PIC单片机与串行闪存的SPI接口设计

       引  言

      PIC单片机以性能稳定、品种众多等特点在工业控制、仪器仪表、家电、通信等领域得到广泛应用。虽然很多型号自身集成了存储器，但在很多情况下难以满足系统对大容量存储的要求，需要外扩非易失性的存储器。与并行Flash存储器相比，串行Flash存储器占用MCU引脚少，体积小，易于扩展，接线简单，工作可靠，故而越来越多地应用在各类电子产品和工业测控系统中。本文主要讨论PIC16F877A单片机与串行闪存M25P16之间的SPI通信，在要求大容量数据存储且MCU引脚资源有限的情况下具有实用价值。

      1  SPI工作原理

      SPI(Serial Peripheral Interface)是一种常用的串行通信协议，用于MCU系统与外围设备的通信，可用来连接存储器、A／D转换器、D／A转换器、实时时钟、LCD驱动器、传感器，甚至其他处理器。SPI主要使用4个信号：MOSI(主机输出／从机输人)、MISO(主机输入／从机输出)、SCK(串行时钟)和CS(片选)。其中，SCK由主机产生，作为传输的同步时钟，控制所有数据传输。主机通过触发从设备的CS决定二者之间的SPI传输是否能够进行。主机和外设都包含1个串行移位寄存器。主机通过向自己的SPI串行寄存器写入1个字节来发起1次传输，然后通过MOSI信号线将数据传给外设，同时外设将自己移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，如图1所示。这样，两个移位寄存器中的内容就交换了。也就是说，外设的写操作和读操作是同步完成的。在实际应用中，如果只进行写操作，则主机只需忽略收到的字节即可；如果主机要读外设的数据，必须发送1个字节来引发从机的传输，发送的这个字节可以是任意数据。

      2  M25P16简介

      M25P16是16 Mb的串行闪存，具有先进的写保护机制，支持速度高达50 MHz的SPI总线的存取操作。该存储器有32个扇区，每个扇区256页，每页256字节。工作电压范围2.7～3.6 V，工作温度范围-40～+85℃。数据保存长达20年，每个扇区可擦写／编程100 000次。

      M25P16支持的操作指令共有12条。指令格式为：

      其中，8位的命令字是必需的，地址、哑元以及数据字节的有无和长度会因指令的不同而有所差别，详情如表1所列。所有的命令码、地址、串行输入／输出的数据，均是高位在前，低位在后。

      对M25P16操作时，先选中芯片(即片选信号S拉低)，然后串行输入操作指令字节，紧接着串行输入地址字节(0或3字节)，必要时还要加入哑读字节，最后串行输入／输出数据字节，然后把片选信号拉高，之后M25P16启动内部控制逻辑，自行完成相应的操作。

      3 SPI硬件设计

      PIC16F877A单片机具有非常完善的SPI接口(RC3／SCK、RC4／SDI、RC5／SDO、RA5／SS)，只有PIC16F877A作为从机时，RA5／SS引脚才作为SPI脚，PIC16F877A为主机时，SS可作为普通I／O使用。通过该接口，可比较容易地实现PIC16F877A与SPI Flash的通信。PIC16F877A与M25P16的硬件接口如图2所示。其中，SCK、SDI、SDO为MCU的SPI专用引脚，分别与存储器的对应引脚相连，可选MCU的任意I／O脚作为存储器的片选信号，图中选取RC2脚与存储器的片选S相连，这样，在SPI通信时只涉及MCU的C口，便于操作。M25P16的HOLD和W直接接高电平，表示不允许在S有效的情况下暂停SPI通信且整个存储区都没有写保护。

      图2中，VDD为+5 V，由于PIC16F877A工作在5 V电压下，而M25P16的工作电压范围为2.7～3.6 V，二者不能直接相连。这里采用电阻分压的方式，保证输入M25P16的S、C、D脚的电压在存储器能承受且能识别的范围内，通过在M25P16向PIC16F877A输入数据的SDO脚加上拉电阻，保证MCU可以识别M25P16输出的高电压，从而保证正常的SPI通信。如果MCU工作于3.3 V，则直接将二者的对应引脚相连即可。

      4  SPI软件设计

      在硬件连线正确的基础上，要进行SPI通信，还要对M25P16编写驱动程序，包括SPI初始化、读M25P16的数据、向M25P16写人数据、数据的擦除等，这里使用C语言编程，编译器选择PICC，开发环境为MPLAB IDE8.10。

      PIC16F877A的SPI通信涉及4个寄存器：控制寄存器SSPCON、状态寄存器SSPSTAT串行接收／发送缓冲器SSPBUF和移位寄存器SSPSR。其中，SSPCON的8位都是可读可写的，用于设置SSP处于主／从模式、时钟频率、时钟极性、SSP使能以及写冲突检测；SSPSTAT只有高2位可读写，低6位是只读的。PIC16F877A处于接收模式时，SSPSR和SSPBUF构成2级缓冲的接收器，SSPSR每收到1个完整的字节，就将该字节传给SSPBUF，并将中断标志位SSPIF置1，可通过读SSPBUF得到数据；877A处于发送模式时，写SSPBUF操作会同时将数据写入SSPSR，触发传输。下面结合具体的代码进行详细阐述。

      (1)SPI初始化与读写函数

      从SendByte和RcvByte函数的代码中，可以看出数据发送和接收是否完成，都是通过判断STAT_BF标志位(SSPSTAT寄存器的BF位，STAT_BF是在头文件pic1687x．h中定义的名称)来实现的，而数据手册中关于BF位的描述仅用于接收模式。这是由于PIC16F877A通过SDO发送数据的同时，会通过SDI读人数据，当1字节发送完成时，刚好接收1字节到SSPBUF，这时SSPBUF满，BY被置为1，故可通过STAT_BF标志判断1字节是否发送完成。

      (2)连续写函数

      M25P16的PP指令允许1次连续写入不超过1页(256字节)的数据。写人数据之前，首先要发出写允许命令，然后才能执行数据写入操作。数据写入函数参数包括address(32位地址)、block(写入数据缓冲区指针)、n(一次连续写入的字节数，n<256)。如果address的低8位不全为0，即不是从页起始处写，并且需要写入的数据超出该页剩余空间，则超出部分被丢弃。代码如下：

      其中，delay()为延时子函数，参数为ms级，delay(1)即延时1ms。加入延时，是为了保证存储器在准备好的情况下才进行读写操作。

      (3)连续读函数

      M25P16允许发出读指令后，连续读取数据，这一模式极大提高了总线效率。数据读取函数的参数包括address：32位地址；block：读数据缓冲区指针；n：一次连续读取的字节数，代码如下：

      M25P16的连续读操作与连续写不同的是，无论READ还是FAST_READ，在起始地址处1字节的数据读出后，会自动寻址更高地址处的数据，故程序中无需address++语句。

      除了对M25P16的初始化、读写之外，经常还要对其进行擦除操作，擦除有扇区擦除和整体擦除2种方式，执行数据擦除将使内部所有数据变为FFH。擦除操作与写操作类似，在此不再赘述。

      结  语

      本文介绍的M25P16与PIC16F877A的接口已应用于自来水流量数据采集的本地存储中。运行稳定可靠，未发现数据丢失现象，对其他应用有一定的参考价值。