基于增强型SPI接口的大容量Flash扩展实现

1 引言

随着信息时代的到来，各种信息的集成和交互越来越频繁。运动控制系统中需要处理和存储的信息量也与日俱增，大部分运动控制系统的核心器件MCU自身已经集成了较大容量的存储器（与以前MCU相比），但仅仅依靠MCU自身的存储器一般很难满足系统对大容量存储的要求，因此必须找到高效的方法实现对系统存储容量的扩展。

SPI是一个高效、数据位数可编程设置的高速输入/输出串行接口，几乎所有MCU生产厂商都提供对SPI接口的支持，目前高速SPI接口的时钟频率已达到60MHz甚至更高，SPI接口一般只用4根连接线即可完成所有的数据通讯和控制操作，因此不占用MCU的数据总线和地址总线，极大的节约了系统的硬件资源，是一种经济实用的扩展系统存储容量的方法。

本文利用32位DSP-TMS320F2812自身的增强型SPI接口，结合性价比高的串行接口Flash，高效地实现了对系统存储容量的扩展。

2 系统总体介绍

Flash扩展实现的硬件系统是具有Ethernet接口的基于DSP和CPLD的运动控制板，系统总体结构如图1所示，核心器件是TI公司推出的32位定点DSP-TMS320F2812和Altera公司推出的MAXII系列CPLD-EPM1270G。主要完成系统输入信号的检测、处理，各种控制算法以及和各种接口（Ethernet接口和RS232接口）的通讯，运动控制系统的部分控制程序、大量的初始化数据和系统的配置信息都存在大容量的串行接口Flash M25P80中，通过DSP增强型SPI接口实现与核心处理器DSP的高速通信。

3 Flash扩展的硬件设计

3.1 TMS320F2812的增强型SPI接口特性

（1）可编程的125种不同的波特率。

（2）可编程的1-16位有效数据长度。

（3）支持4种时钟模式，不带相位延时的下降沿模式、带相位延迟的下降沿模式、不带相位延时的上升沿模式和带相位延时的上升沿模式。

（4）可持续操作的特性：16级发送和接收FIFO；可编程的中断优先级和延时发送控制功能。

时钟模式应根据具体应用中与MCU接口器件的操作时序决定，选取原则是保证在器件进行读写操作过程中，所要求的CLK时钟沿到来时所操作的数据必须已经在相应的引脚上，例如，当接口器件（本系统中是Flash）在上升沿接收数据，在下降沿发送数据时，MCU应该选择不带相位延时的下降沿方式。

增强型SPI接口具有16位16级深度的发送和接收FIFO，这为高速连续操作提供了可能，在发送和接收时可以最多进行32个字节的连续操作，从而极大的提高了通讯效率。

可编程的中断优先级和可编程的延时发送控制功能，增加了SPI接口的灵活性，使用户可以自由配置中断，并根据外部器件的特性灵活控制SPI接口的操作时序，既保证了接口操作的高速性也满足了不同接口器件操作时序的要求。

3.2 串行接口Flash M25P80

M25P80是意法半导体公司推出的8M大容量串行接口Flash器件，采用2.7V-3.6V单电源供电，兼容标准的SPI接口，器件在上升沿接收数据，在下降沿发送数据，接口时钟最高为40MHz，支持最大256bytes的快速页面编程操作、快速的块擦除（512Kbit）操作和快速的整体擦除（8MHz）操作；具有操作暂停和硬件写保护功能。

SPI扩展模块硬件原理图如图2所示。

SPISOMI：SPI从模式输出/主模式输入引脚，与Flash的串行数据输出引脚Q相连。

SPISIMO：SPI从模式输入/主模式输出引脚，与Flash的串行数据输入D引脚相连。

SPISTE：SPI从模式发送使能引脚，与Flash的片选引脚S相连。

SPICLK：SPI串行时钟引脚；与Flash的时钟输入引脚C相连。

RAM_WP信号由DSP的I/O口输出，控制外部Flash的写保护功能，当RAM_WP为高电平时，使能Flash的硬件写保护功能，Flash内部扇区受保护，不能进行写操作，系统中对Flash的操作不会发生暂停，因此M25P80的HOLD信号直接接高电平，不进行中断暂停操作。

3.3 M25P80的指令操作

M25P80支持的操作指令共有12条，所有指令都是8位，操作步骤如下：先选中器件（片选信号拉低），然后输入8位操作指令字节，紧接着输入地址字节（0-3byte，必要时还要加入哑读字节），把片选信号拉高（有些指令不要求），M25P80即可以启动内部控制逻辑，自行完成相应的操作。以下以最常用的页面快速编程指令为例进行具体说明（其他指令与该指令操作相似，可以相互参考）。

页面编程指令时序图如图3所示，进行页面编程操作首先应将内部状态寄存器的写允许位（WREN）置1，然后将片选信号拉低选中器件，输入PP指令字节02H，紧接着输入三个字节的地址数据，然后输入要编程的数据，所有数据都输入后将片选信号拉高，M25P80随即启动内部逻辑完成编程操作。

4 SPI模块软件编程

4.1 软件流程说明

SPI模块软件流程图如图4所示。

a、系统初始化：完成SPI接口引脚功能的选择、DSP外部接口时钟的定标、SPI接口时钟的使能。具体为：GPIO多路复用控制寄存器：GPFMUX中将相关引脚配置为SPI功能引脚，低速设备时钟定标寄存器LOSPCP中低速设备时钟的定标，外设时钟控制寄存器PCLKCR中SPI接口时钟使能，程序如下：


b、与SPI相关的中断初始化，使能外部中断向量表（PIEVECT寄存器），复位外部中断应答寄存器（PIEACK），清除外部中断标志寄存器（PIEIFR），置位PIE中断使能寄存器（PIEIER），清除全局中断屏蔽位（STI寄存器的INTM位）。

c、SPI接口初始化：首先在SPI配置寄存器（SPICCR）中置位SPI软件复位位，使SPI进入复位模式，设置SPI接口的时钟极性（根据具体的Flash器件操作特性设置，在4种时钟模式中选择，本系统选择不带相位延时的下降沿方式）、选择有效数据位数、选择奇偶校验位；在SPI控制寄存器（SPICTL）中：使能接收中断和发送中断、选择SPI时钟相位、选择主或从模式；SPI波特率寄存器（SPIBRR）中设置SPI接口的通讯波特率。

d、SPI增强型特性配置：SPIFIFO发送寄存器（SPIFFTX）中复位SPI发送和接收通道、使能增强特性、复位FIFO指针、清除FIFO中断标志位、使能FIFIO中断、设置FIFO中断优先级，SPIFIFO接收寄存器（SPIFFRX），请参考SPIFFTX寄存器配置，两者基本相同，分别用于发送控制和接收控制，SPIFIFO控制寄存器（SPIFFCT）；根据具体器件的操作时序要求配置FIFO发送延时。实现程序如下：
 
 
 
5 结束语

本文所述运动控制系统利用系统核心DSP自身的SPI接口，结合其高速性、可连续操作性和极大的灵活性，选用性价比高的大容量串行接口Flash，高效地实现对系统存储容量的扩展，适应了目前信息化发展趋势，满足了系统大容量存储空间的要求。