大容量閃存芯片與DSP接口設(shè)計

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

在本文的設(shè)計中采用的是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256MB，屬于NAND FLASH結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)存儲器結(jié)構(gòu)及引腳信號定義方式難以解決存儲容量增加的矛盾，即存儲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線, 命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8 條I/O 線傳輸，因此, NAND FLASH存儲器不會因為存儲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)計和產(chǎn)品升級，升級到更大容量而無需更改外部連接。因此,本文討論的NAND FLASH存儲器在單片機應(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值。

1 K9K2G08U0M 簡介

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 的存儲結(jié)構(gòu)以頁面為單位,能使芯片的讀取速度更快。由2048個大小相同的存儲塊組成，每個塊由64頁組成，每頁2K字節(jié)和64個空閑字節(jié)；

1.2 K9K2G08U0M的引腳說明

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

CLE: 命令鎖存使能。為高電平時，命令通過I/O 口線在WE 信號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,地址鎖存。

CE: 片選端, 用于控制芯片的選擇。當芯片忙時, CE 為高電平而被忽略, 此時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, 并且它還可以對內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進行累加。

WE: 寫使能端,通過該端口可以在WE 脈沖的上升沿將指令、地址和數(shù)據(jù)進行鎖存。

WP: 寫保護端,在電源電壓變化期間，在WP 為低電平時，可產(chǎn)生寫/ 擦除保護。

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,表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進行。操作完成后, R/ B 會自動返回高電平。

2 DSP與FLASH的硬件接口

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

圖2 DSP與閃存接口

TMS320F2812的外部存儲器接口包括：19位地址線，16位數(shù)據(jù)線，3個片選控制線及讀寫控制線。這3個片選線映射到5個存儲區(qū)域，Zone0，Zone1，Zone2，Zone6和Zone7，其中Zone2的片選線是CS2，存儲區(qū)域是：0x080000-0x0FFFFF，512K*16位。當對存儲區(qū)域Zone2訪問時，Zone2的片選線CS2低有效。

K9K2G08U0M 沒有地址線，命令、地址和數(shù)據(jù)信息均是通過閃存的I/O0-I/O7傳輸，另外，雖然K9K2G08U0M的容量達到了256MB，遠遠大于了TMS320F2812的存儲區(qū)域Zone2的容量1MB，但由于訪問flash的地址是通過I/ O 口輸入，不需要通過地址線尋址，因此無需考慮采用頁面技術(shù)解決邏輯存儲空間與物理空間的映射問題，大大簡化了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,因此跟DSP的連接也相對簡單。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)測存儲器的工作狀態(tài)，當R/ B 處于低電平時,表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進行；操作完成后, R/ B 會自動返回高電平。DSP的W E 、R D 分別接FLASH的W E 、R E ， 控制讀、寫操作。CS2接閃存的片選線CE。

3 對FLASH操作的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的DSP 編程采用了C 語言，首先定義了三個變量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對FLASH讀寫數(shù)據(jù)，地址和命令。

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

因為K9K2G08U0M 的ALE、CLE分別由DSP 的A1 和A0 控制，所以當向命令寄存器FLASH_C寫數(shù)據(jù)的時候，訪問的是DSP的存儲區(qū)域Zone2， 此時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，此時寫到FLASH_C的數(shù)據(jù)（FLASH命令）通過I/O寫到閃存。同理，向FLASH_A和FLASH_D寫可分別實現(xiàn)向FLASH寫地址和數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計時，通過簡單的寫三個存儲器即可分別實現(xiàn)命令，地址和數(shù)據(jù)鎖存，符合操作時序。

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

圖 4 頁編程流程

下面僅以頁編程為例簡要介紹對FLASH的操作過程，頁編程時序如圖3，圖4為其流程框圖，函數(shù)為void page _ program（）；

頁編程時,首先寫頁編程命令80H，可將數(shù)據(jù)寫入到FLASH緩沖區(qū), 然后順序輸入待編程存儲器的地址共5字節(jié)，2字節(jié)Column Address 和3字節(jié)Row Address,以及待寫入的數(shù)據(jù)。頁編程命令10H用于實現(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,以判斷寫操作是否成功。寫命令時,CLE 要有效;寫入地址時,ALE 要有效;寫入數(shù)據(jù)時,CLE、ALE都必須無效。I/ O0～I/ 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表示頁編程成功，否則頁編程錯誤。

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

本文詳細介紹了閃存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)點使得硬件接口設(shè)計和軟件編程比較簡單，升級也比較容易。NAND FLASH 具有非易失性、大容量、低成本等優(yōu)點,在數(shù)碼相機，MP3等數(shù)碼電子產(chǎn)品和智能儀器得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文作者創(chuàng)新點：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對FLASH讀寫數(shù)據(jù)，地址和命令，這相當于間接對CLE和ALE進行操作，簡化了軟件編程設(shè)計。

參考文獻

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[3] 谷葆春 K9F56XXXOB系列FlashMemory的存儲組織與操作實現(xiàn).微計算機信息.2004年4期 115―117頁