十年單片機開發(fā)方案公司深圳英銳恩分享串行DataFlash存儲器及其與單片機的接口。

1 概述 

Flash存儲器按其接口可分為串行和并行兩大類。串行Flash存儲器大多采用I2C接口或SPI接口進行讀寫；與并行Flash存儲器相比，所需引腳少、體積小、易于擴展、與單片機或控制器連接簡單、工作可靠，所以串行Flash存儲器越來越多地用在各類電子產(chǎn)品和工業(yè)測控系統(tǒng)中。

DataFlash是美國ATMEL公司新推出的大容量串行Flash存儲器產(chǎn)品，采用NOR技術(shù)制造，可用于存儲數(shù)據(jù)或程序代碼，其產(chǎn)品型號為AT45DBxxxx。此系列存儲器容量較大，從1Mb～256Mb；封裝尺寸小，最小封裝型式（CBGA）尺寸為6mm×8mm；采用SPI接口進行讀寫，硬件連線少；內(nèi)部頁面尺寸較小，8Mb容量的頁面尺寸為264字節(jié)，16Mb和32MB容量的頁面尺寸為512字節(jié)，64Mb容量的頁面尺寸為1056字節(jié)，128Mb容量和256Mb容量的頁面尺寸為2112字節(jié)。另外，AT45DBxxxx系列存儲器內(nèi)部集成了兩個與主存頁面相同大小的SRAM緩存，極大地提高了整個系統(tǒng)的靈活性，簡化了數(shù)據(jù)的讀寫過程。此外，AT45DBxxxx系列存儲器工作電壓較低，只需2.7～3.6V；整個芯片的功耗也較小，典型的讀取電流為4mA，待機電流僅為2μA。所有這些特點使得此系列存儲器非常適合于構(gòu)成微型、低功耗的測控系統(tǒng)。筆者就使用AT45DB161B存儲器和PIC16LC73B單片機及微型壓力傳感器構(gòu)成了用兩片紐扣電池驅(qū)動的微型壓力測量裝置，其外形尺寸僅為φ10mm×20mm。

2 芯片簡介

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。

表1 AT45DB161B引腳功能

2.2 芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

AT45DB161B的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為三個部分：存儲器頁陣列（主存）、緩存與I/O接口。AT45DB161B的存儲頁面大小為528字節(jié)，整個存儲器共分為4096頁，片內(nèi)集成了兩個528字節(jié)的SRAM緩存，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 存儲器讀寫接口

3.1 SPI接口及操作模式

AT45DB161B存儲器采用SPI接口進行讀寫。SPI接口是一種通用串行接口總線，字長為8位，用來與外部設(shè)備（例如EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器等）進行通信。SPI接口利用SCK、SI和SO三根線進行數(shù)據(jù)的讀/寫。其中，SCK為時鐘信號，SI和SO為數(shù)據(jù)輸入和輸出線。AT45DB161B的SCK引腳的時鐘信號必須由外部單片機或控制器輸入，讀/寫命令字由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)時的時鐘相位和極性，即決定了時鐘信號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信號的起始電平不同。

3.2 存儲器命令接口與狀態(tài)機

除了基本存儲單元外，DataFlash系列存儲器內(nèi)部還包括命令用戶接口CUI（Command User Interface）和狀態(tài)機。CUI接收用戶軟件的操作命令，將其翻譯成狀態(tài)機內(nèi)部操作碼并進行命令的有效性檢驗。狀態(tài)機控制存儲器所有的內(nèi)部操作，包含一個8位的狀態(tài)寄存器（status register），用來指示設(shè)備的操作狀態(tài)。向存儲器輸入讀狀態(tài)寄存器命令可將狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)從最高位開始依次讀出。狀態(tài)寄存器各位的意義如表2所列。

表2 狀態(tài)寄存器各位定義

3.3 存儲器操作命令及其模式

為了使存儲器進行所需的操作，例如讀、寫、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)地址碼用來尋址存儲器頁陣列或緩存。圖4為AT45DB161B的讀/寫命令格式。

4 存儲器與單片機接口實例

4.1 硬件電路

DataFlash系列存儲器幾乎可以和任何類型的單片機接口，無論單片機是否有SPI接口。當然，如果單片機有SPI接口，那么存儲器讀/寫程序就相對簡單些；如果單片機沒有SPI接口，則可以用軟件仿真SPI接口與存儲器通信。

圖5為微型壓力測量系統(tǒng)的一部分。存儲器采用AT45DB161B-TC，TSOD封裝；單片機為美國Microchip公司的PIC16LC73B-04/SS，SSOP封裝。單片機采用軟件仿真SPI接口的方式與存儲器通信，存儲器工作于SPI模式0。

4.2 AT45DB161B存儲器讀/寫子程序

DataFlash系列存儲器可以按地址從低到高順序讀寫，也可以隨機讀寫任一字節(jié)的數(shù)據(jù)。對于順序讀數(shù)據(jù)，可以使用連續(xù)讀主存頁陣列命令（操作碼68H或E8H）從給定的起始地址開始連續(xù)讀出，中間不需用戶干預(yù)，也可使用讀單頁主存命令（操作碼52H或D2H），自行提供頁地址讀取數(shù)據(jù)。對于順序?qū)憯?shù)據(jù)，可以使用通過緩存寫主存頁命令（操作碼82H或85H），直接將數(shù)據(jù)寫入主存；也可以先使用寫緩存命令（操作碼84H或87H)，將數(shù)據(jù)寫入緩存，在適當?shù)臅r刻再使用緩存寫主存頁命令（操作碼83H或86H），將緩存中的數(shù)據(jù)寫入主存，如圖6所示。使用何種方式讀寫取決于特定的應(yīng)用場合與要求。

下面的子程序為順序讀/寫存儲器的例子。子程序spiwt采用了通過緩存寫主存頁的方法，向存儲器寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)。順序讀存儲器子程序spicrd采用了邊疆

讀主存頁陣列命令。從給定地址處連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，用圖5所示的PIC16LC73B單片機匯編語言編寫，使用MPLAB5.4.00編譯器編譯通過并燒寫入單片機，按圖5所示系統(tǒng)實測通過。

；順序?qū)懽映绦颍胹piwt名稱調(diào)用

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)寫入操作

nop ；延時

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

bsf PORTB,SCK ;時鐘信號上升沿

nop ；延時

bcf PORTB,SCK ;時鐘信號下降沿

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