大容量NORFlash与8位单片机的接口设计

    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NOR Flash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512 KB，按512K×8位结构组织。

      ② 采用单一的5 V电源供电，编程电源VPP在芯片内部产生。

      ③ 芯片可反复擦写100 000次，数据保存时间为100年。

      ④ 工作电流典型值为10 mA，待机电流典型值为30μA。

      ⑤ 扇区结构：扇区大小统一为4 KB。

      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18 ms，整片擦除时间为70 ms；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25 ms。

    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。

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    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25 ms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。

    第1扇区擦除程序代码如下：

    结 语

    本文从硬件和软件两个方面对大容量NOR Flash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。