利用C8051F020的SPI接口擴展大容量數(shù)據(jù)存儲器
引言
在以網(wǎng)絡(luò)通訊、軟件和微電子為主要標(biāo)志的信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的今天，以為微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)隨處可見，這些系統(tǒng)應(yīng)用的典型例子包括移動電話系統(tǒng)、汽車的應(yīng)用、家用電器、航天應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備和國防系統(tǒng)等[1]。作為嵌入式系統(tǒng)核心部分的微處理器分為8位，16位，32位和64位四大類。對于很大一部分應(yīng)用領(lǐng)域，性能要求相對較低，而產(chǎn)品成本是最重要的考慮因素，這種情況下8位微處理器將是最佳選擇。在8位微處理器中8051芯片家族具有低成本、大范圍、易獲得和應(yīng)用廣泛的特點，是開發(fā)嵌入式優(yōu)秀平臺。另外需要指出的是為了適應(yīng)目前IC產(chǎn)業(yè)中流行的SOC（system on a chip）設(shè)計潮流，許多著名半導(dǎo)體公司紛紛推出了基于8051架構(gòu)的8051 SOC芯片，其中美國SILICON LAB公司的C8051Fxxx系列單片機就是一例。
在8051芯片家族的實際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的問題是沒有足夠的數(shù)據(jù)存儲器用于支持較大的嵌入式系統(tǒng)。但是采用常規(guī)的擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的方法存在一個較大的引腳資源問題（其通常占用了18條引腳）。這對于以外部引腳數(shù)本就不多的微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)來說是致命的。
為了解決這一矛盾，本文C8051F 單片機和AT45DB081芯片為例，以介紹了一種利用串行外設(shè)接口（SPI）擴展大容量數(shù)據(jù)存儲器的方法。
硬件簡介
C8051F 系列單片機[2]是完全集成的混合信號SOC芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP－51內(nèi)核。它在一個芯片集成了構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件。這些部件包括：ADC，可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時器、PCA、內(nèi)部振蕩器、WDT和電源監(jiān)視器等。各個有輸入/輸出的內(nèi)部部件可以通過交叉開關(guān)配置到I/O端口（P0、P1和P2）的外部引腳上。它內(nèi)置了FLASH程序存儲器、內(nèi)部RAM，部分器件內(nèi)部還有一定數(shù)量的位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的XRAM。C8051F單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過JTAG接口可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。這種真正能獨立工作的SOC單片機使得設(shè)計體積小、功耗低、可靠性高的單片機系統(tǒng)變得方便。
AT45DB081[3]是ATMEL公司推出的工作電壓為2.7～3.6V、可在系統(tǒng)重寫的SPI兼容的FLASH數(shù)據(jù)存儲器。它具有4096頁、每頁264字節(jié)（共計8M字節(jié)）的主存儲器容量以及2個264字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩存器。這種串聯(lián)接口FLASH存儲器十分適用于要求存儲密度高、引腳資源占用少、電源電壓低和功耗小的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
硬件原理圖
C8051F單片機（以C8051F020為例）與AT45DB081的硬件原理圖見圖1所示。
圖1 C8051F020和AT45DB081的硬件連接原理圖
圖中將C8051F020的P0.2、P0.3和P0.4引腳通過交叉開關(guān)配置為SPI的CLK（串行時鐘）、MISO（主出從入）和MOSI（主出從入）信號線，分別與AT45DB081的時鐘、串行輸出和串行輸入引腳相連。將P3.0、P3.1和P3.2與AT45DB081的芯片復(fù)位、片選和忙閑狀態(tài)引腳相連。
單片機通過SPI與存儲器間啟動一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程為先將SPI標(biāo)志為SPIF清零，然后向數(shù)據(jù)寄存器SPI0DAT寫入一個字節(jié)，當(dāng)SPIF由硬件置1表示一次傳輸結(jié)束。
軟件編程
AT45DB081的操作方式及操作碼
對于AT45DB081，共有十種操作方式，見表1所示。
表1 AT45DB081的操作方式及操作碼
軟件流程圖及示例
C8051F單片機對AT45DB081進行數(shù)據(jù)讀寫操作的軟件流程圖如圖2所示。
圖2中系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、設(shè)置交叉開關(guān)表將P0.2、P0.3和P0.4引腳配置為SPI接口，設(shè)置SPI特殊狀態(tài)寄存器和復(fù)位數(shù)據(jù)存儲器。
單片機通過P3.1讀取AT45DB081的忙閑狀態(tài)引腳來判斷存儲器是否空閑，若P3.2為“1”表示存儲器空閑，否則表示存儲器忙。當(dāng)存儲器空閑時通過P3.1引腳輸出“0”選中存儲器。
選中存儲器后可以通過SPI發(fā)送命令字，表1所示的10種操作對應(yīng)的命令字見文獻[3]。下面以表1中的第二種操作為例給出命令字示例：操作碼（54H）、15位無效位、9位緩存器內(nèi)某字節(jié)的地址、8位無效數(shù)。當(dāng)發(fā)送完命令字后可以讀取數(shù)據(jù)。
圖2 對AT45DB081進行數(shù)據(jù)讀寫操作的軟件流程圖
表1中的第二種操作為例的軟件示例（部分）如下。
void SendSPIByte(unsigned char ch) // 通過SPI發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)
{
SPIF = 0; // SPIF位清零
SPI0DAT = ch; // 啟動一次數(shù)據(jù)發(fā)送
while (SPIF == 0); // 等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
}
unsigned char GetSPIByte(void) //通過SPI接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)
{
SPIF = 0; // SPIF位清零
SPI0DAT = 0; //啟動一次數(shù)據(jù)接收
while (SPIF == 0); // 等待數(shù)據(jù)接收完畢
return SPI0DAT; // 讀取SPI接收到的數(shù)據(jù)
}
SendSPIByte(54H); //發(fā)送操作碼52H
SendSPIByte(0x00); //發(fā)送8位無效位
SendSPIByte((unsigned char)(star_addr>>8)); //發(fā)送7位無效位和第一位地址位
SendSPIByte((unsigned char)star_addr); //發(fā)送后8位地址位
SendSPIByte(0x00); //發(fā)送8位無效位
Data＝GetSPIByte(); //讀取緩存器中數(shù)據(jù)
示例中star_addr為unsigned int型數(shù)據(jù)，其低9位用于存放地址位。
結(jié)論
本文介紹的方法在占用C8051F單片機引腳數(shù)極少的情況下實現(xiàn)了大容量外部存儲器的擴展，并給出了軟件流程圖及示例。這種方法同樣可應(yīng)用于其它帶有SPI接口電路的微處理器?，F(xiàn)在我們正將這種方法應(yīng)用到以C8051F020為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
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