器74LS374的片選信號，SST39SF040的片選信號地址范圍是8000H～BFFFH，74LS374的片選信號地址范圍是4000H～7FFFH。