大容量串行Flash的快速编程 - 软件编程/OS - 电子工程师俱乐

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串行Flash存储器具有体积小、功耗低、管脚少、掉电不丢失数据等诸多优点，在IC卡和便携式智能检测仪表中广泛的应用。而在这类芯片中ATMEL公司生产的AT45D041存储容量较大(4Mb)，因而在某些要求大容量存储数据的场合具有重要的应用价值，主要用于存放一些保密性要求不高、数据量极大的数据，如声音、图像或采集数据等。他们大都是SPI接口，对他们的通讯，通常采用带SPI通讯协议的微处理器。但有些单片机没有SPI接口，如51系列的单片机，通常采用I／O端口模拟SPI接口，此方法对速度要求不高的场合还可以使用，但程序编制比较复杂。本文将介 绍一种通过51系列单片机的串行口与AT45d041芯片通讯的方法，此方法不仅编程简单，且运行速度高，是一种值得推荐的编程方法。
1 AT45D041的工作原理

AT45D041是具有4 325 376位的大容量存储器，他们被分成2 048页(对应地址为PAl0一PA0)，每页264B(对应地址BA8～BA0)。这些存储器被称之为主存储器，此外AT45D041还有2个264 B的缓冲区Bufferl和Buffer2，当主存储器的某页正在被使用时，这2个缓冲区允许接收数据。当片选CS有效时，数据的传输在时钟信号SCK的同步下，通过SI(输入)和SO (输出) 进行。其原理框图如图1所示。


表1为包含AT45D041芯片IC卡管理定义。


AT45D041的最大工作频率可达10MHz，工作电压为5 V±10％，工作最大电流读为25 mA，写为50 mA，数据保持可达100年，工作温度为0～70℃，根据要求可超过指定工作温度，通讯协议为SPI串行接口方式0和方式3。

2 AT45D041与AT89C55的接口

由于AT45D041只有一个管脚进行命令、数据的输入和数据的输出，其命令和数据都是串行输入的，工作时序图如图2所示。

从图2可以看出，输入数据时，SCK的上升沿前后一段时间分别为建立时间tsu (>10 ns)和保持时间tH (>25 ns)，输入接口应在SCK上升前tsu时段内将数据准备好，并在其后的tH时段内保持该数据。输出数据时，SO仅在SCK下降沿rv (<80 ns)时间后有信号输出，并在下一个时钟下降沿到来时消失(tHo＝0)，接口电路应在有效输出时间内读取数据。


51系列的单片机都具有至少一个全双工串行接口，他支持4种工作方式，这里采用方式0，作为移位寄存器输入输出。其工作时序图如图3所示。


串行口以振荡频率的1／12波特率接收和发送数据，RXD为串行数据输入输出端，TXD为同步移位信号输出端。

本系统采用AT89C55单片机芯片实现与AT45B041的接口，负责传感器信号的采集、存储与读取及显示，其硬件接口电路图如图4所示。


图4中P1.0接IC卡的CS信号，P1.1接R／B信号，P1.2接RST信号，IC卡的SCK接单片机的TxD，SI和SO接在一起与单片机的RxD相连。P0口接AD(模数转换)芯片和LCD(液晶显示屏)，P2口接键盘。

工作原理是，AD采样数据一方面通过单片机直接存入IC卡，另一方面通过计算显示在液晶屏上。系统的采样速度要求达到1kHz，这对于12MHz主频的AT89C55单片机速度要求很高，这就要求花在存储方面的时间尽量少。因系统不需要与外界通信，单片机的串口闲置，这样，可以考虑利用单片机的串口，来提高存储速度。由于AT45D041只支持SPI通讯的模式0和3，而AT89C55单片机支持移位寄存器输入／输出工作方式。这样可以把AT45D041当作移位寄存器来操作。但51系列单片机的串口都是先输出低位，后输出高位。这与AT45D041的定义正好相反。为此在通过UART输出数据之前必须将其进行转换。当然，通过查表可以解决这一难点。

3 单片机编程

下面以一个检测IC卡状态的C语言程序来说明对这种存储器的编程方法。(关于AT45D041存储器的操作时序及命令，参阅AT45D041的器件说明书。)

／／定义查表矩阵 unsigned char code concode[256]={ 0x00，0x80，0x40，0xc0，0x20，0xa0，0x60，0xe0，0x10， 0x90，0x50，0xd0，0x30,0xb0，0x70，0xf0， ... ... 0x0f，0x8f，0x4f，0xcf，0x2f，0xaf，0x6f，0xef，0xlf，0x9f，0x5f，0xdf，0x3f，Oxbf，0x7f，Oxff}； ／／检查IC的有效性函数bit testcard(void){ unsigned char tmp； cs45＝0； SCON=0； SBUF=concode[0x57]； ／／读状态寄存器命令为0x57 while(!TI)； SCON=0x10； while(!RI)； tmp=concode[SBUF]； ／／tmp内为状态寄存器值 cs45=1 if((tmp&0x38)==0x18) return (0); ／／是AT45d041卡，返回0 return(1); ／／不是AT45d041卡，返回1 }

AT45D041芯片的状态寄存器结构如下：


位7为0表示忙；为1表示闲，可以接收下一条指令。 位6为0表示主存储区数据与缓存区比较匹配，否则为不匹配。 位5、位4、位3对于AT45D041为"011”(二进制)。

4 总体性能评价

在此系统中，单片机需采样8路12位信号，并把他们保存在数据IC卡中。只需带回IC卡，通过IC卡读写器把数据读入计算机，便可以进行数据的离线处理、分析。可以看出，仅采用几个廉价芯片，便组成一个性能可观的数据采集系统。

从以上程序可以看出，数据传送的速率基本上与单片机的机器周期相同。而通过以前的I／O端口模拟SPI端口的操作中，数据传送的速率最大不到机器周期的1／3。另外，在串口传送数据的过程中，CPU还可以同时进行其他的指令。总体性能要比采用I／O端口模拟SPI端口的操作快上4倍以上。

在以上的快速数据采集系统中，花在存储方面的时间相对很少，这样，一方面数据采集的速率可以提高；另一方面单片机有充足的时间计算、分析数据，处理LCD显示，键盘中断等。减少存储所花的时间，对整体性能的提高有着显著的意义。

当然，采用以上方式操作SPI口，需要对所操作的芯片的操作时序比较了解，如果操作失误，可能产生线路冲突(单片机和SPI口同时输出)。这样虽然对器件没有多大的损害，因为芯片端口都有保护电路。当然最好是采用带有SPI端口操作的单片机，这里是对某些情况下不得已采用的方法，也有一定的实用价值。