SPI串行Flash在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用

http://butianyuan.cn/article/201612/333179.htm

1 概述

在目前所有的非易失性存儲(chǔ)器（PROM、EPROM、EEPROM和Flash）中，唯有Flash存儲(chǔ)器幾乎擁有現(xiàn)今講究個(gè)性化的用戶所需的所有特點(diǎn)，它具有掉電數(shù)據(jù)不丟失、快速數(shù)據(jù)存取速度、電可擦除、容量大、在線可編程、價(jià)格低廉以及足夠多的擦除、容量大、在線可編程、價(jià)格低廉以及足夠多的擦寫次數(shù)（一百萬(wàn)次）和較高的可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而已為新一代嵌入式應(yīng)用（如數(shù)字相機(jī)和MP3播放機(jī)）的首選存儲(chǔ)器?，F(xiàn)在FLASH的成本已低于PROM/EPROM，可以肯定，它將很快占鄰PROM/EPROM市場(chǎng)，MASK（掩膜）ROM盡管在大指生產(chǎn)時(shí)具備一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但其升級(jí)不便的弱點(diǎn)將隨著今后FLASH成本的進(jìn)一步降低，而使得MASK ROM的前景并不樂(lè)觀。

ATMEL生產(chǎn)的Flash AT45系列中的AT45D041為單5V供電的SPI接口器件，其封裝形式有PLCC、TSOP和SOIC三種，圖1給出了該器件采用SOIC封裝形式的管腳排列和說(shuō)明。

AT45D041的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該器件有2048頁(yè)（每頁(yè)264字節(jié)）內(nèi)存（Flash Memory,也叫主存Main Memory）和兩具Buffer(每個(gè)Buffer為264字節(jié)的SRAM)組成。數(shù)據(jù)可以直接寫入閃存，也可以選寫入Buffer，然后再將Buffer的數(shù)據(jù)整個(gè)復(fù)制到閃存的某一天，也可以在閃存正處于編程時(shí)（頁(yè)編程時(shí)間典型值7ms）將數(shù)據(jù)寫入Buffer。以下是該器件的一些特點(diǎn)：

●一頁(yè)主存?zhèn)魉偷紹uffer的典型時(shí)間為80μs；

●有效電流的典型值為15mA，空閑電流為20μA；

●最大時(shí)鐘頻率為10MHz；

●具有硬件擦、寫保護(hù)功能，當(dāng)WP腳為低時(shí)，前256頁(yè)鈄禁止編程。

●輸入輸出與CMOS和TTL電平兼容；

●具有商業(yè)和工業(yè)兩種溫度范圍；

●可單周期重編程（包括擦除和編程）；

●帶有串行接口，讀寫操作時(shí)地址會(huì)自動(dòng)增1；

●復(fù)位時(shí)將終止正在進(jìn)行的操作，當(dāng)復(fù)位管腳恢復(fù)高電平時(shí)，操作也可以恢復(fù)；

●傳送數(shù)據(jù)時(shí)，高位（MSB）在前。

2 操作命令介紹

對(duì)AT45D041的操作一共有18條命令，表1所列為AT45D041的操作命令集。其中：

表1 AT45D041的操作命令集

r為保留位，AD45D041用0代替，容量更大的器件一般可能會(huì)用到；

×為無(wú)關(guān)位（0或1均可，為了占時(shí)鐘位）；

PA10～PA0用來(lái)指定頁(yè)地址，對(duì)AT45D041而言，一共有2048頁(yè)，占11位；

BA8～BA0用來(lái)指定內(nèi)字節(jié)的起始地址，每頁(yè)264字節(jié)，占9位；

BFA8～BFA0用來(lái)指定緩沖區(qū)內(nèi)字節(jié)的起始地址，緩沖區(qū)也是264字節(jié)；

52H～61H、82H-89H分別是用來(lái)區(qū)別不同操作的命令字。

執(zhí)行命令時(shí)，首先通過(guò)SPI串口往Flash發(fā)送一連串的數(shù)據(jù)，然后以命令字開頭，除了“讀狀態(tài)寄存器”外，后面還要跟上頁(yè)地址和頁(yè)內(nèi)的字節(jié)地址發(fā)及一些無(wú)關(guān)位?！白x主存”時(shí)，首先需要往Flash發(fā)送64bit的命令，即：命令字52（8bit）+4個(gè)“r”+頁(yè)地址（11bit）+頁(yè)內(nèi)字節(jié)的起始地址（9bit）+32個(gè)無(wú)關(guān)位，發(fā)送完這64bit（通常是組合成8個(gè)字節(jié)）命令后，緊跟著從Flash讀數(shù)據(jù)以可以了（即后面的SCK信號(hào)使得數(shù)據(jù)從SO腳移出），每讀出一個(gè)字節(jié)，字節(jié)地址自動(dòng)加1，如遇到該頁(yè)的末尾，只要有SCK信號(hào)，系統(tǒng)再加到該頁(yè)的開關(guān)處讀數(shù)據(jù)。在整個(gè)操作過(guò)程中，CS腳始終為“0”；當(dāng)CS腳回到“1”時(shí)，將終止此次操作，SO腳恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

主存?zhèn)魉偷紹ufferx是指將2048頁(yè)主存中的任何一頁(yè)（由PA10～PA0決定）的內(nèi)容復(fù)制到緩沖區(qū)，發(fā)送完32bit命令后，當(dāng)CS腳由“0”為“1”后，數(shù)據(jù)的復(fù)制才真正開始。

主存與Bufferx的比較主要是看主存中的某一頁(yè)與緩沖區(qū)是否一樣，當(dāng)CS腳回到“1”后，比較才開始進(jìn)行，比較的結(jié)果（是否一樣）記錄在狀態(tài)寄存器的bit6中。

把帶擦除的Bufferx傳送到主存就是將緩沖區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到主存中的某一頁(yè)，復(fù)制前應(yīng)將緩沖區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到主存中的某一頁(yè)，復(fù)制前應(yīng)將主存中的該頁(yè)數(shù)據(jù)全部擦掉，所有這些操作只有等到CS腳回到“1”后才能進(jìn)行。對(duì)于不帶擦除的Bufferx傳送到主存的操作，在命令執(zhí)行前，指定的主存頁(yè)必須已被擦除過(guò)。

以Bufferx為緩沖為主存編程就是將“寫B(tài)ufferx”與“帶擦除的Bufferx傳送到主存”進(jìn)行組合。在發(fā)送完命令后，寫入Flash的數(shù)據(jù)將被寫入到緩沖區(qū)內(nèi)，如果遇到緩沖區(qū)末尾，要繼續(xù)寫入的數(shù)據(jù)又從緩沖區(qū)開頭寫入，直到CS腳由“0”到“1”后，主存中被指定的頁(yè)的數(shù)據(jù)被擦除后再將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)整個(gè)復(fù)制到主存的指定頁(yè)中。

3 狀態(tài)寄存器及操作完成指示

一般向Flash發(fā)送57H后以可讀出狀態(tài)寄存器（移出時(shí)，高位在前），狀態(tài)寄存器的位定義如表2所列。其中Bit7為“0”表示器件忙，為“1”表示可以接收新的命令；Bit6是比較結(jié)果位，為“0”表示主存與緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一樣，為“1”時(shí)表示最少有一個(gè)bit不同；Bit5～Bit3為該系列器件的容量指示位，一共種8種容量，對(duì)于AT45D041來(lái)說(shuō)，該區(qū)域?yàn)椤?11”；Bit2～Bit0未使用。一共蛾6種操作會(huì)使器件處于“忙”狀態(tài)，這6種操作是：

●主存?zhèn)魉偷紹ufferx；

●主存與Bufferx比較；

●帶擦除的Bufferx傳送到主存；

●不帶擦除的Bufferx傳送到主存；

●Bufferx為緩沖對(duì)主存編程；

●Bufferx為緩沖自動(dòng)重編程。

這6種操作均需要監(jiān)視狀態(tài)寄存器，以便知道操作是否完成。除了監(jiān)視狀態(tài)寄存器外，更好的方法是將芯片管腳RDY/BUSY與CPU的某個(gè)中斷相連，并將中斷設(shè)置為升沿觸發(fā)，操作一完成即可觸發(fā)中斷，這樣可能節(jié)省大量的CPU時(shí)間。

4 SPI接口及應(yīng)用

4.1 SPI接口

串行外圍接口一共有4種操作模式，圖3為其時(shí)序圖。這些操作模式?jīng)Q定了傳送與接收的時(shí)鐘相位和極性，換句話說(shuō)，也就是這些模式?jīng)Q定了利用時(shí)鐘信號(hào)的哪個(gè)沿來(lái)控制數(shù)據(jù)傳判斷的方向。這些模式一般由主機(jī)（CPU）來(lái)設(shè)置。

當(dāng)CPOL=0時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)SCK在空閑時(shí)為“0”，即模式0和1；

如果CPOL=1，則SCK在空閑時(shí)為“1”，即模式2和3；

當(dāng)CPHA=CPOL時(shí)，數(shù)據(jù)總在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移進(jìn)Flash，下降沿移出Flash，即模式0和3。

4.2 SPI接口應(yīng)用

對(duì)于12位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用AD公司的Flash集成MCU芯片AduC812可使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單快捷。由于AduC812有一個(gè)與I2C兼容的SPI接口，所以與AT45系列的Flash接口只需將相應(yīng)的管腳相連即可，只不過(guò)要將AduC812設(shè)為主機(jī)，而AT45D041自然以是從機(jī)了。在AduC812中有SPI控制寄存器（SPICON）與SPI數(shù)據(jù)寄存器（SPIDAT），數(shù)據(jù)寄存器的使用如同使用RS232的Buffer一樣簡(jiǎn)單，控制寄存器的位定義如表3所列?，F(xiàn)對(duì)其各個(gè)位定義進(jìn)行說(shuō)明：

ISPI：SPI中斷位，在每次傳送過(guò)錯(cuò)SPIDAT中的數(shù)據(jù)后，置“1”；

WCOL：寫沖突錯(cuò)誤標(biāo)志位，在寫保護(hù)狀態(tài)下編程會(huì)導(dǎo)致該位置“1”；

SPE：SPI允許控制位，為“0”時(shí)禁止；

SPIM：主從模式選擇位，為“1”時(shí)選擇主機(jī)；

CPOL：時(shí)鐘極性選擇，為“0”時(shí)，將使CLK在空閑時(shí)為低電平；

CPHA：時(shí)鐘相位選擇，為“0”時(shí)，在時(shí)鐘上升沿被鎖存；

SPR1、SPR0：SPI波特率選擇位，BITRATE=Fose/[4,8,32,64]?！?0”選擇除以4。

4.3 SPI操作模式選擇

AT45系列的Flash支持SPI模式0和3，并且在每個(gè)CS信號(hào)的下降沿，可通過(guò)采樣時(shí)鐘信號(hào)的狀態(tài)自動(dòng)選擇操模式。由于在上電或復(fù)位時(shí)器件將自動(dòng)進(jìn)入缺省的模式3，所以使用械比較可靠。在AduC812的應(yīng)用中，選擇模式0和3對(duì)“寫”Flash沒(méi)有差別，但在“讀”Flash時(shí)，選擇模式0會(huì)使從Flash讀出的數(shù)據(jù)總?cè)鄙僖粋€(gè)bit，這可能是模式0中數(shù)據(jù)有效的時(shí)間比較靠后的緣故。圖4和圖5分別是模式0和模式3的“讀主存”時(shí)序圖，由時(shí)序圖可以看出：模式0中數(shù)據(jù)的有效時(shí)間明顯比模式3的有效時(shí)間靠后半個(gè)時(shí)鐘周期。

表2 狀態(tài)寄存器的位定義

表3 SPI控制寄存器的位定義