PIC單片機(jī)與串行閃存的SPI接口設(shè)計(jì)

引  言

PIC單片機(jī)以性能穩(wěn)定、品種眾多等特點(diǎn)在工業(yè)控制、儀器儀表、家電、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然很多型號(hào)自身集成了存儲(chǔ)器，但在很多情況下難以滿足系統(tǒng)對(duì)大容量存儲(chǔ)的要求，需要外擴(kuò)非易失性的存儲(chǔ)器。與并行Flash存儲(chǔ)器相比，串行Flash存儲(chǔ)器占用MCU引腳少，體積小，易于擴(kuò)展，接線簡(jiǎn)單，工作可靠，故而越來(lái)越多地應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。本文主要討論P(yáng)IC16F877A單片機(jī)與串行閃存M25P16之間的SPI通信，在要求大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)且MCU引腳資源有限的情況下具有實(shí)用價(jià)值。

1  SPI工作原理

SPI(Serial Peripheral Interface)是一種常用的串行通信協(xié)議，用于MCU系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，可用來(lái)連接存儲(chǔ)器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD驅(qū)動(dòng)器、傳感器，甚至其他處理器。SPI主要使用4個(gè)信號(hào)：MOSI(主機(jī)輸出／從機(jī)輸人)、MISO(主機(jī)輸入／從機(jī)輸出)、SCK(串行時(shí)鐘)和CS(片選)。其中，SCK由主機(jī)產(chǎn)生，作為傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘，控制所有數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)通過(guò)觸發(fā)從設(shè)備的CS決定二者之間的SPI傳輸是否能夠進(jìn)行。主機(jī)和外設(shè)都包含1個(gè)串行移位寄存器。主機(jī)通過(guò)向自己的SPI串行寄存器寫入1個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)起1次傳輸，然后通過(guò)MOSI信號(hào)線將數(shù)據(jù)傳給外設(shè)，同時(shí)外設(shè)將自己移位寄存器中的內(nèi)容通過(guò)MISO信號(hào)線返回給主機(jī)，如圖1所示。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就交換了。也就是說(shuō)，外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只進(jìn)行寫操作，則主機(jī)只需忽略收到的字節(jié)即可；如果主機(jī)要讀外設(shè)的數(shù)據(jù)，必須發(fā)送1個(gè)字節(jié)來(lái)引發(fā)從機(jī)的傳輸，發(fā)送的這個(gè)字節(jié)可以是任意數(shù)據(jù)。



2  M25P16簡(jiǎn)介

M25P16是16 Mb的串行閃存，具有先進(jìn)的寫保護(hù)機(jī)制，支持速度高達(dá)50 MHz的SPI總線的存取操作。該存儲(chǔ)器有32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)256頁(yè)，每頁(yè)256字節(jié)。工作電壓范圍2.7～3.6 V，工作溫度范圍-40～+85℃。數(shù)據(jù)保存長(zhǎng)達(dá)20年，每個(gè)扇區(qū)可擦寫／編程100 000次。

M25P16支持的操作指令共有12條。指令格式為：



其中，8位的命令字是必需的，地址、啞元以及數(shù)據(jù)字節(jié)的有無(wú)和長(zhǎng)度會(huì)因指令的不同而有所差別，詳情如表1所列。所有的命令碼、地址、串行輸入／輸出的數(shù)據(jù)，均是高位在前，低位在后。



對(duì)M25P16操作時(shí)，先選中芯片(即片選信號(hào)S拉低)，然后串行輸入操作指令字節(jié)，緊接著串行輸入地址字節(jié)(0或3字節(jié))，必要時(shí)還要加入啞讀字節(jié)，最后串行輸入／輸出數(shù)據(jù)字節(jié)，然后把片選信號(hào)拉高，之后M25P16啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，自行完成相應(yīng)的操作。

3 SPI硬件設(shè)計(jì)

PIC16F877A單片機(jī)具有非常完善的SPI接口(RC3／SCK、RC4／SDI、RC5／SDO、RA5／SS)，只有PIC16F877A作為從機(jī)時(shí)，RA5／SS引腳才作為SPI腳，PIC16F877A為主機(jī)時(shí)，SS可作為普通I／O使用。通過(guò)該接口，可比較容易地實(shí)現(xiàn)PIC16F877A與SPI Flash的通信。PIC16F877A與M25P16的硬件接口如圖2所示。其中，SCK、SDI、SDO為MCU的SPI專用引腳，分別與存儲(chǔ)器的對(duì)應(yīng)引腳相連，可選MCU的任意I／O腳作為存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，圖中選取RC2腳與存儲(chǔ)器的片選S相連，這樣，在SPI通信時(shí)只涉及MCU的C口，便于操作。M25P16的HOLD和W直接接高電平，表示不允許在S有效的情況下暫停SPI通信且整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)都沒(méi)有寫保護(hù)。

圖2中，VDD為+5 V，由于PIC16F877A工作在5 V電壓下，而M25P16的工作電壓范圍為2.7～3.6 V，二者不能直接相連。這里采用電阻分壓的方式，保證輸入M25P16的S、C、D腳的電壓在存儲(chǔ)器能承受且能識(shí)別的范圍內(nèi)，通過(guò)在M25P16向PIC16F877A輸入數(shù)據(jù)的SDO腳加上拉電阻，保證MCU可以識(shí)別M25P16輸出的高電壓，從而保證正常的SPI通信。如果MCU工作于3.3 V，則直接將二者的對(duì)應(yīng)引腳相連即可。



4  SPI軟件設(shè)計(jì)

在硬件連線正確的基礎(chǔ)上，要進(jìn)行SPI通信，還要對(duì)M25P16編寫驅(qū)動(dòng)程序，包括SPI初始化、讀M25P16的數(shù)據(jù)、向M25P16寫人數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的擦除等，這里使用C語(yǔ)言編程，編譯器選擇PICC，開發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE8.10。

PIC16F877A的SPI通信涉及4個(gè)寄存器：控制寄存器SSPCON、狀態(tài)寄存器SSPSTAT串行接收／發(fā)送緩沖器SSPBUF和移位寄存器SSPSR。其中，SSPCON的8位都是可讀可寫的，用于設(shè)置SSP處于主／從模式、時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘極性、SSP使能以及寫沖突檢測(cè)；SSPSTAT只有高2位可讀寫，低6位是只讀的。PIC16F877A處于接收模式時(shí)，SSPSR和SSPBUF構(gòu)成2級(jí)緩沖的接收器，SSPSR每收到1個(gè)完整的字節(jié)，就將該字節(jié)傳給SSPBUF，并將中斷標(biāo)志位SSPIF置1，可通過(guò)讀SSPBUF得到數(shù)據(jù)；877A處于發(fā)送模式時(shí)，寫SSPBUF操作會(huì)同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入SSPSR，觸發(fā)傳輸。下面結(jié)合具體的代碼進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(1)SPI初始化與讀寫函數(shù)


從SendByte和RcvByte函數(shù)的代碼中，可以看出數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是否完成，都是通過(guò)判斷STAT_BF標(biāo)志位(SSPSTAT寄存器的BF位，STAT_BF是在頭文件pic1687x．h中定義的名稱)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)據(jù)手冊(cè)中關(guān)于BF位的描述僅用于接收模式。這是由于PIC16F877A通過(guò)SDO發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)通過(guò)SDI讀人數(shù)據(jù)，當(dāng)1字節(jié)發(fā)送完成時(shí)，剛好接收1字節(jié)到SSPBUF，這時(shí)SSPBUF滿，BY被置為1，故可通過(guò)STAT_BF標(biāo)志判斷1字節(jié)是否發(fā)送完成。

(2)連續(xù)寫函數(shù)

M25P16的PP指令允許1次連續(xù)寫入不超過(guò)1頁(yè)(256字節(jié))的數(shù)據(jù)。寫人數(shù)據(jù)之前，首先要發(fā)出寫允許命令，然后才能執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作。數(shù)據(jù)寫入函數(shù)參數(shù)包括address(32位地址)、block(寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針)、n(一次連續(xù)寫入的字節(jié)數(shù)，n<256)。如果address的低8位不全為0，即不是從頁(yè)起始處寫，并且需要寫入的數(shù)據(jù)超出該頁(yè)剩余空間，則超出部分被丟棄。代碼如下：




其中，delay()為延時(shí)子函數(shù)，參數(shù)為ms級(jí)，delay(1)即延時(shí)1ms。加入延時(shí)，是為了保證存儲(chǔ)器在準(zhǔn)備好的情況下才進(jìn)行讀寫操作。



(3)連續(xù)讀函數(shù)

M25P16允許發(fā)出讀指令后，連續(xù)讀取數(shù)據(jù)，這一模式極大提高了總線效率。數(shù)據(jù)讀取函數(shù)的參數(shù)包括address：32位地址；block：讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針；n：一次連續(xù)讀取的字節(jié)數(shù)，代碼如下：




M25P16的連續(xù)讀操作與連續(xù)寫不同的是，無(wú)論READ還是FAST_READ，在起始地址處1字節(jié)的數(shù)據(jù)讀出后，會(huì)自動(dòng)尋址更高地址處的數(shù)據(jù)，故程序中無(wú)需address++語(yǔ)句。

除了對(duì)M25P16的初始化、讀寫之外，經(jīng)常還要對(duì)其進(jìn)行擦除操作，擦除有扇區(qū)擦除和整體擦除2種方式，執(zhí)行數(shù)據(jù)擦除將使內(nèi)部所有數(shù)據(jù)變?yōu)镕FH。擦除操作與寫操作類似，在此不再贅述。

結(jié)  語(yǔ)

本文介紹的M25P16與PIC16F877A的接口已應(yīng)用于自來(lái)水流量數(shù)據(jù)采集的本地存儲(chǔ)中。運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，對(duì)其他應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。