大容量閃存芯片與DSP接口設(shè)計(jì)

在有些智能儀器中,需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)大量的采樣數(shù)據(jù),以提供歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。這需要采用大容量、低功耗、可以快速重復(fù)擦寫(xiě)的非易失性存儲(chǔ)器,因此選擇閃存作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì), 即使系統(tǒng)掉電，而所采集到的數(shù)據(jù)仍能長(zhǎng)時(shí)間的保持，不丟失。

在本文的設(shè)計(jì)中采用的是TI的TMS320F2812和三星的閃存K9K2G08U0M。K9K2G080M是三星公司的大容量閃存芯片,它的單片容量高達(dá)256MB，屬于NAND FLASH結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及引腳信號(hào)定義方式難以解決存儲(chǔ)容量增加的矛盾，即存儲(chǔ)容量的增加使得系統(tǒng)的連線復(fù)雜并且可靠性降低。NAND FLASH存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8 條I/O線, 另外還分別提供了命令控制信號(hào)線, 命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過(guò)8 條I/O 線傳輸，因此, NAND FLASH存儲(chǔ)器不會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)容量的增加而增加引腳數(shù)目，從而極大方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級(jí)，升級(jí)到更大容量而無(wú)需更改外部連接。因此,本文討論的NAND FLASH存儲(chǔ)器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的硬件連接和軟件編程方法具有較大的參考價(jià)值。

1 K9K2G08U0M 簡(jiǎn)介

電源電壓為2.7 -3.6V，讀速度為80ns；

具有指令/地址/ 數(shù)據(jù)復(fù)用的I/ O 口；

NAND FLASH 的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以頁(yè)面為單位,能使芯片的讀取速度更快。由2048個(gè)大小相同的存儲(chǔ)塊組成，每個(gè)塊由64頁(yè)組成，每頁(yè)2K字節(jié)和64個(gè)空閑字節(jié)；

1.2 K9K2G08U0M的引腳說(shuō)明

圖1 為引腳功能圖，各引腳的功能如下：

圖1 K9K2G08U0M引腳描述

I/ O0～I(xiàn)/ O7 : 三態(tài)，輸入命令、地址和數(shù)據(jù)以及讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)芯片沒(méi)有被選中或不能輸出時(shí), I/ O 口處于高阻態(tài)。

CLE: 命令鎖存使能。為高電平時(shí)，命令通過(guò)I/O 口線在WE 信號(hào)的上升沿被鎖入命令寄存器。

ALE: 地址鎖存端,在WE 上升沿且ALE 為高電平時(shí),地址鎖存。

CE: 片選端, 用于控制芯片的選擇。當(dāng)芯片忙時(shí), CE 為高電平而被忽略, 此時(shí)芯片不能回到備用狀態(tài)。

RE: 讀使能端。在RE的下降沿,輸出數(shù)據(jù)有效, 并且它還可以對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進(jìn)行累加。

WE: 寫(xiě)使能端,通過(guò)該端口可以在WE 脈沖的上升沿將指令、地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。

WP: 寫(xiě)保護(hù)端,在電源電壓變化期間，在WP 為低電平時(shí)，可產(chǎn)生寫(xiě)/ 擦除保護(hù)。

R/ B : 就緒/ 忙輸出, R/ B 的輸出能夠顯示芯片的狀態(tài)。R/ B 處于低電平時(shí),表示有編程、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行。操作完成后, R/ B 會(huì)自動(dòng)返回高電平。

2 DSP與FLASH的硬件接口

TI的TMS320F2812采用統(tǒng)一尋址方式，擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器K9K2G08U0M既可以作為程序存儲(chǔ)器，也可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。具體接口如圖2所示。

圖2 DSP與閃存接口

TMS320F2812的外部存儲(chǔ)器接口包括：19位地址線，16位數(shù)據(jù)線，3個(gè)片選控制線及讀寫(xiě)控制線。這3個(gè)片選線映射到5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，Zone0，Zone1，Zone2，Zone6和Zone7，其中Zone2的片選線是CS2，存儲(chǔ)區(qū)域是：0x080000-0x0FFFFF，512K*16位。當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域Zone2訪問(wèn)時(shí)，Zone2的片選線CS2低有效。

K9K2G08U0M 沒(méi)有地址線，命令、地址和數(shù)據(jù)信息均是通過(guò)閃存的I/O0-I/O7傳輸，另外，雖然K9K2G08U0M的容量達(dá)到了256MB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了TMS320F2812的存儲(chǔ)區(qū)域Zone2的容量1MB，但由于訪問(wèn)flash的地址是通過(guò)I/ O 口輸入，不需要通過(guò)地址線尋址，因此無(wú)需考慮采用頁(yè)面技術(shù)解決邏輯存儲(chǔ)空間與物理空間的映射問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了DSP與FLASH的硬件接口。

由于K9K2G08U0M本身具有功能管腳較少的優(yōu)點(diǎn),因此跟DSP的連接也相對(duì)簡(jiǎn)單。DSP和FLASH的工作電壓均是3.3V，因此兩者的引腳可以直接連接，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。K9K2G08U0M 的ALE、CLE分別由DSP 的A1 和A0 控制。DSP的低8位數(shù)據(jù)線直接與閃存的I/O0-I/O7 相連，實(shí)現(xiàn)命令、地址和數(shù)據(jù)的傳輸； DSP的通用I/O口IOA2 接R/B，監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)器的工作狀態(tài)，當(dāng)R/ B 處于低電平時(shí),表示有編程、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行；操作完成后, R/ B 會(huì)自動(dòng)返回高電平。DSP的W E 、R D 分別接FLASH的W E 、R E ， 控制讀、寫(xiě)操作。CS2接閃存的片選線CE。

3 對(duì)FLASH操作的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的DSP 編程采用了C 語(yǔ)言，首先定義了三個(gè)變量FLASH_D，F(xiàn)LASH_A，F(xiàn)LASH_C作為數(shù)據(jù)，地址和命令寄存器用來(lái)對(duì)FLASH讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，地址和命令。

#define FLASH_D 0x08fff0 #define FLASH_A 0x08fff2 #define FLASH_C 0x08fff1

因?yàn)镵9K2G08U0M 的ALE、CLE分別由DSP 的A1 和A0 控制，所以當(dāng)向命令寄存器FLASH_C寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候，訪問(wèn)的是DSP的存儲(chǔ)區(qū)域Zone2， 此時(shí)Zone2的片選線低有效，F(xiàn)LASH被選中，地址線A0變高，而引腳CLE高電平有效，此時(shí)寫(xiě)到FLASH_C的數(shù)據(jù)（FLASH命令）通過(guò)I/O寫(xiě)到閃存。同理，向FLASH_A和FLASH_D寫(xiě)可分別實(shí)現(xiàn)向FLASH寫(xiě)地址和數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的寫(xiě)三個(gè)存儲(chǔ)器即可分別實(shí)現(xiàn)命令，地址和數(shù)據(jù)鎖存，符合操作時(shí)序。

對(duì)FLASH的操作主要包括：按頁(yè)讀操作，頁(yè)編程，緩存編程，塊擦除，讀狀態(tài)，復(fù)位等。FLASH芯片的讀寫(xiě)有其特點(diǎn)，讀寫(xiě)操作都要以扇區(qū)為單位進(jìn)行，擦除操作是以塊為單位，由于對(duì)FLASH寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，位數(shù)據(jù)只能由1變?yōu)?，因而對(duì)FLASH進(jìn)行寫(xiě)操作前必須把寫(xiě)單元所在塊擦除；因此寫(xiě)操作時(shí)，所要擦除塊的數(shù)據(jù)必須事先保存，然后再對(duì)該塊進(jìn)行擦除，并把數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定單元，最后把其余部分恢復(fù)過(guò)來(lái)。因此FLASH芯片的寫(xiě)操作比較復(fù)雜，需要開(kāi)辟一定的緩沖區(qū)對(duì)要擦除的塊進(jìn)行保存。

圖 4 頁(yè)編程流程

下面僅以頁(yè)編程為例簡(jiǎn)要介紹對(duì)FLASH的操作過(guò)程，頁(yè)編程時(shí)序如圖3，圖4為其流程框圖，函數(shù)為void page _ program（）；

頁(yè)編程時(shí),首先寫(xiě)頁(yè)編程命令80H，可將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FLASH緩沖區(qū), 然后順序輸入待編程存儲(chǔ)器的地址共5字節(jié)，2字節(jié)Column Address 和3字節(jié)Row Address,以及待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。頁(yè)編程命令10H用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)到FLASH的編程操作。待R/ B 變?yōu)楦吆?系統(tǒng)將讀狀態(tài)寄存器,以判斷寫(xiě)操作是否成功。寫(xiě)命令時(shí),CLE 要有效;寫(xiě)入地址時(shí),ALE 要有效;寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí),CLE、ALE都必須無(wú)效。I/ O0～I(xiàn)/ O7 上的命令、地址、數(shù)據(jù)通常是在WE 的上升沿鎖存的。I/ O0等于0表示頁(yè)編程成功，否則頁(yè)編程錯(cuò)誤。

void page_program_flash()

{ unsigned char *Flash_E;

unsigned char temp;

unsigned int i;

Flash_E=FLASH_C;

*Flash_E=0x80;

Flash_E=FLASH_A;

*Flash_E=coladdr1;

*Flash_E=coladdr2;

*Flash_E=rowaddr1;

*Flash_E=rowaddr2;

*Flash_E=rowaddr3;

Flash_E=FLASH_D;

for(i=0;i2048;i++)

{ *Flash_E=i; }

Flash_E=FLASH_C;

*Flash_E=0x10;

flash_delay();

do{ Flash_E=FLASH_C;

*Flash_E=0x70;

Flash_E=FLASH_D;

temp=*Flash_E;

temp=temp0x41;

}while(temp!=0x40);

}

}

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了閃存K9K2G08U0M與DSP 的硬件接口技術(shù)和軟件編程。由于NAND FLASH具有的優(yōu)點(diǎn)使得硬件接口設(shè)計(jì)和軟件編程比較簡(jiǎn)單，升級(jí)也比較容易。NAND FLASH 具有非易失性、大容量、低成本等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)碼相機(jī)，MP3等數(shù)碼電子產(chǎn)品和智能儀器得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：直接用DSP地址線A0、A1分別控制FLASH的命令鎖存CLE和地址鎖存ALE，并在此基礎(chǔ)上定義了數(shù)據(jù)，地址和命令寄存器用來(lái)對(duì)FLASH讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，地址和命令，這相當(dāng)于間接對(duì)CLE和ALE進(jìn)行操作，簡(jiǎn)化了軟件編程設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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