大容量NORFlash與8位單片機的接口設計

引 言

Flash存儲器又稱閃速存儲器，是20世紀80年代末逐漸發(fā)展起來的一種新型半導體不揮發(fā)存儲器。它兼有RAM和ROM的特點，既可以在線擦除、改寫，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品種，與其他種類的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(jié)或單字編程，允許CPU直接從芯片中讀取代碼執(zhí)行等。因此NOR Flash存儲器在嵌入式系統(tǒng)應用開發(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寫入或大容量、非易失性數據重復存儲的場合。

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，CE為芯片選通信號，OE可作為讀信號，WE為寫信號，DQ7～DQ0為數據線。

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在芯片內部產生。
③ 芯片可反復擦寫100 000次，數據保存時間為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(qū)結構：扇區(qū)大小統(tǒng)一為4 KB。
⑥ 讀取、擦除和字節(jié)編程時間的典型值：數據讀取時間為45～70 ns；扇區(qū)擦除時間為18 ms，整片擦除時間為70 ms；字節(jié)編程時間為14μs。
⑦ 有記錄內部擦除操作和編程寫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：普通讀操作和命令操作。

普通讀操作非常簡單，與RAM的讀操作類似，當OE和CE信號同時為低電平時，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(jié)編程、扇區(qū)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完成，如表1所列。其中，BA為待編程字節(jié)的地址，Data為字節(jié)編程數據，SAX為待擦除扇區(qū)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際上是由一個或多個總線寫操作組成的。以SST39SF040的扇區(qū)擦除為例，其操作過程包括3個步驟：第1步，開啟擦除方式，用表1中給出的第1至第5周期的總線寫操作來實現；第2步，裝載扇區(qū)擦除命令(30H)和待擦除扇區(qū)的地址，用其對應的第6周期的總線寫操作來實現；第3步，進行內部擦除。內部擦除時間最長為25 ms。

總線寫操作時，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兩個信號的邊沿進行控制。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(jié)編程和擦除操作的狀態(tài)檢測

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

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(tǒng)總線上。根據SST39SF040和MCS-51系列單片機的結構特性，我們發(fā)現SST39SF040的數據線和讀、寫信號線可以很容易地連接到MCS-51的系統(tǒng)總線上，所以要考慮的主要問題是SST39SF040地址線的連接。由于其容量已經超出了MCS-51的尋址范圍，19根地址線無法全部連接到MCS-51的地址總線上，因此必須在該系統(tǒng)中進行進一步的存儲器擴展。存儲器擴展通?？衫脝纹瑱C空閑的I／O口線作為頁面地址輸出引腳來實現。但是許多應用系統(tǒng)當中，單片機的I／O口線都是非常緊張的，在沒有多余的I／O口線時，頁面地址就必須提前從數據總線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上，為其安排一個I／O地址，從而構成頁面寄存器，在訪問存儲器時，提前將頁面地址作為數據寫入頁面寄存器即可。

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(tǒng)中，將512 KB的存儲器分為32頁面，每頁大小為16 KB。由此可得，頁面地址需要5位，頁內偏移量需要14位。頁面地址的給出是在進行存儲器訪問之前完成的，具體的方法是：用一條“MOVX’命令將頁面地址輸出到鎖存器74LS374中，再由74LS374將頁面地址保持在存儲器的地址引腳A14～A18上。頁內偏移量則直接在存儲器的讀寫命令中給出，執(zhí)行命令時，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。以上分時輸出的地址信號A0～A18將在讀／寫控制信號開始作用后，同時有效，以實現對SST39SF040的512KB全地址空間的訪問。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。