NOR Flash与8位单片机接口设计

2017-09-14 09:25:03来源: ofweek 关键字:NOR  Flash  8位单片机  接口设计

  引 言

  Flash存储器又称闪速存储器,是20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不挥发存储器。它兼有RAM和ROM的特点,既可以在线擦除、改写,又能够在掉电后保持数据不丢失。

  NOR Flash是Flash存储器中最早出现的一个品种,与其他种类的Flash存储器相比具有以下优势:可靠性高、随机读取速度快,可以单字节或单字编程,允许CPU直接从芯片中读取代码执行等。因此NOR Flash存储器在嵌入式系统应用开发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单片机为例,针对大容量NORFlash在8位低档单片机中应用的特殊性,详细介绍了其接口硬件和接口软件的设计方法。

  1 SST39SF040芯片介绍

  SST39SF040是SST公司最近推出的一种基于SuperFlash技术的NORFlash存储器,属于SST公司并行闪速存储器系列;适用于需要程序在线写入或大容量、非易失性数据重复存储的场合。

  1.1 芯片内部功能结构和外部引脚

  图1是SST39SF040的内部功能结构框图,由Super-Flash存储单元、行译码器、列译码器、地址缓冲与锁存器、输入/输出缓冲和数据锁存器以及控制逻辑电路等部分组成。图2是其外部引脚分布图,其中A18~A0为地址线,CE为芯片选通信号,OE可作为读信号,WE为写信号,DQ7~DQ0为数据线。

  1.2 芯片的主要特性

  ① 容量为512KB,按512K×8位结构组织。

  ② 采用单一的5V电源供电,编程电源VPP在芯片内部产生。

  ③ 芯片可反复擦写100000次,数据保存时间为100年。

  ④ 工作电流典型值为10mA,待机电流典型值为30μA。

  ⑤ 扇区结构:扇区大小统一为4KB。

  ⑥ 读取、擦除和字节编程时间的典型值:数据读取时间为45~70 ns;扇区擦除时间为18ms,整片擦除时间为70ms;字节编程时间为14μs。

  ⑦ 有记录内部擦除操作和编程写入操作完成与否的状态标志位。

  ⑧ 具有硬、软件数据保护功能。

  ⑨ 具有地址和数据锁存功能。

  1.3 芯片的操作

  1.3.1 芯片的软件操作命令序列

  SST39SF040的软件操作可以分成两类:普通读操作和命令操作。

  普通读操作非常简单,与RAM的读操作类似,当OE和CE信号同时为低电平时,即可从芯片读出数据。

  芯片的命令操作包括芯片的识别、字节编程、扇区擦除以及整片擦除等。这些操作分别由各自的软件操作命令序列来完成,如表1所列。其中,BA为待编程字节的地址,Data为字节编程数据,SAX为待擦除扇区的地址。命令中的地址只有低15位有效,高4位可任意设置为“0”或“1”。

  SST39SF040的软件操作命令序列实际上是由一个或多个总线写操作组成的。以SST39SF040的扇区擦除为例,其操作过程包括3个步骤:第1步,开启擦除方式,用表1中给出的第1至第5周期的总线写操作来实现;第2步,装载扇区擦除命令(30H)和待擦除扇区的地址,用其对应的第6周期的总线写操作来实现;第3步,进行内部擦除。内部擦除时间最长为25ms。

  总线写操作时,OE必须保持为高电平,CE和WE应为低电平。地址和数据的锁存由CE和WE两个信号的边沿进行控制。它们当中后出现的下降沿将锁存地址,先出现的上升沿将锁存数据。

  1.3.2 字节编程和擦除操作的状态检测

  芯片在进行内部字节编程或擦除操作时都需要花费一定的时间,虽然可以采用固定的延时来等待这些操作的完成,但为了优化系统的字节编程和擦除操作时间,以及时判断内部操作的完成与否,SST39SF040提供了两个用于检测的状态位,即跳变位DQ6和数据查询位DQ7。在芯片进行内部操作时,只要根据图3的流程对DQ6或者DQ7进行查询就能及时作出判断。

  2 SST39SF040与MCS-51的接口设计

  2.1 硬件设计

  硬件设计就是搭建合适的接口电路,将SST39SF040连接到MCS-51的系统总线上。根据SST39SF040和MCS-51系列单片机的结构特性,我们发现SST39SF040的数据线和读、写信号线可以很容易地连接到MCS-51的系统总线上,所以要考虑的主要问题是SST39SF040地址线的连接。由于其容量已经超出了MCS-51的寻址范围,19根地址线无法全部连接到MCS-51的地址总线上,因此必须在该系统中进行进一步的存储器扩展。存储器扩展通常可利用单片机空闲的I/O口线作为页面地址输出引脚来实现。但是许多应用系统当中,单片机的I/O口线都是非常紧张的,在没有多余的I/O口线时,页面地址就必须提前从数据总线输出并存放在锁存器中备用。具体做法是:将锁存器直接挂在数据总线上,为其安排一个I/O地址,从而构成页面寄存器,在访问存储器时,提前将页面地址作为数据写入页面寄存器即可。

  根据以上分析可设计出SST39SF040与MCS-51之间的接口电路,如图4所示。本系统中,将512 KB的存储器分为32页面,每页大小为16 KB。由此可得,页面地址需要5位,页内偏移量需要14位。页面地址的给出是在进行存储器访问之前完成的,具体的方法是:用一条“MOVX”’命令将页面地址输出到锁存器74LS374中,再由74LS374将页面地址保持在存储器的地址引脚A14~A18上。页内偏移量则直接在存储器的读写命令中给出,执行命令时,低8位地址A0~A7从P0口输出到74LS373中保持;地址A8~A13则由单片机的P2.0~P2.5直接提供。以上分时输出的地址信号A0~A18将在读/写控制信号开始作用后,同时有效,以实现对SST39SF040的512KB全地址空间的访问。P2.6和P2.7分别用作SKT39SF040和锁存器74LS374的片选信号,SST39SF040的片选信号地址范围是8000H~BFFFH,74LS374的片选信号地址范围是4000H~7FFFH。

  2.2 软件设计

  软件设计就是编写对SST39SF040的操作程序,包括字节读出、扇区或整片擦除以及字节编程等。下面给出第1个扇区的擦除程序,其中DELAY25为25ms延时子程序,其他操作程序可参照编写。

  程序编写过程中的难点是,如何将SST39SF040中待访问的单元地址进行分解并对应到读写命令中去。以扇区擦除操作的第1个命令为例,该命令的功能是将数据AAH写入地址5555H中。对于地址5555H,其最高5位A18~A14是01H,低14位A13~A0为1555H。最高5位地址决定的页面号必须先作为数据写入锁存器74LS374中,再将数据AAH写入该页中由低14位地址决定的单元。写入页面号时,指令中的地址可在4000H~7FFFH范围内任选一个,即选中锁存器74LS374;写人数据AAH时,指令中的地址可由低14位地址1555H加上8000H得到,其值为9555H。

  结 语

  本文从硬件和软件两个方面对大容量NORFlash存储器与8位单片机的接口技术进行了分析、探讨,给出了具体的设计方案。其思想和方法对嵌入式系统的应用设计具有较高的参考价值,笔者已将它应用到一款考勤机产品的设计开发当中。


关键字:NOR  Flash  8位单片机  接口设计

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2017091434423.html
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北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

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