大容量NOR Flash與8位單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

引 言

Flash存儲(chǔ)器又稱閃速存儲(chǔ)器，是20世紀(jì)80年代末逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體不揮發(fā)存儲(chǔ)器。它兼有RAM和ROM的特點(diǎn)，既可以在線擦除、改寫(xiě)，又能夠在掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。NOR Flash是Flash存儲(chǔ)器中最早出現(xiàn)的一個(gè)品種，與其他種類(lèi)的Flash存儲(chǔ)器相比具有以下優(yōu)勢(shì)：可靠性高、隨機(jī)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(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)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(jī)為例，針對(duì)大容量NORFlash在8位低檔單片機(jī)中應(yīng)用的特殊性，詳細(xì)介紹了其接口硬件和接口軟件的設(shè)計(jì)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(shù)的NOR Flash存儲(chǔ)器，屬于SST公司并行閃速存儲(chǔ)器系列；適用于需要程序在線寫(xiě)入或大容量、非易失性數(shù)據(jù)重復(fù)存儲(chǔ)的場(chǎng)合。

1.1 芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)和外部引腳

圖1是SST39SF040的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖，由Super-Flash存儲(chǔ)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(shù)據(jù)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(hào)，OE可作為讀信號(hào)，WE為寫(xiě)信號(hào)，DQ7～DQ0為數(shù)據(jù)線。

1.2 芯片的主要特性

① 容量為512 KB，按512K×8位結(jié)構(gòu)組織。

② 采用單一的5 V電源供電，編程電源VPP在芯片內(nèi)部產(chǎn)生。

③ 芯片可反復(fù)擦寫(xiě)100 000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為100年。

④ 工作電流典型值為10 mA，待機(jī)電流典型值為30μA。

⑤ 扇區(qū)結(jié)構(gòu)：扇區(qū)大小統(tǒng)一為4 KB。

⑥ 讀取、擦除和字節(jié)編程時(shí)間的典型值：數(shù)據(jù)讀取時(shí)間為45～70 ns；扇區(qū)擦除時(shí)間為18 ms，整片擦除時(shí)間為70 ms；字節(jié)編程時(shí)間為14μs。

⑦ 有記錄內(nèi)部擦除操作和編程寫(xiě)入操作完成與否的狀態(tài)標(biāo)志位。

⑧ 具有硬、軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

⑨ 具有地址和數(shù)據(jù)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(lèi)：普通讀操作和命令操作。

普通讀操作非常簡(jiǎn)單，與RAM的讀操作類(lèi)似，當(dāng)OE和CE信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)，即可從芯片讀出數(shù)據(jù)。

芯片的命令操作包括芯片的識(shí)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(lái)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(shù)據(jù)，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(shè)置為“0”或“1”。

SST39SF040的軟件操作命令序列實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)總線寫(xiě)操作組成的。以SST39SF040的扇區(qū)擦除為例，其操作過(guò)程包括3個(gè)步驟：第1步，開(kāi)啟擦除方式，用表1中給出的第1至第5周期的總線寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)；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(duì)應(yīng)的第6周期的總線寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)；第3步，進(jìn)行內(nèi)部擦除。內(nèi)部擦除時(shí)間最長(zhǎng)為25 ms。

總線寫(xiě)操作時(shí)，OE必須保持為高電平，CE和WE應(yīng)為低電平。地址和數(shù)據(jù)的鎖存由CE和WE兩個(gè)信號(hào)的邊沿進(jìn)行控制。它們當(dāng)中后出現(xiàn)的下降沿將鎖存地址，先出現(xiàn)的上升沿將鎖存數(shù)據(jù)。

1.3.2 字節(jié)編程和擦除操作的狀態(tài)檢測(cè)

芯片在進(jìn)行內(nèi)部字節(jié)編程或擦除操作時(shí)都需要花費(fèi)一定的時(shí)間，雖然可以采用固定的延時(shí)來(lái)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(shí)間，以及時(shí)判斷內(nèi)部操作的完成與否，SST39SF040提供了兩個(gè)用于檢測(cè)的狀態(tài)位，即跳變位DQ6和數(shù)據(jù)查詢位DQ7。在芯片進(jìn)行內(nèi)部操作時(shí)，只要根據(jù)圖3的流程對(duì)DQ6或者DQ7進(jìn)行查詢就能及時(shí)作出判斷。

2 SST39SF040與MCS-51的接口設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)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(jù)SST39SF040和MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，我們發(fā)現(xiàn)SST39SF040的數(shù)據(jù)線和讀、寫(xiě)信號(hào)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(wèn)題是SST39SF040地址線的連接。由于其容量已經(jīng)超出了MCS-51的尋址范圍，19根地址線無(wú)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(jìn)行進(jìn)一步的存儲(chǔ)器擴(kuò)展。存儲(chǔ)器擴(kuò)展通常可利用單片機(jī)空閑的I／O口線作為頁(yè)面地址輸出引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是許多應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)的I／O口線都是非常緊張的，在沒(méi)有多余的I／O口線時(shí)，頁(yè)面地址就必須提前從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線上，為其安排一個(gè)I／O地址，從而構(gòu)成頁(yè)面寄存器，在訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，提前將頁(yè)面地址作為數(shù)據(jù)寫(xiě)入頁(yè)面寄存器即可。

根據(jù)以上分析可設(shè)計(jì)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(chǔ)器分為32頁(yè)面，每頁(yè)大小為16 KB。由此可得，頁(yè)面地址需要5位，頁(yè)內(nèi)偏移量需要14位。頁(yè)面地址的給出是在進(jìn)行存儲(chǔ)器訪問(wèn)之前完成的，具體的方法是：用一條“MOVX’命令將頁(yè)面地址輸出到鎖存器74LS374中，再由74LS374將頁(yè)面地址保持在存儲(chǔ)器的地址引腳A14～A18上。頁(yè)內(nèi)偏移量則直接在存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)命令中給出，執(zhí)行命令時(shí)，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(jī)的P2.0～P2.5直接提供。以上分時(shí)輸出的地址信號(hào)A0～A18將在讀／寫(xiě)控制信號(hào)開(kāi)始作用后，同時(shí)有效，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SST39SF040的512KB全地址空間的訪問(wèn)。P2.6和P2.7分別用作SKT39SF040和鎖存器74LS374的片選信號(hào)，SST39SF040的片選信號(hào)地址范圍是8000H～BFFFH，74LS374的片選信號(hào)地址范圍是4000H～7FFFH。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)就是編寫(xiě)對(duì)SST39SF040的操作程序，包括字節(jié)讀出、扇區(qū)或整片擦除以及字節(jié)編程等。下面給出第1個(gè)扇區(qū)的擦除程序，其中DELAY25為25 ms延時(shí)子程序，其他操作程序可參照編寫(xiě)。

程序編寫(xiě)過(guò)程中的難點(diǎn)是，如何將SST39SF040中待訪問(wèn)的單元地址進(jìn)行分解并對(duì)應(yīng)到讀寫(xiě)命令中去。以扇區(qū)擦除操作的第1個(gè)命令為例，該命令的功能是將數(shù)據(jù)AAH寫(xiě)入地址5555H中。對(duì)于地址5555H，其最高5位A18～A14是01H，低14位A13～A0為1555H。最高5位地址決定的頁(yè)面號(hào)必須先作為數(shù)據(jù)寫(xiě)入鎖存器74LS374中，再將數(shù)據(jù)AAH寫(xiě)入該頁(yè)中由低14位地址決定的單元。寫(xiě)入頁(yè)面號(hào)時(shí)，指令中的地址可在4000H～7FFFH范圍內(nèi)任選一個(gè)，即選中鎖存器74LS374；寫(xiě)人數(shù)據(jù)AAH時(shí)，指令中的地址可由低14位地址1555H加上8000H得到，其值為9555H。

第1扇區(qū)擦除程序代碼如下：

結(jié) 語(yǔ)

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)大容量NOR Flash存儲(chǔ)器與8位單片機(jī)的接口技術(shù)進(jìn)行了分析、探討，給出了具體的設(shè)計(jì)方案。其思想和方法對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值，筆者已將它應(yīng)用到一款考勤機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)當(dāng)中。