基于C8051F340的非易失大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

1、基于C8051F340的非易失大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案    摘要：海洋儀器在后期數(shù)據(jù)分析處理時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路是不可或缺的。針對海洋儀器對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大容量非易失的要求，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，給出幾種擴(kuò)展海量存儲(chǔ)器的方案和實(shí)際電路。這些方案是以C8051F340為主控制器，充分利用C8051F340片上集成的I2C，SPI和IO接口資源擴(kuò)展大容量存儲(chǔ)器，相比于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)電路，省去了譯碼和鎖存電路，同時(shí)簡化了軟件編程。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，這些存儲(chǔ)電路工作穩(wěn)定、功耗低，適用于中低速，需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的儀    摘要：海洋儀器在后期數(shù)據(jù)分析處理時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電

2、路是不可或缺的。針對海洋儀器對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大容量非易失的要求，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，給出幾種擴(kuò)展海量存儲(chǔ)器的方案和實(shí)際電路。這些方案是以C8051F340為主控制器，充分利用C8051F340片上集成的I2C，SPI和IO接口資源擴(kuò)展大容量存儲(chǔ)器，相比于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)電路，省去了譯碼和鎖存電路，同時(shí)簡化了軟件編程。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，這些存儲(chǔ)電路工作穩(wěn)定、功耗低，適用于中低速，需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的儀器儀表。關(guān)鍵詞：C8051F340；I2C；SPI；IO；非易失；大容量    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(chǔ)器。而且由于海洋環(huán)境惡劣，很多

3、時(shí)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(chǔ)器。EEPROM和Flash閃存，既有ROM的特點(diǎn)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(chǔ)電路通常比較復(fù)雜，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)器容量小，接口單一，為了擴(kuò)大容量需要外加擴(kuò)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(chǔ)器層出不窮。這些存儲(chǔ)器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實(shí)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Microehip公司生產(chǎn)的C8051F340為主控器，提出基于多種硬件接口

4、的大容量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方案，可方便移植到與51兼容的其他單片機(jī)系統(tǒng)。1 C8051F340特性及硬件接口    C8051F340是Sihcon公司生產(chǎn)的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)。它的內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052所有外設(shè)，包括2個(gè)全雙工UART、1個(gè)增強(qiáng)型SPI端口，1個(gè)SMBUS端口，40個(gè)IO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(kuò)展不同的接口存儲(chǔ)器。圖1是基于C8051F340的硬件接口(I2C，SPI，GPIO)實(shí)現(xiàn)的3種大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展方案的示意圖。2 I2C總線擴(kuò)展EEPROM存儲(chǔ)器21 I2C總

5、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(chǔ)器交換數(shù)據(jù)方法簡單。但是，在繪制電路板時(shí)，這些總線將耗費(fèi)很大空間。而I2C存儲(chǔ)器克服了這個(gè)缺點(diǎn)，它僅需要數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)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(chǔ)器可以取代并行存儲(chǔ)器。22 AT24C1024及與C8051F340的軟硬件設(shè)計(jì)    AT24C1024是l 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

6、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(gè)寫周期內(nèi)同時(shí)對1個(gè)字節(jié)到l頁的若干字節(jié)的編程寫入，l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。C8051F340片上集成SMBus端口。SMBus完全符合系統(tǒng)管理總線規(guī)范11版，并與I2C串行總線兼容。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(shí)，這2條線都被拉到高電平。所以，在配置C8051F340端口時(shí)，把SDA、SCL配置為漏極開路輸出。為了使開漏極電路輸出“l(fā)”時(shí)SDA和SCL應(yīng)是高電平而不是高阻態(tài)，這就需要加

7、上拉電阻。圖2為AT24C1024與C805lF340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。23 應(yīng)用舉例    此電路用于小型的海洋溫度計(jì)，在采樣率為16 Hz、采樣精度16位的情況下，可連續(xù)存儲(chǔ)109 h左右。小型溫度計(jì)以體積小，重量輕等特點(diǎn)使其方便在海上進(jìn)行多點(diǎn)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(chǔ)系統(tǒng)配置參數(shù)和保存系統(tǒng)工作日志。3 SHI接口擴(kuò)展M25P6431 SPI總線

8、    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(gè)主器件和從器件。SPI收發(fā)獨(dú)立，可同步進(jìn)行，通信速率比較高。32 M25P64及與C8051F340的軟硬件設(shè)計(jì)    M25P64是低功耗、大容量串行Flash存儲(chǔ)器其存儲(chǔ)空間為64 MB，由32 768個(gè)頁面組成，每個(gè)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(64MB)。最高時(shí)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(chǔ)器工作于34線串行總線方式，可擴(kuò)展更大容量的存儲(chǔ)空間。 

9、;   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(shí)序的方法。使用C8051F340的片上SPI控制接口，將引腳C與單片機(jī)輸出時(shí)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(hào)與NSS對接，如圖4所示。    C805lF340上電后首先對硬件接口進(jìn)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(SPIDATO)實(shí)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S

10、PIDAT0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。33 應(yīng)用實(shí)例    此存儲(chǔ)電路中M25P64占用的IO口線較少。M25P64相比于AT24C1024附加了片選信號(hào)，并且數(shù)據(jù)輸入和輸出線分開，使存儲(chǔ)電路的抗干擾性有所提高，降低了軟件設(shè)計(jì)難度。M25P64在硬件實(shí)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(chǔ)電路已成功應(yīng)用于開發(fā)的湍流觀測儀器樣機(jī)。4 GPIO口擴(kuò)展K9WAG08UOA    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IO。在

11、設(shè)計(jì)C8051F340，若不把選定的引腳配置為特殊功能，它就默認(rèn)為通用IO，利用這些引腳來擴(kuò)展K9WAG08UOA。41 K9WAG08UOA的特性    K9WAG08UOA是NAND-Flash架構(gòu)的Flash，單電源270360 V供電，內(nèi)部存儲(chǔ)空間為(1 G+32 M)x8 B，數(shù)據(jù)寄存器為(2 K+64)x8 B，可進(jìn)行任意字節(jié)單元的讀操作(最長25s)，(128 K+4 K)B的塊擦除和(2 K+64)B的頁編程(200s典型時(shí)間)。容量上可堪比一般的SD卡和U盤，讀寫速度也很快。42 K9WAG08UOA與C8051F340的硬件連接 &#

12、160;  C8051F340與K9WAG08UOA的連接方法如圖5所示。K9WAG08UOA的命令、數(shù)據(jù)、地址均通過8根IO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(hào)、塊內(nèi)頁號(hào)、頁內(nèi)字節(jié)號(hào)后尋址相應(yīng)的單元，比相同容量的并行存儲(chǔ)器節(jié)省了23根地址線。地址線的減少簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了編程的復(fù)雜程度。指令、地址從IO寫入時(shí)，把拉低，配合CLE和ALE信號(hào)線實(shí)現(xiàn)IO口上指令和地址復(fù)用。43 軟件編程    K9WAG08UOA的編程比通常的串、并行存儲(chǔ)器復(fù)雜。實(shí)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(shí)進(jìn)行

13、調(diào)用。由圖5 看出，C8051F340對K9WAG08UOA的讀寫操作均通過通用IO進(jìn)行。C805lF340對IO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(shí)，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Ox80被鎖存到端口數(shù)據(jù)寄存器中，把CE引腳拉低，引腳產(chǎn)生一個(gè)上升沿，數(shù)據(jù)就被寫入K9WAG 08UOA中的數(shù)據(jù)命令寄存器。Ox8O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Ox80為命令字段；CLE為低，ALE為高，表示Ox80為數(shù)據(jù)。下面對K9WAG08U

14、OA的頁編程、頁讀、塊擦除做詳細(xì)的說明。431 頁編程    K9WAG08UOA的頁編程是以頁為單位的，它允許在一個(gè)頁編程周期里寫入12 112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(cuò)。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)寫人數(shù)據(jù)，一次最多2 112字節(jié)；4)最后寫入頁編程指令0x1O。啟動(dòng)內(nèi)部編程操作。為了反饋寫入操作是否成功，K9WAG08UOA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O，判斷寫入是否成功。432 頁讀操作  &

15、#160; K9WAG08UOA讀頁面的操作過程為寫入0x00到命令寄存器，然后輸入5個(gè)字節(jié)的地址，再寫入命令Ox30啟動(dòng)頁讀操作。選中頁面的2 112個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)不是立即輸出到I0口，而先被復(fù)制到K9WAG08UOA的數(shù)據(jù)寄存器。通過檢測RB引腳狀態(tài)來判斷復(fù)制操作是否完成。一旦RB 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IO口，此時(shí)讀取IO口電平即可。433 塊擦除    K9WACO8UOA的擦除操作以塊為單位進(jìn)行。首先寫入擦除指令Ox60，然后分3次寫入行地址。載入行地址后執(zhí)行擦除

16、確認(rèn)指令0xd0來初始化內(nèi)部擦除操作。通過狀態(tài)引腳RB了解擦除的進(jìn)度，RB為高電平表示內(nèi)部擦除完成。通過檢測狀態(tài)位(IO0)來檢查擦除操作是否發(fā)生錯(cuò)誤。44 應(yīng)用舉例    本設(shè)計(jì)的單片機(jī)P1口與K9WAGO8UOA直接連接，其他控制引腳與PO口的引腳連接。為防止存儲(chǔ)器誤操作，在單片機(jī)復(fù)位后要進(jìn)行初始化設(shè)置。 K9WAGO8UOA最大的優(yōu)點(diǎn)是容量大，低功耗。海洋潛標(biāo)在水下工作的時(shí)間通常為3個(gè)月以上，累計(jì)的數(shù)據(jù)量通常上百兆，K9WAG08UOA能夠勝任這樣的容量要求。在實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行多次長時(shí)間測試，K9WAG08UOA記錄的數(shù)據(jù)可靠。5 結(jié)束語    利用C805lF340豐富的接口資源，可以方便地?cái)U(kuò)展大容量的存儲(chǔ)器。本文介紹的3種存儲(chǔ)器擴(kuò)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(diǎn)，又各有特點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的具體需求，進(jìn)行選擇使用。通過實(shí)踐，總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)：1)提高系統(tǒng)存取效率，加入FIFO緩存。數(shù)據(jù)按時(shí)間順序?qū)懭?FIFO，大到一定容量后再由處理器以塊形式讀出。這