串行DataFlash存儲器及其與單片機的接口
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摘要：DataFlash是Atmel公司新推出的大容量串行Flash存儲器產(chǎn)品，具有體積小、容量大、功耗低和硬件接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常易于構成微型測量系統。本文重點(diǎn)介紹此類(lèi)存儲器與單片機的接口，并給出實(shí)際的電路設計和軟件代碼示例。 關(guān)鍵詞：串行Flash存儲器 接口 AT45DB161B 1 概述 Flash存儲器按其接口可分為串行和并行兩大類(lèi)。串行Flash存儲器大多采用I2C接口或SPI接口進(jìn)行讀寫(xiě)；與并行Flash存儲器相比，所需引腳少、體積小、易于擴展、與單片機或控制器連接簡(jiǎn)單、工作可靠，所以串行Flash存儲器越來(lái)越多地用在各類(lèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)測控系統中。 DataFlash是美國Atmel公司新推出的大容量串行Flash存儲器產(chǎn)品，采用NOR技術(shù)制造，可用于存儲數據或程序代碼，其產(chǎn)品型號為AT45DBxxxx。此系列存儲器容量較大，從1Mb～256Mb；封裝尺寸小，最小封裝型式（CBGA）尺寸為6mm8mm；采用SPI接口進(jìn)行讀寫(xiě)，硬件連線(xiàn)少；內部頁(yè)面尺寸較小，8Mb容量的頁(yè)面尺寸為264字節，16Mb和32Mb容量的頁(yè)面尺寸為512字節，64Mb容量的頁(yè)面尺寸為1056字節，128Mb容量和256Mb容量的頁(yè)面尺寸為2112字節。另外，AT45DBxxxx系列存儲器內部集成了兩個(gè)與主存頁(yè)面相同大小的SRAM緩存，極大地提高了整個(gè)系統的靈活性，簡(jiǎn)化了數據的讀寫(xiě)過(guò)程。此外，AT45DBxxxx系列存儲器工作電壓較低，只需2.7～3.6V；整個(gè)芯片的功耗也較小，典型的讀取電流為4mA，待機電流僅為2μA。所有這些特點(diǎn)使得此系列存儲器非常適合于構成微型、低功耗的測控系統。筆者就使用AT45DB161B存儲器和PIC16LC73B單片機及微型壓力傳感器構成了用兩片紐扣電池驅動(dòng)的微型壓力測量裝置，其外形尺寸僅為φ10mm20mm。 2 芯片簡(jiǎn)介 2.1 引腳排列和功能 AT45DB161B為DataFlash系列中的中檔產(chǎn)品，單片容量為16Mb。其引腳排列如圖1所示，引腳功能如表1所列。
2.2 芯片內部邏輯結構 AT45DB161B的內部邏輯結構分為三個(gè)部分：存儲器頁(yè)陣列（主存）、緩存與I/O接口。AT45DB161B的存儲頁(yè)面大小為528字節，整個(gè)存儲器共分為4096頁(yè)，片內集成了兩個(gè)528字節的SRAM緩存，內部邏輯結構如圖2所示。 3 存儲器讀寫(xiě)接口 3.1 SPI接口及操作模式 AT45DB161B存儲器采用SPI接口進(jìn)行讀寫(xiě)。SPI接口是一種通用串行接口總線(xiàn)，字長(cháng)為8位，用來(lái)與外部設備（例如EEPROM、A/D轉換器等）進(jìn)行通信。SPI接口利用SCK、SI和SO三根線(xiàn)進(jìn)行數據的讀/寫(xiě)。其中，SCK為時(shí)鐘信號，SI和SO為數據輸入和輸出線(xiàn)。AT45DB161B的SCK引腳的時(shí)鐘信號必須由外部單片機或控制器輸入，讀/寫(xiě)命令字由SI引腳輸入，數據由SO引腳輸出。 SPI接口共有四種操作模式，分別為0、1、2和3。SPI操作模式?jīng)Q定了設備接收和發(fā)送數據時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了時(shí)鐘信號的上升和下降沿與數據流行方向之間的關(guān)系，如圖3所示。 DataFlash系列存儲器僅支持使用得最為廣泛的SPI模式0和3。在這兩種模式下，SCK信號的上升沿觸發(fā)數據輸入，下降沿觸發(fā)數據輸出。二者的區別是SCK信號的起始電平不同。 3.2 存儲器命令接口與狀態(tài)機 除了基本存儲單元外，DataFlash系列存儲器內部還包括命令用戶(hù)接口CUI（Command User Interface）和狀態(tài)機。CUI接收用戶(hù)軟件的操作命令，將其翻譯成狀態(tài)機內部操作碼并進(jìn)行命令的有效性檢驗。狀態(tài)機控制存儲器所有的內部操作，包含一個(gè)8位的狀態(tài)寄存器（status register），用來(lái)指示設備的操作狀態(tài)。向存儲器輸入讀狀態(tài)寄存器命令可將狀態(tài)寄存器的數據從最高位開(kāi)始依次讀出。狀態(tài)寄存器各位的意義如表2所列。
3.3 存儲器操作命令及其模式 為了使存儲器進(jìn)行所需的操作，例如讀、寫(xiě)、擦除等，必須從SI引腳輸入相應的操作命令，然后從SO或SI引腳讀取或寫(xiě)入數據。除讀狀態(tài)寄存器命令外，所有的命令格式為：1字節操作碼+3字節地址碼。操作碼指示所需的操作，DataFlash系列節地址碼用來(lái)尋址存儲器頁(yè)陣列或緩存。圖4為AT45DB161B的讀/寫(xiě)命令格式。 4 存儲器與單片機接口實(shí)例 4.1 硬件電路 DataFlash系列存儲器幾乎可以和任何類(lèi)型的單片機接口，無(wú)論單片機是否有SPI接口。當然，如果單片機有SPI接口，那么存儲器讀/寫(xiě)程序就相對簡(jiǎn)單些；如果單片機沒(méi)有SPI接口，則可以用軟件仿真SPI接口與存儲器通信。 圖5為微型壓力測量系統的一部分。存儲器采用AT45DB161B-TC，TSOD封裝；單片機為美國Microchip公司的PIC16LC73B-04/SS，SSOP封裝。單片機采用軟件仿真SPI接口的方式與存儲器通信，存儲器工作于SPI模式0。 4.2 AT45DB161B存儲器讀/寫(xiě)子程序 DataFlash系列存儲器可以按地址從低到高順序讀寫(xiě)，也可以隨機讀寫(xiě)任一字節的數據。對于順序讀數據，可以使用連續讀主存頁(yè)陣列命令（操作碼68H或E8H）從給定的起始地址開(kāi)始連續讀出，中間不需用戶(hù)干預，也可使用讀單頁(yè)主存命令（操作碼52H或D2H），自行提供頁(yè)地址讀取數據。對于順序寫(xiě)數據，可以使用通過(guò)緩存寫(xiě)主存頁(yè)命令（操作碼82H或85H），直接將數據寫(xiě)入主存；也可以先使用寫(xiě)緩存命令（操作碼84H或87H)，將數據寫(xiě)入緩存，在適當的時(shí)刻再使用緩存寫(xiě)主存頁(yè)命令（操作碼83H或86H），將緩存中的數據寫(xiě)入主存，如圖6所示。使用何種方式讀寫(xiě)取決于特定的應用場(chǎng)合與要求。 下面的子程序為順序讀/寫(xiě)存儲器的例子。子程序spiwt采用了通過(guò)緩存寫(xiě)主存頁(yè)的方法，向存儲器寫(xiě)入1字節數據。順序讀存儲器子程序spicrd采用了邊疆讀主存頁(yè)陣列命令。從給定地址處連續讀出數據，用圖5所示的PIC16LC73B單片機匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，使用MPLAB5.4.00編譯器編譯通過(guò)并燒寫(xiě)入單片機，按圖5所示系統實(shí)測通過(guò)。 spiwt bcf STATUS,RP0 bcf PORTB,SCK ；模式0 bcf PORTB,cs ；片選 movlw 82H ；加載操作碼 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出操作碼 movf PA1，w ；加載第一字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf BA1,w xorwf PA2,w ；獲得第二字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf BA2，w ；加載第三字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf spi_wt,w ;加載待寫(xiě)數據 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 bsf PORTB,cs ；觸發(fā)寫(xiě)入操作 nop ；延時(shí) retlw 0 ；從子程序返回 ；輸出子程序，用spiout名稱(chēng)調用 spiout movlw 0x08 ；加載輸出位數 movwf spi_cnt ；置入寄存器 nspiout rlf spi_out ；先輸出最高位 btfsc STATUS,C ；是否為1 bsf PORTB,SDO ；輸出1 btfss STATUS,C ;是否為0 bcf PORTB,SDO ;輸出0 nop ；延時(shí) bsf PORTB,SCK ;時(shí)鐘信號上升沿 nop ；延時(shí) bcf PORTB,SCK ;時(shí)鐘信號下降沿 decfsz spi_cnt ；檢查輸出位數 goto nspiout ；輸出下一位 retlw 0 ；從子程序返回 ；順序讀子程序，用名稱(chēng)spicrd調用 spicrd bcf STATUS,RP0 bcf PORTB,cs ；片選 bcf PORTB,SCK ;模式0 movlw E8H ;加載操作碼 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf PA1,w ；加載第一字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf BA1,w xorwf PA2,w ；獲得第二字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf BA2,w ；加載第三字節地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調用子程序輸出 movf DCRE,w ；加載任意位字節 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ;調用子程序輸出 movf DCRE，w ；共需4個(gè)任意位字節 movwf spi_out call spiout movf DCRE,w movwf spi_out call spiout movf DCRE,w movwf spi_out call spiout retlw 0 ;從子程序返回 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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