基于NOR Flash存储器与MCS-51单片机之间的接口设计
引言
flash存储器又称闪速存储器，是20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不挥发存储器。它兼有ram和rom的特点，既可以在线擦除、改写，又能够在掉电后保持数据不丢失。
nor flash是flash存储器中最早出现的一个品种，与其他种类的flash存储器相比具有以下优势：可靠性高、随机读取速度快，可以单字节或单字编程，允许cpu直接从芯片中读取代码执行等。因此nor flash存储器在嵌入式系统应用开发中占有非常重要的地位。本文以sst公司的nor flash芯片sst39sf040和mcs-51单片机为例，针对大容量norflash在8位低档单片机中应用的特殊性，详细介绍了其接口硬件和接口软件的设计方法。
1 sst39sf040芯片介绍
sst39sf040是sst公司最近推出的一种基于superflash技术的norflash存储器，属于sst公司并行闪速存储器系列；适用于需要程序在线写入或大容量、非易失性数据重复存储的场合。
1.1 芯片内部功能结构和外部引脚
图1是sst39sf040的内部功能结构框图，由super-flash存储单元、行译码器、列译码器、地址缓冲与锁存器、输入/输出缓冲和数据锁存器以及控制逻辑电路等部分组成。图2是其外部引脚分布图，其中a18～a0为地址线，ce为芯片选通信号，oe可作为读信号，we为写信号，dq7～dq0为数据线。
1.2 芯片的主要特性
① 容量为512kb，按512k×8位结构组织。
② 采用单一的5v电源供电，编程电源vpp在芯片内部产生。
③ 芯片可反复擦写100000次，数据保存时间为100年。
④ 工作电流典型值为10ma，待机电流典型值为30μa。
⑤ 扇区结构：扇区大小统一为4kb。
⑥ 读取、擦除和字节编程时间的典型值：数据读取时间为45～70 ns；扇区擦除时间为18ms，整片擦除时间为70ms；字节编程时间为14μs。
⑦ 有记录内部擦除操作和编程写入操作完成与否的状态标志位。
⑧ 具有硬、软件数据保护功能。
⑨ 具有地址和数据锁存功能。
1.3 芯片的操作
1.3.1 芯片的软件操作命令序列
sst39sf040的软件操作可以分成两类：普通读操作和命令操作。
普通读操作非常简单，与ram的读操作类似，当oe和ce信号同时为低电平时，即可从芯片读出数据。
芯片的命令操作包括芯片的识别、字节编程、扇区擦除以及整片擦除等。这些操作分别由各自的软件操作命令序列来完成，如表1所列。其中，ba为待编程字节的地址，data为字节编程数据，sax为待擦除扇区的地址。命令中的地址只有低15位有效，高4位可任意设置为“0”或“1”。
sst39sf040的软件操作命令序列实际上是由一个或多个总线写操作组成的。以sst39sf040的扇区擦除为例，其操作过程包括3个步骤：第1步，开启擦除方式，用表1中给出的第1至第5周期的总线写操作来实现；第2步，装载扇区擦除命令(30h)和待擦除扇区的地址，用其对应的第6周期的总线写操作来实现；第3步，进行内部擦除。内部擦除时间最长为25ms。
总线写操作时，oe必须保持为高电平，ce和we应为低电平。地址和数据的锁存由ce和we两个信号的边沿进行控制。它们当中后出现的下降沿将锁存地址，先出现的上升沿将锁存数据。
1.3.2 字节编程和擦除操作的状态检测
芯片在进行内部字节编程或擦除操作时都需要花费一定的时间，虽然可以采用固定的延时来等待这些操作的完成，但为了优化系统的字节编程和擦除操作时间，以及时判断内部操作的完成与否，sst39sf040提供了两个用于检测的状态位，即跳变位dq6和数据查询位dq7。在芯片进行内部操作时，只要根据图3的流程对dq6或者dq7进行查询就能及时作出判断。
2 sst39sf040与mcs-51的接口设计
2.1 硬件设计
硬件设计就是搭建合适的接口电路，将sst39sf040连接到mcs-51的系统总线上。根据sst39sf040和mcs-51系列单片机的结构特性，我们发现sst39sf040的数据线和读、写信号线可以很容易地连接到mcs-51的系统总线上，所以要考虑的主要问题是sst39sf040地址线的连接。由于其容量已经超出了mcs-51的寻址范围，19根地址线无法全部连接到mcs-51的地址总线上，因此必须在该系统中进行进一步的存储器扩展。存储器扩展通常可利用单片机空闲的i/o口线作为页面地址输出引脚来实现。但是许多应用系统当中，单片机的i/o口线都是非常紧张的，在没有多余的i/o口线时，页面地址就必须提前从数据总线输出并存放在锁存器中备用。具体做法是：将锁存器直接挂在数据总线上，为其安排一个i/o地址，从而构成页面寄存器，在访问存储器时，提前将页面地址作为数据写入页面寄存器即可。
根据以上分析可设计出sst39sf040与mcs-51之间的接口电路，如图4所示。本系统中，将512 kb的存储器分为32页面，每页大小为16 kb。由此可得，页面地址需要5位，页内偏移量需要14位。页面地址的给出是在进行存储器访问之前完成的，具体的方法是：用一条“movx”’命令将页面地址输出到锁存器74ls374中，再由74ls374将页面地址保持在存储器的地址引脚a14～a18上。页内偏移量则直接在存储器的读写命令中给出，执行命令时，低8位地址a0～a7从p0口输出到74ls373中保持；地址a8～a13则由单片机的p2.0～p2.5直接提供。以上分时输出的地址信号a0～a18将在读/写控制信号开始作用后，同时有效，以实现对sst39sf040的512kb全地址空间的访问。p2.6和p2.7分别用作skt39sf040和锁存器74ls374的片选信号，sst39sf040的片选信号地址范围是8000h～bfffh，74ls374的片选信号地址范围是4000h～7fffh。
2.2 软件设计
软件设计就是编写对sst39sf040的操作程序，包括字节读出、扇区或整片擦除以及字节编程等。下面给出第1个扇区的擦除程序，其中delay25为25ms延时子程序，其他操作程序可参照编写。
程序编写过程中的难点是，如何将sst39sf040中待访问的单元地址进行分解并对应到读写命令中去。以扇区擦除操作的第1个命令为例，该命令的功能是将数据aah写入地址5555h中。对于地址5555h，其最高5位a18～a14是01h，低14位a13～a0为1555h。最高5位地址决定的页面号必须先作为数据写入锁存器74ls374中，再将数据aah写入该页中由低14位地址决定的单元。写入页面号时，指令中的地址可在4000h～7fffh范围内任选一个，即选中锁存器74ls374；写人数据aah时，指令中的地址可由低14位地址1555h加上8000h得到，其值为9555h。
结 语
本文从硬件和软件两个方面对大容量norflash存储器与8位单片机的接口技术进行了分析、探讨，给出了具体的设计方案。其思想和方法对嵌入式系统的应用设计具有较高的参考价值，笔者已将它应用到一款考勤机产品的设计开发当中。
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1 sst39sf040芯片介绍
sst39sf040是sst公司最近推出的一种基于superflash技术的norflash存储器，属于sst公司并行闪速存储器系列；适用于需要程序在线写入或大容量、非易失性数据重复存储的场合。
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图1是sst39sf040的内部功能结构框图，由super-flash存储单元、行译码器、列译码器、地址缓冲与锁存器、输入/输出缓冲和数据锁存器以及控制逻辑电路等部分组成。图2是其外部引脚分布图，其中a18～a0为地址线，ce为芯片选通信号，oe可作为读信号，we为写信号，dq7～dq0为数据线。
1.2 芯片的主要特性
① 容量为512kb，按512k×8位结构组织。
② 采用单一的5v电源供电，编程电源vpp在芯片内部产生。
③ 芯片可反复擦写100000次，数据保存时间为100年。
④ 工作电流典型值为10ma，待机电流典型值为30μa。
⑤ 扇区结构：扇区大小统一为4kb。
⑥ 读取、擦除和字节编程时间的典型值：数据读取时间为45～70 ns；扇区擦除时间为18ms，整片擦除时间为70ms；字节编程时间为14μs。
⑦ 有记录内部擦除操作和编程写入操作完成与否的状态标志位。
⑧ 具有硬、软件数据保护功能。
⑨ 具有地址和数据锁存功能。
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1.3.1 芯片的软件操作命令序列
sst39sf040的软件操作可以分成两类：普通读操作和命令操作。
普通读操作非常简单，与ram的读操作类似，当oe和ce信号同时为低电平时，即可从芯片读出数据。
芯片的命令操作包括芯片的识别、字节编程、扇区擦除以及整片擦除等。这些操作分别由各自的软件操作命令序列来完成，如表1所列。其中，ba为待编程字节的地址，data为字节编程数据，sax为待擦除扇区的地址。命令中的地址只有低15位有效，高4位可任意设置为“0”或“1”。
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结 语
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