摘 要： 新型超大容量Flash存儲(chǔ)器K9F2G08U0M的基本組織結(jié)構(gòu)，給出了存儲(chǔ)器與C8051F020單片機(jī)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)的硬件連接方式以及存儲(chǔ)器的主要操作流程和部分C語(yǔ)言代碼。
關(guān)鍵詞： K9F2G08U0M 外部存儲(chǔ)器接口 管道通徑儀
閃存(Flash Memory)是一種可以進(jìn)行電擦寫(xiě)并且掉電后信息不丟失(非易失，Non-Volatile)的存儲(chǔ)器，具有功耗低、擦寫(xiě)速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于外部存儲(chǔ)領(lǐng)域。
管道運(yùn)輸作為當(dāng)前油氣資源的主要輸送手段，其運(yùn)行安全性受到越來(lái)越多的重視。由于不同的要求使得鋪設(shè)的管道直徑不盡相同，并且管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)存在各種變形，這對(duì)管道缺陷檢測(cè)器的運(yùn)行有相當(dāng)大的影響，容易造成卡死等后果。通徑儀就是鑒于此研制的記錄管徑變動(dòng)情況的儀器。一般情況下，通徑儀連續(xù)運(yùn)行幾百公里，相應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)將達(dá)到上百兆字節(jié)。32MB、64MB的閃存已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。因此選用了Samsung公司開(kāi)發(fā)的K9F2G08U0M，其單片容量高達(dá)264MB，可滿(mǎn)足工程需求。
本文將介紹該存儲(chǔ)器的主要性能及其在管道通徑儀中的應(yīng)用。
1 K9F2G08U0M存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
從接口角度看，雖然K9F2G08U0M的容量和尋址范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常見(jiàn)單片機(jī)的容量和尋址范圍，但由于芯片上的寫(xiě)控制器能自動(dòng)控制所有編程和擦除功能，提供必要的重復(fù)脈沖、內(nèi)部確認(rèn)和數(shù)據(jù)空間，而且只通過(guò)I/O接口接收單片機(jī)的命令和數(shù)據(jù)而不需要地址線(xiàn)，因此實(shí)際操作起來(lái)非常方便。另外芯片是通過(guò)“與非”單元結(jié)構(gòu)增大容量，所以沒(méi)有因此而削弱自身性能；芯片具有獨(dú)立的1頁(yè)大小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和緩存存儲(chǔ)器，因此可以在0.2ms內(nèi)完成2112B的頁(yè)編程操作，在 2ms內(nèi)完成128KB的塊擦除操作，同時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)能以30ns/B的速度讀出。
整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)被分為2 048個(gè)相互獨(dú)立的塊，可從邏輯上和物理上對(duì)塊的組織結(jié)構(gòu)分類(lèi)。
圖1為塊的邏輯結(jié)構(gòu)，每個(gè)塊分為64頁(yè)，每頁(yè)為2 112B(2 048B+額外存儲(chǔ)區(qū)的64B)。芯片通過(guò)頁(yè)地址和頁(yè)內(nèi)字節(jié)地址訪(fǎng)問(wèn)每一個(gè)字節(jié)。通常頁(yè)地址稱(chēng)為行地址，而頁(yè)內(nèi)字節(jié)地址稱(chēng)為列地址，即264MB=2048塊×64頁(yè)/塊×2112字節(jié)/頁(yè)=217行×2112列。因此，行地址需要3個(gè)字節(jié)，列地址2個(gè)字節(jié)，輸入順序如表1所示。
從物理結(jié)構(gòu)上看，該芯片為“與非”結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器，每個(gè)塊由兩個(gè)“與非”結(jié)構(gòu)串組成，每個(gè)“與非”結(jié)構(gòu)串包含 16 896個(gè)“與非”結(jié)構(gòu)，每個(gè)“與非”結(jié)構(gòu)由32個(gè)基本單元(每個(gè)基本單元為1位)組成，這32個(gè)基本單元分別位于不同的頁(yè)內(nèi)，由此得到每個(gè)塊的物理結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
2 硬件連接設(shè)計(jì)
管道通徑儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。管道檢測(cè)時(shí)MCU采集參數(shù)并存儲(chǔ)在Flash中，檢測(cè)完畢后通過(guò)USB接口傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
如前所述，對(duì)K9F2G08U0M的操作可以通過(guò)只向I/O接口發(fā)送數(shù)據(jù)(包括命令碼、行列地址碼等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此最直接的方式是使用單片機(jī)的一個(gè)端口作為與芯片的數(shù)據(jù)接口，并以單片機(jī)的GPIO引腳連接CE、ALE、CLE以及，編程時(shí)按照手冊(cè)中的時(shí)序圖控制這些引腳。但是由于每次操作這些引腳都需要大量的控制線(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，使程序十分繁冗。
由于C8051F020提供了外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，而接口時(shí)序由EMIF硬件產(chǎn)生，使其對(duì)片外擴(kuò)展的器件操作像對(duì)內(nèi)存單元的尋址一樣簡(jiǎn)便快捷。下面采用這種硬件連接方式，對(duì)K9F2G08U0M的主要操作進(jìn)行介紹。電路如圖4所示，C8051F020只畫(huà)出了EMIF接口部分，選用非復(fù)用方式，以 IO7~0作為數(shù)據(jù)線(xiàn)，CE、ALE、CLE作為地址線(xiàn)。由于通徑儀中需要隨時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，因此寫(xiě)保護(hù)端接高電平。
采用外部存儲(chǔ)器接口對(duì)器件編程時(shí)，最重要的是保證總線(xiàn)時(shí)序與器件時(shí)序一致。C8051F020的EMIF接口時(shí)序能夠以系統(tǒng)時(shí)鐘周期為單位編程，因此允許連接具有不同建立時(shí)間和保持時(shí)間要求以及不同/WR、/RD選通脈沖寬度的器件。
單片機(jī)EMIF在非復(fù)用方式，一次片外XRAM 操作的最小執(zhí)行時(shí)間為5 個(gè)SysClk 周期（用于或 脈沖的1 個(gè)SysClk+4個(gè)額外SysClk）。若單片機(jī)系統(tǒng)采用20MHz晶振，一次MOVX操作的最小執(zhí)行時(shí)間為250ns，而K9F2G08U0M交流參數(shù)中最小建立保持時(shí)間的上界為100ns，則即使采用EMI0TC最小的時(shí)序參數(shù)也不需要在程序中額外加入延時(shí)指令。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，提高了開(kāi)發(fā)速度并降低了維護(hù)難度。下面分別介紹存儲(chǔ)器的主要操作。
3.1 按頁(yè)讀
K9F2G08U0M中有一個(gè)2112B即1頁(yè)大小的數(shù)據(jù)寄存器，這就決定了存儲(chǔ)器的讀操作是以1頁(yè)為基本單元進(jìn)行的。如圖5所示，寫(xiě)入30H后，行地址所指定的頁(yè)中的數(shù)據(jù)將在25?滋s內(nèi)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器中，然后在脈沖的作用下，不但可以從指定的列地址開(kāi)始連續(xù)讀到該頁(yè)末尾，也可以按照流程圖中的虛線(xiàn)部分輸入隨機(jī)讀指令碼，任意讀取該頁(yè)中的內(nèi)容，并且不受次數(shù)限制。
