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。串行Flash存儲(chǔ)器大多采用I2C接口或SPI接口進(jìn)行讀寫(xiě);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。 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(xiě),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(xiě)過(guò)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(xiě)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(xiě)。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(xiě)。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(xiě)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(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(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,例如讀、寫(xiě)、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(xiě)命令格式。 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(xiě)程序就相對(duì)簡(jiǎn)單些;如果單片機(jī)沒(méi)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(xiě)子程序 DataFlash系列存儲(chǔ)器可以按地址從低到高順序讀寫(xiě),也可以隨機(jī)讀寫(xiě)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(kāi)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(guò)緩存寫(xiě)主存頁(yè)命令(操作碼82H或85H),直接將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存,在適當(dāng)?shù)臅r(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(shù)據(jù)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(yīng)用場(chǎng)合與要求。 下面的子程序?yàn)轫樞蜃x/寫(xiě)存儲(chǔ)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(chǔ)器寫(xiě)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(xiě),使用MPLAB5.4.00編譯器編譯通過(guò)并燒寫(xiě)入單片機(jī),按圖5所示系統(tǒng)實(shí)測(cè)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(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(xiě)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(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 |