基于C8051F340的非易失大容量數(shù)據(jù)存儲方案

李明磊，潘文亮

（中國科學(xué)院 南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境動力學(xué)重點實驗室，廣東 廣州 510301）

在海洋儀器工作過程中，觀測的周期比較長，累積的數(shù)據(jù)量往往比較大，要求使用大容量存儲器。而且由于海洋環(huán)境惡劣，很多時候電池耗盡，儀器尚未回收，為了保證數(shù)據(jù)安全，必須采用掉電非易失存儲器。EEPROM和Flash閃存，既有ROM的特點非易失性，又有比較高的存取速度，而且易于擦除和重寫，功耗很小，集成度高，是比較好的選擇。但早期的存儲電路通常比較復(fù)雜，因為其存儲器容量小，接口單一，為了擴大容量需要外加擴展地址線的譯碼和鎖存電路。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種大容量存儲器層出不窮。這些存儲器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)技術(shù)、物理外觀和工作電壓等方面有較大差異，而在硬件接口上常見為I2C接口、SPI接口和并行接口。

以Microchip公司生產(chǎn)的C8051F340為主控器，提出基于多種硬件接口的大容量存儲設(shè)計方案，可方便移植到與51兼容的其他單片機系統(tǒng)。

1 C8051F340特性及硬件接口

C8051F340是Silicon公司生產(chǎn)的混合信號片上系統(tǒng)型單片機。它的內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052所有外設(shè)[1]，包括2個全雙工UART、1個增強型SPI端口，1個SMBUS端口，40個I/O引腳，4 352字節(jié)的內(nèi)部 RAM，128字節(jié)特殊功能寄存器等。C8051F340片上豐富的硬件資源，使其方便擴展不同的接口存儲器。圖1是基于C8051F340的硬件接口（I2C，SPI，GPIO）實現(xiàn)的3種大容量存儲器擴展方案的示意圖。

圖1 基于C8051F340的存儲擴展方案Fig.1 Schemes of storage extending based on C8051F340

2 I2C總線擴展EEPROM存儲器

2.1 I2C總線

在并行總線系統(tǒng)，CPU要完成與外部RAM或ROM的交換數(shù)據(jù)，通常需要有3組總線（地址、數(shù)據(jù)、控制總線），采用如此多的并行總線可使控制速度快，與存儲器交換數(shù)據(jù)方法簡單。但是，在繪制電路板時，這些總線將耗費很大空間。而I2C存儲器克服了這個缺點，它僅需要數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SDL 2條總線即可。數(shù)據(jù)交換速率要求在ms級的場合，I2C存儲器可以取代并行存儲器。

2.2 AT24C1024及與C8051F340的軟硬件設(shè)計

AT24C1024是1 Mb支持I2C數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行CMOS EEPROM，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為512頁，每頁為256字節(jié)，可用電擦除；它具有2種寫入方式，一種是字節(jié)寫入方式；另一種是頁寫入方式。允許在一個寫周期內(nèi)同時對1個字節(jié)到1頁的若干字節(jié)的編程寫入，1頁的大小取決于片內(nèi)頁寄存器的大小。AT24C1024具有256字節(jié)數(shù)據(jù)的頁面寫能力[2]。

C8051F340片上集成SMBus端口。SMBus完全符合系統(tǒng)管理總線規(guī)范1.1版，并與I2C串行總線兼容[3]。連接在I2C總線上的器件，SCL和SDA應(yīng)該為漏極開路或集電極開路輸出，當(dāng)總線空閑時，這2條線都被拉到高電平。所以，在配置C8051F340端口時，把 SDA、SCL配置為漏極開路輸出。為了使開漏極電路輸出“1”時SDA和SCL應(yīng)是高電平而不是高阻態(tài)，這就需要加上拉電阻。圖2為AT24C1024與C8051F340的硬件連接圖。對AT24C1024的操作編程，與一般I2C類似，遵循I2C通信協(xié)議。以寫操作為例，其流程圖如圖3所示。讀操作與此類似。

圖2 AT24C1024與C8051F340的硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram between AT24C1024 and C8051F340

圖3 I2C總線寫操作流程圖Fig.3 Flow chart of I2C write process

2.3 應(yīng)用舉例

此電路用于小型的海洋溫度計，在采樣率為1/6 Hz、采樣精度16位的情況下，可連續(xù)存儲109 h左右。小型溫度計以體積小，重量輕等特點使其方便在海上進行多點多深度布設(shè)，用于測試水下溫度場的一天連續(xù)變化。但是AT24C1024存取速率較低，僅適合于低速存取的場合。在某些系統(tǒng)中還用于存儲系統(tǒng)配置參數(shù)和保存系統(tǒng)工作日志。

3 SPI接口擴展M25P64

3.1 SPI總線

串行外圍接口SPI總線可分為3線和4線工作方式，支持在同一總線上掛接多個主器件和從器件。SPI收發(fā)獨立，可同步進行，通信速率比較高。

3.2 M25P64及與C8051F340的軟硬件設(shè)計

M25P64是低功耗、大容量串行Flash存儲器其存儲空間為64 MB，由32 768個頁面組成，每個頁面為256字節(jié)。支持頁編程（256字節(jié)），扇區(qū)擦除（512 KB）和塊擦除（64 MB）。最高時鐘頻率50 MHz；可循環(huán)使用100 000次；保存數(shù)據(jù)年限超過20年；該存儲器工作于3/4線串行總線方式，可擴展更大容量的存儲空間[4]。

對M25P32的讀寫可以直接將M25P64與C8051F340的GPIO口連接，采用GPIO口模擬SPI接口時序的方法。使用C8051F340的片上SPI控制接口，將引腳C與單片機輸出時鐘對接，數(shù)據(jù)輸出Q與MISO對接，數(shù)據(jù)輸入D與MOSI對接，片選信號 S與NSS對接，如圖4所示。

圖4 M25P64與C8051F340的硬件連接圖Fig.4 Hardware connection between M25P64 and C8051F340

C8051F340上電后首先對硬件接口進行初始化，把端口設(shè)置為SPI特殊功能。C8051F340通過讀寫SPI數(shù)據(jù)寄存器（SPIDAT0）實現(xiàn)在 SPI通信線上的數(shù)據(jù)收發(fā)。因此，對M25P64的讀寫和擦除可歸結(jié)為，按照M25P64數(shù)據(jù)資料上的命令表，往SPIDAT0里寫入命令和數(shù)據(jù)，程序流程的控制通過判斷從SPIDAT0讀出的狀態(tài)寄存器位。

3.3 應(yīng)用實例

此存儲電路中M25P64占用的I/O口線較少。M25P64相比于AT24C1024附加了片選信號，并且數(shù)據(jù)輸入和輸出線分開，使存儲電路的抗干擾性有所提高，降低了軟件設(shè)計難度。M25P64在硬件實現(xiàn)上基于移位寄存器，所以通信速率較高，達(dá)到微秒級。此存儲電路已成功應(yīng)用于開發(fā)的湍流觀測儀器樣機。

4 GPIO口擴展K9WAG08U0A

C8051F340上未被交叉開關(guān)分配的端口引腳和未被模擬外設(shè)使用的端口引腳都可以作為通用I/O[5]。在設(shè)計C8051F340，若不把選定的引腳配置為特殊功能，它就默認(rèn)為通用I/O，利用這些引腳來擴展K9WAG08U0A。

4.1 K9WAG08U0A的特性

K9WAG08U0A是NAND-Flash架構(gòu)的Flash，單電源2.70～3.60 V 供電，內(nèi)部存儲空間為（1 G+32 M）×8 B，數(shù)據(jù)寄存器為（2 K+64）×8 B，可進行任意字節(jié)單元的讀操作（最長 25μs），（128 K+4 K）B 的塊擦除和（2 K+64）B 的頁編程（200μs典型時間）[6]。容量上可堪比一般的SD卡和U盤，讀寫速度也很快。

4.2 K9WAG08U0A與C8051F340的硬件連接

C8051F340與K9WAG08U0A的連接方法如圖5所示。K9WAG08U0A的命令、數(shù)據(jù)、地址均通過8根I/O線傳輸，31位地址分5次寫入地址寄存器，其內(nèi)部譯碼確定塊號、塊內(nèi)頁號、頁內(nèi)字節(jié)號后尋址相應(yīng)的單元，比相同容量的并行存儲器節(jié)省了23根地址線。地址線的減少簡化了電路設(shè)計，同時也提高了編程的復(fù)雜程度。指令、地址從I/O寫入時，把WE，CE拉低，配合CLE和ALE信號線實現(xiàn)I/O口上指令和地址復(fù)用。

圖5 C8051F340與K9WAG08U0A連接圖Fig.5 Hardware connection between C8051F340 and K9WAG08U0A

4.3 軟件編程

K9WAG08U0A的編程比通常的串、并行存儲器復(fù)雜。實際應(yīng)用中將頁編程子程序、塊擦除子程序、讀操作字程序編寫成子程序，在需要時進行調(diào)用。由圖5看出，C8051F340對K9WAG08U0A的讀寫操作均通過通用I/O進行。C8051F340對I/O端口的操作通過訪問對應(yīng)的端口數(shù)據(jù)寄存器。向端口寫入時，數(shù)據(jù)被鎖存到端口數(shù)據(jù)寄存器中，以保持引腳上的輸出數(shù)據(jù)值不變；讀端口數(shù)據(jù)寄存器將返回端口輸入引腳的邏輯狀態(tài)。具體舉例來說，比如P0=0x80，表示0x80被鎖存到端口數(shù)據(jù)寄存器中，把CE引腳拉低，WE引腳產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)就被寫入K9WAG08U0A中的數(shù)據(jù)/命令寄存器。0x80為命令還是數(shù)據(jù)取決于CLE和ALE的狀態(tài)，CLE為高，ALE為低，表示0x80為命令字段；CLE為低，ALE為高，表示0x80為數(shù)據(jù)。下面對K9WAG08U0A的頁編程、頁讀、塊擦除做詳細(xì)的說明。

4.3.1 頁編程

K9WAG08U0A的頁編程是以頁為單位的，它允許在一個頁編程周期里寫入1～2 112字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被加載到數(shù)據(jù)寄存器，然后調(diào)用內(nèi)部寫入過程寫入正確的單元。在寫入之前必須擦除，否則出錯。頁編程的步驟為：1）寫入串行輸入指令0x80；2）分5次寫入編程首地址；3）寫入數(shù)據(jù)，一次最多2 112字節(jié)；4）最后寫入頁編程指令0x10。啟動內(nèi)部編程操作。為了反饋寫入操作是否成功，K9WAG08U0A的內(nèi)部狀態(tài)寄存器記錄了寫入狀態(tài)，通過查詢寄存器狀態(tài)位0，判斷寫入是否成功。

4.3.2 頁讀操作

K9WAG08U0A讀頁面的操作過程為寫入0x00到命令寄存器，然后輸入5個字節(jié)的地址，再寫入命令0x30啟動頁讀操作。選中頁面的2 112個字節(jié)的數(shù)據(jù)不是立即輸出到I/O口，而先被復(fù)制到K9WAG08U0A的數(shù)據(jù)寄存器。通過檢測R/B引腳狀態(tài)來判斷復(fù)制操作是否完成。一旦R/B為高電平后，表示復(fù)制完成。微處理器器控制RE不斷的高低變化，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)將按照在芯片中的地址排列依次鎖存輸出到I/O口，此時讀取I/O口電平即可。

4.3.3 塊擦除

K9WAG08U0A的擦除操作以塊為單位進行。首先寫入擦除指令0x60，然后分3次寫入行地址。載入行地址后執(zhí)行擦除確認(rèn)指令0xd0來初始化內(nèi)部擦除操作。通過狀態(tài)引腳R/B了解擦除的進度，R/B為高電平表示內(nèi)部擦除完成。通過檢測狀態(tài)位（I/O0）來檢查擦除操作是否發(fā)生錯誤。

4.4 應(yīng)用舉例

本設(shè)計的單片機P1口與K9WAG08U0A直接連接，其他控制引腳與P0口的引腳連接。為防止存儲器誤操作，在單片機復(fù)位后要進行初始化設(shè)置。K9WAG08U0A最大的優(yōu)點是容量大，低功耗。海洋潛標(biāo)在水下工作的時間通常為3個月以上，累計的數(shù)據(jù)量通常上百兆，K9WAG08U0A能夠勝任這樣的容量要求。在實驗室水池進行多次長時間測試，K9WAG08U0A記錄的數(shù)據(jù)可靠。

5 結(jié)束語

利用C8051F340豐富的接口資源，可以方便地擴展大容量的存儲器。本文介紹的3種存儲器擴展方案采用不同的硬件連接方式，但都具有非易失、低功耗的特點，又各有特點，可以根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的具體需求，進行選擇使用。通過實踐，總結(jié)以下經(jīng)驗：1）提高系統(tǒng)存取效率，加入FIFO緩存。數(shù)據(jù)按時間順序?qū)懭隖IFO，大到一定容量后再由處理器以塊形式讀出。這樣可以避免MCU頻繁進入中斷，提高處理器的工作效率。2）在控制印刷電路板面積及布線復(fù)雜度上，使用I2C接口最為簡潔，SPI接口次之。3）讀寫速度上，并口Flash最快，適應(yīng)于微秒級存?。籗PI接口次之，提高時鐘頻率也可達(dá)到微秒級；I2C接口最慢，適合毫秒級的訪問。4）容量上，NAND架構(gòu)閃存（K9WAG08U0A）的存儲單元采用串行結(jié)構(gòu)，一頁包含若干字節(jié)，若干頁組成儲存塊，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是使得容量可以做得很大。因此，在容量和存儲密度上，NAND閃存比其他結(jié)構(gòu)的存儲器大。僅從容量考慮時，優(yōu)先選擇NAND架構(gòu)的閃存。

[1]潘琢金.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2006-01）.http：//www.xhl.com.cn.

[2]Atmel Corporation.AT24C1024 Datasheet[EB/OL].（2007-03）.http：//www.atmel.com.

[3]潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]ST Corporation.M25P64 Datasheet[EB/OL].（2003-04）.http：//www.numonyx.com.

[5]張培仁.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[6]Samsung Electronic.K9XXG08UXA Datasheet[EB/OL].（2006-01）.http：//www.samsung.com.