超大容量存儲器在管道通徑儀中的應(yīng)用

閃存(Flash Memory)是一種可以進(jìn)行電擦寫并且掉電后信息不丟失(非易失，Non-Volatile)的存儲器，具有功耗低、擦寫速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于外部存儲領(lǐng)域。
管道運(yùn)輸作為當(dāng)前油氣資源的主要輸送手段，其運(yùn)行安全性受到越來越多的重視。由于不同的要求使得鋪設(shè)的管道直徑不盡相同，并且管道在長期運(yùn)行過程中也會存在各種變形，這對管道缺陷檢測器的運(yùn)行有相當(dāng)大的影響，容易造成卡死等后果。通徑儀就是鑒于此研制的記錄管徑變動情況的儀器。一般情況下，通徑儀連續(xù)運(yùn)行幾百公里，相應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)將達(dá)到上百兆字節(jié)。32MB、64MB的閃存已經(jīng)不能滿足需求。因此選用了Samsung公司開發(fā)的K9F2G08U0M，其單片容量高達(dá)264MB，可滿足工程需求。
本文將介紹該存儲器的主要性能及其在管道通徑儀中的應(yīng)用。
1 K9F2G08U0M存儲器簡介
從接口角度看，雖然K9F2G08U0M的容量和尋址范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常見單片機(jī)的容量和尋址范圍，但由于芯片上的寫控制器能自動控制所有編程和擦除功能，提供必要的重復(fù)脈沖、內(nèi)部確認(rèn)和數(shù)據(jù)空間，而且只通過I/O接口接收單片機(jī)的命令和數(shù)據(jù)而不需要地址線，因此實(shí)際操作起來非常方便。另外芯片是通過“與非”單元結(jié)構(gòu)增大容量，所以沒有因此而削弱自身性能；芯片具有獨(dú)立的1頁大小的數(shù)據(jù)存儲器和緩存存儲器，因此可以在0.2ms內(nèi)完成2112B的頁編程操作，在 2ms內(nèi)完成128KB的塊擦除操作，同時數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)能以30ns/B的速度讀出。
整個存儲區(qū)被分為2 048個相互獨(dú)立的塊，可從邏輯上和物理上對塊的組織結(jié)構(gòu)分類。
圖1為塊的邏輯結(jié)構(gòu)，每個塊分為64頁，每頁為2 112B(2 048B+額外存儲區(qū)的64B)。芯片通過頁地址和頁內(nèi)字節(jié)地址訪問每一個字節(jié)。通常頁地址稱為行地址，而頁內(nèi)字節(jié)地址稱為列地址，即264MB=2048塊×64頁/塊×2112字節(jié)/頁=217行×2112列。因此，行地址需要3個字節(jié)，列地址2個字節(jié)，輸入順序如表1所示。

從物理結(jié)構(gòu)上看，該芯片為“與非”結(jié)構(gòu)存儲器，每個塊由兩個“與非”結(jié)構(gòu)串組成，每個“與非”結(jié)構(gòu)串包含 16 896個“與非”結(jié)構(gòu)，每個“與非”結(jié)構(gòu)由32個基本單元(每個基本單元為1位)組成，這32個基本單元分別位于不同的頁內(nèi)，由此得到每個塊的物理結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2 硬件連接設(shè)計(jì)
管道通徑儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。管道檢測時MCU采集參數(shù)并存儲在Flash中，檢測完畢后通過USB接口傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

如前所述，對K9F2G08U0M的操作可以通過只向I/O接口發(fā)送數(shù)據(jù)(包括命令碼、行列地址碼等)來實(shí)現(xiàn)，因此最直接的方式是使用單片機(jī)的一個端口作為與芯片的數(shù)據(jù)接口，并以單片機(jī)的GPIO引腳連接CE、ALE、CLE以及，編程時按照手冊中的時序圖控制這些引腳。但是由于每次操作這些引腳都需要大量的控制線電平轉(zhuǎn)換，使程序十分繁冗。
由于C8051F020提供了外部存儲器接口(EMIF)，而接口時序由EMIF硬件產(chǎn)生，使其對片外擴(kuò)展的器件操作像對內(nèi)存單元的尋址一樣簡便快捷。下面采用這種硬件連接方式，對K9F2G08U0M的主要操作進(jìn)行介紹。電路如圖4所示，C8051F020只畫出了EMIF接口部分，選用非復(fù)用方式，以 IO7~0作為數(shù)據(jù)線，CE、ALE、CLE作為地址線。由于通徑儀中需要隨時寫入數(shù)據(jù)，因此寫保護(hù)端接高電平。
采用外部存儲器接口對器件編程時，最重要的是保證總線時序與器件時序一致。C8051F020的EMIF接口時序能夠以系統(tǒng)時鐘周期為單位編程，因此允許連接具有不同建立時間和保持時間要求以及不同/WR、/RD選通脈沖寬度的器件。

單片機(jī)EMIF在非復(fù)用方式，一次片外XRAM 操作的最小執(zhí)行時間為5 個SysClk 周期（用于或 脈沖的1 個SysClk+4個額外SysClk）。若單片機(jī)系統(tǒng)采用20MHz晶振，一次MOVX操作的最小執(zhí)行時間為250ns，而K9F2G08U0M交流參數(shù)中最小建立保持時間的上界為100ns，則即使采用EMI0TC最小的時序參數(shù)也不需要在程序中額外加入延時指令。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C語言編程，提高了開發(fā)速度并降低了維護(hù)難度。下面分別介紹存儲器的主要操作。
3.1 按頁讀
K9F2G08U0M中有一個2112B即1頁大小的數(shù)據(jù)寄存器，這就決定了存儲器的讀操作是以1頁為基本單元進(jìn)行的。如圖5所示，寫入30H后，行地址所指定的頁中的數(shù)據(jù)將在25?滋s內(nèi)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器中，然后在脈沖的作用下，不但可以從指定的列地址開始連續(xù)讀到該頁末尾，也可以按照流程圖中的虛線部分輸入隨機(jī)讀指令碼，任意讀取該頁中的內(nèi)容，并且不受次數(shù)限制。

下面是按頁讀操作函數(shù)的C語言代碼。
sbit RdyorBsy=P0^0；
unsigned char xdata * data pK9F；
void PageRead(unsigned int ColAdd，unsigned long
RowAdd，unsigned int len)
{
unsigned int i=0；
unsigned char ColTemp，RowTemp；
ColTemp=(unsigned char)(ColAdd>>8)；
RowTemp=(unsigned char)(RowAdd>>16)；
ColTemp =0x0F；
RowTemp =0x01；

pK9F=0x8002；
* pK9F=0x00；
pK9F=0x8001；
* pK9F=(unsigned char)(ColAdd)；
* pK9F=ColTemp；
* pK9F=(unsigned char)(RowAdd)；
* pK9F=(unsigned char)(RowAdd>>8)；
* pK9F=RowTemp；
pK9F=0x8002；
* pK9F=0x30；

while(RdyorBsy)；
while(!RdyorBsy)；
pK9F=0x8000；
for(i=0；i
OutputData[i]= * pK9F；
}
3.2 頁編程
向器件寫入數(shù)據(jù)時先將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器中，器件寫入操作是基于頁進(jìn)行的，同時允許在一個頁編程周期內(nèi)對一頁內(nèi)的連續(xù)部分編程。若不進(jìn)行擦除，則對同一頁的連續(xù)部分編程不能超過4次。
器件支持在1頁范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入，由隨機(jī)輸入命令碼85H啟動，如圖6中虛線框內(nèi)部分所示，在1頁范圍內(nèi)可以啟動任意多次隨機(jī)輸入操作。數(shù)據(jù)輸入完畢后，寫入頁編程確認(rèn)命令10H，將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入存儲區(qū)。寫入完成后，需要讀狀態(tài)寄存器(通過寫入70H實(shí)現(xiàn))判斷操作是否成功。若未能成功寫入，應(yīng)將當(dāng)前塊聲明為壞塊，并進(jìn)行塊數(shù)據(jù)替換操作，以保證整個系統(tǒng)的可靠性。
此外應(yīng)注意，同一塊內(nèi)頁編程時必須從地址最低的頁開始向高地址的頁依次編程，頁地址隨機(jī)的頁編程是被禁止的。
下面是頁編程子函數(shù)的C語言代碼。

unsigned char PageWrite(unsigned int ColAdd，unsigned long
RowAdd)
{
unsigned int data i=0；
unsigned char data Status=0；
unsigned char data ColTemp，RowTemp；

ColTemp=(unsigned char)(ColAdd>>8)；
RowTemp=(unsigned char)(RowAdd>>16)；
ColTemp =0x0F；
RowTemp =0x01；

pK9F=0x8002；
* pK9F=0x80；
pK9F=0x8001；
* pK9F=(unsigned char)(ColAdd)；
* pK9F=ColTemp；
* pK9F=(unsigned char)(RowAdd)；
* pK9F=(unsigned char)(RowAdd>>8)；
* pK9F=RowTemp；
pK9F=0x8000；
for(i=0；i2112；i++)
* pK9F=InputData[i]；
pK9F=0x8002；
* pK9F=0x10；

while(RdyorBsy)；
while(!RdyorBsy)；

pK9F=0x8002；
* pK9F=0x70；
pK9F=0x8000；
Status=* pK9F；
Status =0x01；
return (Status)；
}
3.3 塊擦除
擦除操作以塊為單位進(jìn)行，由于器件分為2 048塊，因此輸入的地址碼中只有A18~A2的11位有效，其余位將被忽略。通過輸入確認(rèn)命令碼來啟動擦除以防止誤操作。塊擦除流程如圖7所示。同頁編程操作類似，擦除完畢后也應(yīng)該讀狀態(tài)寄存器并處理返回結(jié)果。

3.4 頁復(fù)制
頁復(fù)制操作用來快速有效地實(shí)現(xiàn)頁間數(shù)據(jù)移動，這是由于省去了比較費(fèi)時的與片外設(shè)備之間的讀寫操作。這一特性的優(yōu)勢在塊替換操作用于頁間數(shù)據(jù)復(fù)制時體現(xiàn)尤為明顯。其實(shí)該操作是按頁讀與頁編程操作的復(fù)合，頁復(fù)制讀命令35H將頁中數(shù)據(jù)移至數(shù)據(jù)寄存器中，而頁復(fù)制寫命令85H將數(shù)據(jù)復(fù)制到目標(biāo)頁中。頁復(fù)制流程圖如圖8所示。

該操作也可以將原始頁中的數(shù)據(jù)修改后寫入目標(biāo)頁，如流程圖8中虛線框內(nèi)部分。
需要注意的是，頁復(fù)制操作只能在奇數(shù)頁之間或偶數(shù)頁之間進(jìn)行，奇偶頁之間的數(shù)據(jù)移動將被禁止。
3.5 緩存區(qū)編程
芯片中除1頁大小的數(shù)據(jù)寄存器外，還有一個1頁大小的緩沖寄存器。該緩沖寄存器可以在數(shù)據(jù)寄存器參與頁編程的同時接收外部數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)寄存器空閑時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移其中，然后繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。因此，采用緩存區(qū)編程操作在連續(xù)寫入多頁數(shù)據(jù)時將會大大提高效率。
緩存區(qū)編程流程如圖9所示。當(dāng)?shù)谝唤M數(shù)據(jù)寫入緩沖寄存器時，寫入緩存命令15H，將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)寄存器并啟動頁編程，然后使緩沖寄存器空閑，準(zhǔn)備接收下一組數(shù)據(jù)。在這個過程中芯片將處于忙狀態(tài)，若內(nèi)部編程操作未完成，忙狀態(tài)持續(xù)的時間將被延長。

需要注意的是，該操作只能在同一塊內(nèi)進(jìn)行，因此在多塊數(shù)據(jù)寫入時需要注意每塊的最后一頁。若系統(tǒng)僅僅通過芯片的Ready/Busy引腳監(jiān)測編程進(jìn)度，則最后一頁的寫入操作應(yīng)該由頁編程命令10H啟動。另外也可以通過讀狀態(tài)寄存器中的I/O 5位來判斷。
K9F2G08U0M 是一種新型的超大容量Flash存儲器，以其非易失、功耗低、操作簡單而在單片嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本文在管道通徑儀的開發(fā)過程中，根據(jù)對外部存儲器接口的深入理解，將存儲器芯片的兩個控制線ALE和CLE用作地址線，使得對存儲器的操作更簡捷高效。文中的程序已經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，限于篇幅，只給出按頁讀和頁編程部分的代碼。