串行DataFlash存儲(chǔ)器及其與單片機(jī)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(chǔ)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(gòu)成微型測(cè)量系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹此類存儲(chǔ)器與單片機(jī)的接口，并給出實(shí)際的電路設(shè)計(jì)和軟件代碼示例。 關(guān)鍵詞：串行Flash存儲(chǔ)器 接口 AT45DB161B 1 概述 Flash存儲(chǔ)器按其接口可分為串行和并行兩大類。 DataFlash是美國(guó)Atmel公司新推出的大容量串行Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品，采用NOR技術(shù)制造，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或程序代碼，其產(chǎn)品型號(hào)為AT45DBxxxx。此系列存儲(chǔ)器容量較大，從1Mb～256Mb；封裝尺寸小，最小封裝型式（CBGA）尺寸為6mm×8mm；采用SPI接口進(jìn)行讀寫，硬件連線少；內(nèi)部頁(yè)面尺寸較小，8Mb容量的頁(yè)面尺寸為264字節(jié)，16Mb和32Mb容量的頁(yè)面尺寸為512字節(jié)，64Mb容量的頁(yè)面尺寸為1056字節(jié)，128Mb容量和256Mb容量的頁(yè)面尺寸為2112字節(jié)。另外，AT45DBxxxx系列存儲(chǔ)器內(nèi)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(tǒng)的靈活性，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的讀寫過程。此外，AT45DBxxxx系列存儲(chǔ)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(jī)電流僅為2μA。所有這些特點(diǎn)使得此系列存儲(chǔ)器非常適合于構(gòu)成微型、低功耗的測(cè)控系統(tǒng)。筆者就使用AT45DB161B存儲(chǔ)器和PIC16LC73B單片機(jī)及微型壓力傳感器構(gòu)成了用兩片紐扣電池驅(qū)動(dòng)的微型壓力測(cè)量裝置，其外形尺寸僅為φ10mm×20mm。 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(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) AT45DB161B的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：存儲(chǔ)器頁(yè)陣列（主存）、緩存與I/O接口。AT45DB161B的存儲(chǔ)頁(yè)面大小為528字節(jié)，整個(gè)存儲(chǔ)器共分為4096頁(yè)，片內(nèi)集成了兩個(gè)528字節(jié)的SRAM緩存，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3 存儲(chǔ)器讀寫接口 3.1 SPI接口及操作模式 AT45DB161B存儲(chǔ)器采用SPI接口進(jìn)行讀寫。SPI接口是一種通用串行接口總線，字長(zhǎng)為8位，用來(lái)與外部設(shè)備（例如EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器等）進(jìn)行通信。SPI接口利用SCK、SI和SO三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫。其中，SCK為時(shí)鐘信號(hào)，SI和SO為數(shù)據(jù)輸入和輸出線。AT45DB161B的SCK引腳的時(shí)鐘信號(hào)必須由外部單片機(jī)或控制器輸入，讀/寫命令字由SI引腳輸入，數(shù)據(jù)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(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降沿與數(shù)據(jù)流行方向之間的關(guān)系，如圖3所示。 DataFlash系列存儲(chǔ)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(hào)的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入，下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出。二者的區(qū)別是SCK信號(hào)的起始電平不同。 3.2 存儲(chǔ)器命令接口與狀態(tài)機(jī) 除了基本存儲(chǔ)單元外，DataFlash系列存儲(chǔ)器內(nèi)部還包括命令用戶接口CUI（Command User Interface）和狀態(tài)機(jī)。CUI接收用戶軟件的操作命令，將其翻譯成狀態(tài)機(jī)內(nèi)部操作碼并進(jìn)行命令的有效性檢驗(yàn)。狀態(tài)機(jī)控制存儲(chǔ)器所有的內(nèi)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(shè)備的操作狀態(tài)。向存儲(chǔ)器輸入讀狀態(tài)寄存器命令可將狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)從最高位開始依次讀出。狀態(tài)寄存器各位的意義如表2所列。
3.3 存儲(chǔ)器操作命令及其模式 為了使存儲(chǔ)器進(jìn)行所需的操作， 4 存儲(chǔ)器與單片機(jī)接口實(shí)例 4.1 硬件電路 DataFlash系列存儲(chǔ)器幾乎可以和任何類型的單片機(jī)接口，無(wú)論單片機(jī)是否有SPI接口。當(dāng)然，如果單片機(jī)有SPI接口，那么存儲(chǔ)器讀/寫程序就相對(duì)簡(jiǎn)單些；如果單片機(jī)沒有SPI接口，則可以用軟件仿真SPI接口與存儲(chǔ)器通信。 圖5為微型壓力測(cè)量系統(tǒng)的一部分。存儲(chǔ)器采用AT45DB161B-TC，TSOD封裝；單片機(jī)為美國(guó)Microchip公司的PIC16LC73B-04/SS，SSOP封裝。單片機(jī)采用軟件仿真SPI接口的方式與存儲(chǔ)器通信，存儲(chǔ)器工作于SPI模式0。 4.2 AT45DB161B存儲(chǔ)器讀/寫子程序 DataFlash系列存儲(chǔ)器可以按地址從低到高順序讀寫，也可以隨機(jī)讀寫任一字節(jié)的數(shù)據(jù)。對(duì)于順序讀數(shù)據(jù)，可以使用連續(xù)讀主存頁(yè)陣列命令（操作碼68H或E8H）從給定的起始地址開始連續(xù)讀出，中間不需用戶干預(yù)，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(shù)據(jù)。對(duì)于順序?qū)憯?shù)據(jù)，可以使用通過緩存寫主存頁(yè)命令（操作碼82H或85H），直接將數(shù)據(jù)寫入主存；也可以先使用寫緩存命令（操作碼84H或87H)，將數(shù)據(jù)寫入緩存，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻再使用緩存寫主存頁(yè)命令（操作碼83H或86H），將緩存中的數(shù)據(jù)寫入主存，如圖6所示。使用何種方式讀寫取決于特定的應(yīng)用場(chǎng)合與要求。 下面的子程序?yàn)轫樞蜃x/寫存儲(chǔ)器的例子。子程序spiwt采用了通過緩存寫主存頁(yè)的方法，向存儲(chǔ)器寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)。順序讀存儲(chǔ)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(xù)讀出數(shù)據(jù)，用圖5所示的PIC16LC73B單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫，使用MPLAB5.4.00編譯器編譯通過并燒寫入單片機(jī)，按圖5所示系統(tǒng)實(shí)測(cè)通過。 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(diào)用子程序輸出操作碼 movf PA1，w ；加載第一字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf BA1,w xorwf PA2,w ；獲得第二字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf BA2，w ；加載第三字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf spi_wt,w ;加載待寫數(shù)據(jù) movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 bsf PORTB,cs ；觸發(fā)寫入操作 nop ；延時(shí) retlw 0 ；從子程序返回 ；輸出子程序，用spiout名稱調(diào)用 spiout movlw 0x08 ；加載輸出位數(shù) 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(hào)上升沿 nop ；延時(shí) bcf PORTB,SCK ;時(shí)鐘信號(hào)下降沿 decfsz spi_cnt ；檢查輸出位數(shù) goto nspiout ；輸出下一位 retlw 0 ；從子程序返回 ；順序讀子程序，用名稱spicrd調(diào)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(diào)用子程序輸出 movf PA1,w ；加載第一字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf BA1,w xorwf PA2,w ；獲得第二字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf BA2,w ；加載第三字節(jié)地址 movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ；調(diào)用子程序輸出 movf DCRE,w ；加載任意位字節(jié) movwf spi_out ；置入寄存器 call spiout ;調(diào)用子程序輸出 movf DCRE，w ；共需4個(gè)任意位字節(jié) 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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
串行Flash存儲(chǔ)器大多采用I2C接口或SPI接口進(jìn)行讀寫；與并行Flash存儲(chǔ)器相比，所需引腳少、體積小、易于擴(kuò)展、與單片機(jī)或控制器連接簡(jiǎn)單、工作可靠，所以串行Flash存儲(chǔ)器越來(lái)越多地用在各類電子產(chǎn)品和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。
例如讀、寫、擦除等，必須從SI引腳輸入相應(yīng)的操作命令，然后從SO或SI引腳讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。除讀狀態(tài)寄存器命令外，所有的命令格式為：1字節(jié)操作碼+3字節(jié)地址碼。操作碼指示所需的操作，DataFlash系列節(jié)地址碼用來(lái)尋址存儲(chǔ)器頁(yè)陣列或緩存。圖4為AT45DB161B的讀/寫命令格式。
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