【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 H，實(shí)時(shí)時(shí)鐘， AD 轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。 SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為 PCB 的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成 了這種通信協(xié)議，比如 M25P80. SPI 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使 MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置 FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、 LCD 顯示驅(qū)動(dòng)器、 A/D 轉(zhuǎn)換器和 MCU 等。 SPI 總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用 4 條線：串行時(shí)鐘線（ SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線 MISO、主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOSI 和低電平有效的從機(jī)選擇線 SS(有的 SPI 接口芯片帶有中斷信號(hào)線 INT、有的 SPI 接口芯片沒有主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOSI)。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 SPI 的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少 4 根線，事實(shí)上 3 根也可以（用于單向傳輸時(shí)，也就是半雙工方式）。也是所有基于 SPI 的設(shè)備共有的，它們是 SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出）， SCK（時(shí)鐘）， CS（片選）。 （ 1） SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 （ 2） SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出 （ 3） SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生 （ 4） CS – 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制 其中 CS 是控制芯片是否被選中的，也 就是說只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè) SPI 設(shè)備成為可能。 接下來就負(fù)責(zé)通訊的 3 根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI 是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是 SCK 時(shí)鐘線存在的原因，由 SCK 提供時(shí)鐘脈沖， SDI， SDO 則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO 線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少 8 次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和 下沿為一次），就可以完成 8 位數(shù)據(jù)的傳輸。 要注意的是， SCK 信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于 SPI 的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少 8位數(shù)據(jù)，而 SPI 允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)?SCK 時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對(duì) SCK 時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。 SPI 還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)?SPI 的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以 允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的 SPI 設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中， SPI 接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號(hào)，硬件上比I2C 系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。 接口包括以下四種信號(hào)： （ 1） MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出 ,從器件數(shù)據(jù)輸入 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 （ 2） MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入 ,從器件數(shù)據(jù)輸出 （ 3） SCLK – 時(shí)鐘信號(hào) ,由主器件產(chǎn)生 （ 4） /SS – 從器件使能信號(hào) ,由主器件控制 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中 ,SPI 接口不需要進(jìn)行尋址操作 ,且為全雙工通信 ,顯得簡(jiǎn)單高效。 Flash Memory 技術(shù)概況 全球閃速存儲(chǔ)器的主要供應(yīng)商有 AMD、 ATMEL、 Fujistu、 Hitachi、 Hyundai、Intel、 Micron、 Mitsubishi、 Samsung、 SST、 SHARP、 TOSHIBA，由于各自技術(shù)架構(gòu)的不同，分為 幾大陣營(yíng)。 NOR 技術(shù) NOR NOR 技術(shù)（亦稱為 Linear 技術(shù)）閃速存儲(chǔ)器是最早出現(xiàn)的 Flash Memory，目前仍是多數(shù)供應(yīng)商支持的技術(shù)架構(gòu)。它源于傳統(tǒng)的 EPROM 器件，與其它 Flash Memory 技術(shù)相比，具有可靠性高、隨機(jī)讀取速度快的優(yōu)勢(shì)，在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場(chǎng)合，尤其是純代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中廣泛使用，如 PC 的BIOS 固件、移動(dòng)電話、硬盤驅(qū)動(dòng)器的控制存儲(chǔ)器等。 DINOR DINOR(Divided bitline NOR)技術(shù)是 Mitsubishi 與 Hitachi 公司發(fā)展的專利技術(shù)，從一定程度上改善了 NOR 技術(shù)在寫性能上的不足。 DINOR 技術(shù) Flash Memory 和 NOR 技術(shù)一樣具有快速隨機(jī)讀取的功能，按字節(jié)隨機(jī)編程的速度略低于 NOR，而塊擦除速度快于 NOR。 DINOR 技術(shù) Flash Memory 在執(zhí)行擦除操作時(shí)無(wú)須對(duì)頁(yè)進(jìn)行預(yù)編程，且編程操作所需電壓低于擦除操作所需電壓，這與 NOR技術(shù)相反。 NAND 技術(shù) NAND Samsung、 TOSHIBA 和 Fujistu 支持 NAND 技術(shù) Flash Memory。這種結(jié)構(gòu)的閃速存儲(chǔ)器適合于純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)，主要作為 SmartMedia 卡、CompactFlash 卡、 PCMCIA ATA 卡、固態(tài)盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，并正成為閃速磁盤技術(shù)的核心。 UltraNAND 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 14 AMD 與 Fujistu 共同推出的 UltraNAND 技術(shù)，稱之為先進(jìn)的 NAND 閃速存儲(chǔ)器技術(shù)。它與 NAND 標(biāo)準(zhǔn)兼容：擁有比 NAND 技術(shù)更高等級(jí)的可靠性；可用來存儲(chǔ)代碼，從而首次在代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中體現(xiàn)出 NAND 技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)；它沒有失效塊，因此不用系統(tǒng)級(jí)的 查錯(cuò)和校正功能，能更有效地利用存儲(chǔ)器容量。 AND 技術(shù) AND 技術(shù)是 Hitachi 公司的專利技術(shù)。 Hitachi 和 Mitsubishi 共同支持 AND技術(shù)的 Flash Memory。 AND 技術(shù)與 NAND 一樣采用“大多數(shù)完好的存儲(chǔ)器”概念，目前，在數(shù)據(jù)和文檔存儲(chǔ)領(lǐng)域中是另一種占重要地位的閃速存儲(chǔ)技術(shù)。 存儲(chǔ)器的發(fā)展都具有更大、更小、更低的趨勢(shì)，這在閃速存儲(chǔ)器行業(yè)表現(xiàn)得尤為淋漓盡致。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，主流閃速存儲(chǔ)器廠家采用 μ m，甚至 m 的制造工藝。借助于先進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)， Flash Memory 的容量可以更大 ： NOR 技術(shù)將出現(xiàn) 256Mb 的器件， NAND 和 AND 技術(shù)已經(jīng)有 1Gb 的器件；同時(shí)芯片的封裝尺寸更?。簭淖畛?DIP 封裝，到 PSOP、 SSOP、 TSOP 封裝，再到 BGA 封裝， Flash Memory 已經(jīng)變得非常纖細(xì)小巧；先進(jìn)的工藝技術(shù)也決定了存儲(chǔ)器的低電壓的特性，從最初 12V 的編程電壓，一步步下降到 5V、 、 、 單電壓供電。這符合國(guó)際上低功耗的潮流，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。另一方面，新技術(shù)、新工藝也推動(dòng) Flash Memory 的位成本大幅度下降：采用 NOR技術(shù)的 Intel 公司的 28F128J3價(jià)格為 25美元， NAND 技術(shù)和 AND 技術(shù)的 Flash Memory 將突破 1MB 1美元的價(jià)位，使其具有了取代傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)器的潛質(zhì)。世界閃速存儲(chǔ)器市場(chǎng)發(fā)展十分迅速，其規(guī)模接近 DRAM 市場(chǎng)的 1/4，與 DRAM 和SRAM 一起成為存儲(chǔ)器市場(chǎng)的三大產(chǎn)品。 Flash Memory 的迅猛發(fā)展歸因于資金和技術(shù)的投入，高性能低成本的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，刺激了 Flash Memory 更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了行業(yè)的向前發(fā)展。 由 EEPROM 派生的閃速存儲(chǔ)器 EEPROM 具有很高的靈活性 ,可 以單字節(jié)讀寫（不需要擦除 ,可直接改寫數(shù)據(jù)） ,但存儲(chǔ)密度小 ,單位成本高。部分制造商生產(chǎn)出另一類以 EEPROM 做閃速存儲(chǔ)陣列的 Flash Memory,如 ATMEL、 SST 的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲(chǔ)器（ Small Sector Flash Memory）和 ATMEL 的海量存儲(chǔ)器（ DataFlash Memory）。這類器件具有 EEPROM 與 NOR 技術(shù) Flash Memory 二者折衷的性能特點(diǎn)： (1) 讀寫的靈活性遜于 EEPROM,不能直接改寫數(shù)據(jù)。在編程之前需要先進(jìn)行頁(yè)擦除 ,但與NOR 技術(shù) Flash Memory的塊結(jié)構(gòu)相比其頁(yè)尺寸小 ,具有快速隨機(jī)讀取和快編程、西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 快擦除的特點(diǎn)。（ 2） 與 EEPROM 比較 ,具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。（ 3） 存儲(chǔ)密度比 EEPROM 大 ,但比 NOR 技術(shù) Flash Memory 小 ,如 Small Sector Flash Memory的存儲(chǔ)密度可達(dá)到 4Mb,而 32Mb 的 DataFlash Memory 芯片有試用樣品提供。正因?yàn)檫@類器件在性能上的靈活性和成本上的優(yōu)勢(shì) ,使其在如今閃速存儲(chǔ)器市場(chǎng)上仍占有一席之地。 Small Sector Flash Memory 采用并行數(shù)據(jù)總線和頁(yè)結(jié)構(gòu)（ 1頁(yè)為 128或 256B） ,對(duì)頁(yè)執(zhí)行讀寫操作 ,因而既具有 NOR 技術(shù)快速隨機(jī)讀取的優(yōu)勢(shì) ,又沒有其編程和擦除功能的缺陷 ,適合代碼存儲(chǔ)和小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ,廣泛地用以替代 EPROM。 DataFlash Memory 是 ATMEL的專利產(chǎn)品 ,采用 SPI 串行接口 ,只能依次讀取數(shù)據(jù) ,但有利于降低成本、增加系統(tǒng)的可靠性、縮小封裝尺寸。主存儲(chǔ)區(qū)采取頁(yè)結(jié)構(gòu)。主存儲(chǔ)區(qū)與串行接口之間有 2 個(gè)與頁(yè)大小一致的 SRAM 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。特殊的結(jié)構(gòu)決定它存在多條讀寫通道：既可直接從主存儲(chǔ)區(qū)讀 ,又可通過緩沖區(qū)從主存儲(chǔ)區(qū)讀或向主存儲(chǔ)區(qū)寫 ,兩個(gè)緩沖區(qū)之間可以相互讀或?qū)?,主存儲(chǔ)區(qū)還可借助緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。適合于諸如答錄機(jī)、尋呼機(jī)、數(shù)字相機(jī)等能接受串行接口和較慢讀取速度的數(shù)據(jù)或文件存儲(chǔ)應(yīng)用。 FPGA 和 flash 芯片選型 FPGA 芯片選型 FPGA 的兩大供應(yīng)商分別是 Altera 公司和 Xilinx 公司，這兩家公司均來自美國(guó)，占據(jù)了可編程器件的主流市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)是基于 Altera 公司的 Cyclone II 芯片進(jìn)行的，它屬于目前主流的中端 FPGA 芯片。 Cyclone II 芯片采用了 90nm 工藝，相對(duì)于 130nm 工藝的 Cyclone 系列來講，片內(nèi)的邏輯單元的數(shù)量 大幅增加，最多可以達(dá)到 68416 個(gè)邏輯單元，片內(nèi)的存儲(chǔ)器容量最多增加至 ，用戶可用引腳最多增加至 622 個(gè)。 Cyclone II 系列器件內(nèi)部帶有乘法器，這些乘法器能用于完成高速乘法操作，使得 Cyclone II 系列器件的數(shù)字信號(hào)處理能力得到了增強(qiáng)。此外， Cyclone II 系列器件還支持 Nios II 嵌入式處理器，在一個(gè) FPGA 芯片內(nèi)部可以嵌入 1 個(gè)或多個(gè) Nios II 處理器。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況后決定采用 Cyclone II 的 EP2C8Q208C8 這款 FPGA芯片，該芯片選用了 208 管腳的 PQFP 封裝，它內(nèi)部具有 8256 個(gè)邏輯單元， 18個(gè)乘法器， 2 個(gè)鎖相環(huán)，總引腳 208 個(gè)，用戶可用引腳達(dá)到了 182 個(gè)。 Flash 芯片選型 Flash 是一種具有電可擦除的可編程 ROM，可以分為兩大類：并行 Flash 和串行 Flash。并行 Flash 存儲(chǔ)量大，速度快；而串行 Flash 存儲(chǔ)量相對(duì)較小，但體積小，連線簡(jiǎn)單，可減小電路面積，節(jié)約成本，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可依據(jù)實(shí)際需要選取。本文開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)速度的要求不是很高，而對(duì)電路板的面積要求則較為苛刻，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了串行 FlashM25P80。 M25P80 是意法半導(dǎo)體推出的一款高速 8 Mbit 串行 Flash，共由 16 部分組成，每一部分有 256 頁(yè)，每頁(yè)有 256 個(gè)字節(jié)。 M25P80 具有先進(jìn)的寫保護(hù)機(jī)制，讀取數(shù)據(jù)的最大時(shí)鐘速率為 40 MHz。 M25P80 的工作電壓范圍為 V～ V，具有整體擦除和扇區(qū)擦除、靈活的頁(yè)編程指令和寫保護(hù)功能，數(shù)據(jù)保存至少 20年，每個(gè)扇區(qū)可承受 100 000 次擦寫循環(huán)。并行 Flash 封裝通常需要 28 個(gè)以上的引腳，因此，額外支出大，而 M25P80 采用 SO8 封裝，需要的引腳數(shù)較少，從