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串行FLASH SSF1101在單片機
摘要：SSF1101是存儲容量為4Mbit的SPI串行接口FLASH存儲器,其IC卡封裝形式可作為單片機系統的大容量數據存儲卡。文中介紹了該器件的主要特性和工作原理，并以IC卡封裝形式為例，給出了其與單片機的接口電路及相應的讀寫程序。關鍵詞：串行FLASH 單片機 IC卡
１ 概述
對于野外移動工作或不便與上位機通信的單片機數據采集系統，使用一個大容量、可插拔、便于更換和攜帶的智能卡來存儲采集到的數據，是一個較好的數據存儲方案。ＳＳＦ１１０１是上海新茂半導體有限公司生產的４Ｍｂｉｔ串行接口可編程閃速存儲器，該器件采用ＳＰＩ串口模式與單片機或微機通信，無需任何外圍元件。利用該器件提供的ＩＣ卡封裝形式，可非常方便地和單片機系統進行接口以構成大容量的數據存儲裝置。同時，該芯片具有封裝尺寸小、集成度高、電壓低、存儲容量大、接口方式簡單等優點，在商業和工業領域具有廣泛的應用前景。
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２ 性能特點
ＳＳＦ１１０１是一個４Ｍｂｉｔ的串行ＦＬＡＳＨ存儲器，具有４根器件識別腳，可在一個系統中最多能擴展１６片，其總存儲容量可達８Ｍ字節，該器件的性能特點如下：
●ＳＰＩ串行數據接口符合ＳＰＩ標準；
●器件內具有４Ｍ Ｂｉｔ 閃速存儲器，５１２頁，每頁１０２４字節；
●內置４位器件地址譯碼電路，可直接并聯擴展存儲容量，最多可連接１６片；
●帶有雙１ｋ字節的數據緩沖器，可在編程期間寫入或讀取數據，且讀取／寫入地址自動遞增；
●高速頁面編程，典型時間為２０ｍｓ；
●高速頁面到數據緩沖器的傳輸典型時間為１００μｓ；
●頁面擦除典型時間為１０ｍｓ；
●器件擦除典型時間為２ｓ；
●內置擦除／編程時序邏輯；
●可硬件寫保護；
●時鐘頻率最高達１０ＭＨｚ；
●采用單５Ｖ電源工作，并有低電壓２．７～３．５Ｖ可供選擇；
●低功耗，休眠電流典型值為１８μＡ；
●與ＣＭＯＳ電平和ＴＴＬ輸入／輸出電平兼容；
●工作溫度很寬（商用）；
●內置上電復位電路；
●在數據緩沖器和主Ｆｌａｓｈ之間進行傳送或比較時，可對未用的數據緩沖器和狀態寄存器進行操作。
ＳＳＦ１１０１采用３２腳ＴＳＯＰ封裝和ＩＣ卡封裝兩種形式，其ＴＳＯＰ封裝外形及引腳排列如圖１（ａ）所示，ＩＣ卡的觸點配置如圖１（ｂ）所示。器件的引腳功能說明見表１所列。
表1 SSF110引腳說明
描 述
1 RDY/BUSY O 閑/忙指示，此腳為低時表示器件忙，不能閃存進行操作 2 RST I 復位，低有效 3 WP I 寫保護，高有效。此信號有效時不能對閃存進行寫擦除操作 6 Vcc I 電源 7,8 GND I 地 4,5,9,10 ID0～ID3 I 芯片地址A0～A3，只有命令中的Device ID和ID0～ID3引腳電平一致時，命令才會被器件接受 11 TM I 測試引腳，正常使用時接地 12 CS I 片選，低有效，命令輸入后應重新置為高電平 13 SCK I 串行輸入數據時鐘 14 SI I 數據輸入，命令和數據都由此腳串行輸入 15 SO O/Z 串行數據輸出，三態 16～32 NC Z 空腳３ 工作原理
ＳＳＦ１１０１具有４１９４３０４位主存儲單元，分成５１２頁面、每頁面１０２４個字節。此外ＳＳＦ１１０１還包含有２個ＳＲＡＭ緩沖器，每個緩沖器有１０２４個字節，當主存儲器內的１頁正被編程時，緩沖器照樣能接收輸入數據。ＳＳＦ１１０１使用ＳＰＩ串口訪問它的數據，因而硬件設計十分方便，系統可靠性很強，并可把開關噪聲降到最低。該芯片在編程期間，不需要高電壓，而編程電壓仍為電源電壓。 圖２所示是ＳＳＦ１１０１存儲器的內部結構框圖。
ＳＳＦ１１０１通過簡單的ＳＰＩ串行口進行數據存取，器件的操作由主機發出的指令控制，一個有效指令包括一字節４位操作碼、４位器件地址以及目的緩沖器或主儲器地址位置。當ＣＳ為０時，主機向器件ＳＣＫ端發送時鐘信號，以引導操作碼和地址從ＳＩ端寫入到器件中。所有指令地址和數據都是先送高位。ＳＳＦ１１０１的操作命令如表２所列。表中的Ｘ可取任意值，它對器件操作沒有影響。
表2 SSF1101操作命令表
３．１ 狀態寄存器（ＳＲ）
ＳＳＦ１１０１具有一個８ｂｉｔ的狀態寄存器，可用于指示器件的工作狀態。該寄存器可通過“狀態寄存器讀”命令讀出寄存器中的內容。寄存器內容及定義如下：
ＢＦ： 忙標志，為１時，表示器件忙，無法執行對閃存的操作命令；
ＣＦ：比較標志，為１時，表示緩沖區中的內容和指定的被比較的閃存頁面不一致；
ＷＰＦ：寫保護標志，為１表示器件處于硬件寫保護狀態；
Ｂｉｔ２～Ｂｉｔ０：容量指示位，為全１表示閃存容量為４Ｍｂｉｔ；
Ｒｅｓ：保留位，暫為０１；
當器件正確上電復位后，ＳＲ為 ００００１１１１Ｂ。
３．２ 命令操作說明
（１）緩沖區傳送
緩沖區傳送分為三種，首先通過閃存到緩沖區的傳送命令可把指定閃存頁面中的內容拷貝到緩沖區１或緩沖區２中，傳送到緩沖區１的命令碼為：１１００ｄｄｄｄ ＰＡ１１－ＰＡ０ ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ，共３２位， 并繼續保持ＳＣＫ到至少第３５個周期。其中的ＰＡ１１ － ＰＡ０為指定被傳送的閃存頁面， 如果超出器件的范圍，則自動取模。當ＣＳ被置高后，傳送操作開始， 同時狀態寄存器中的ＢＦ位有效。 完成傳送操作大約需要１００μｓ， 完成后，ＢＦ標志清零（下述命令中，如沒有特別指出，其命令碼含義及操作時序均與此相同，此外針對緩沖區２的操作僅命令不同，其余部分完全相同，下述命令均相同）。
使用內建擦除周期的從緩沖區到閃存傳送命令時，一般先使用內建的擦除周期擦除指定的閃存頁面，然后把緩沖區中的內容拷貝到指定的閃存頁面中。
不使用內建擦除周期的從緩沖區到閃存傳送命令時，可直接把緩沖區中的內容拷貝到指定的閃存頁面中。
（２）讀寫緩沖區
讀緩沖區命令用于讀取緩沖區１（或２）中的一個或多個字節數據，命令碼為：
１１１０ｄｄｄｄＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＢＡ１１－ＢＡ０。
其中，ＢＡ１１－ＢＡ０ 用于指定從緩沖區中讀取數據的開始地址，如果超出緩沖區大小則自動取模。器件在第３５個ＳＣＫ的下降沿開始從ＳＯ引腳輸出數據，且高位在前。讀取一個字節后，緩沖區地址自動加１，然后繼續輸出下一地址的數據。如到達緩沖區的尾部， 則自動返回到緩沖區的起始地址。輸出最后一個字節后需額外的３～７個脈沖。
寫緩沖區命令用于將一個或多個字節數據寫入緩沖區１（或２）中，命令碼為：
０１１０ｄｄｄｄＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＢＡ１１－ＢＡ０
其中，ＢＡ１１－ＢＡ０用來指定寫入緩沖區的開始地址，如果地址超出緩沖區大小則自動取模。器件在第３３個ＳＣＫ的上升沿開始從ＳＩ引腳接收數據（高位在前），接收一個字節后寫入緩沖區， 并自動對緩沖區地址加１后繼續接收下一地址的數據。如果到達緩沖區的頁尾，則自動返回到緩沖區的起始地址。輸出最后一個字節后需額外的３～７個脈沖。
（３）閃存直接讀
閃存直接讀命令用于直接從閃存頁面中讀取數據，而不通過緩沖區，也不影響緩沖區中的內容。其命令碼為：
０００１ｄｄｄｄ ＰＡ１１－ＰＡ０ ＢＡ１１－ＢＡ０。
其中，ＰＡ１１－ＰＡ０用于指定被操作的閃存頁面， 如果超出器件的范圍，則自動取模；ＢＡ１１－ＢＡ０則用來指定從頁面內讀取數據的開始地址，同樣， 如果超出頁面大小則自動取模。器件在第３５個ＳＣＫ的下降沿開始從ＳＯ引腳輸出數據， 高位在前。 輸出一個字節后頁面內數據地址自動加１，然后繼續輸出下一地址的數據。如果到達頁尾，則自動返回到頁初地址。
（４）比較閃存頁面和緩沖區
此命令用于比較指定的閃存頁面和緩沖區內的數據是否相同，在被置高后開始比較， 同時ＢＦ被置１。如果比較結果為不相同，則狀態寄存器的ＣＦ位被置１， 否則ＣＦ清零， 比較結束后ＢＦ清零。
（５）讀狀態寄存器
狀態寄存器讀命令用于讀出器件內狀態寄存器的值。
（６）片擦除
片擦除命令用于擦除閃存所有頁面的數據，一個擦除周期大約需要２ｓ。
４ 具體應用
ＳＳＦ１１０１由于具有５１２ｋｂｙｔｅ的大存儲容量，因此可廣泛應用于數字語音存儲、圖象存儲和數據存儲等應用領域，以構成大容量的單片機數據采集系統。由ＡＴ８９Ｃ５２單片機與ＳＳＦ１１０１構成的ＩＣ卡讀寫電路如圖３所示。
圖３中，ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２分別與ＳＳＦ１１０１ ＳＰＩ的接口ＳＩ、ＳＣＫ及ＳＯ端相連以實現簡單的三線串行通信，Ｐ１．３與ＣＳ相連用于控制對器件的訪問，圖中的Ｃ９與Ｃ１０是ＩＣ卡座的接通開關，當ＩＣ卡插入時開關閉合，Ｃ１端接入＋５Ｖ電源，ＳＳＦ１１０１上電復位后讀寫電路進入正常的讀寫狀態，當ＩＣ卡拔出后Ｃ１端經電阻Ｒ２向ＡＴ８９Ｃ５２的ＩＮＴ０端發出中斷請求，從而轉向掉卡中斷處理程序。下面的程序代碼為與上述硬件電路配套的讀寫ＩＣ卡程序：
；位定義
ＳＩ ＢＩＴ Ｐ１．０；串行數據輸入
ＳＣＫ ＢＩＴ Ｐ１．１；串行時鐘
ＳＯ ＢＩＴ Ｐ１．２；串行數據輸出
ＣＳ ＢＩＴ Ｐ１．３；片選控制
；內存定義
ＲＣＭＤ ＥＱＵ ３０Ｈ；讀卡命令單元
ＰＡＨ ＥＱＵ ３１Ｈ；閃存頁面高位單元
ＰＡＬ ＥＱＵ ３２Ｈ；閃存頁面低位單元
ＢＡＨ ＥＱＵ ３３Ｈ；閃存地址高位單元
ＢＡＬ ＥＱＵ ２４Ｈ；閃存地址低位單元
ＩＣＲＤＡＴＡ ＥＱＵ ２０Ｈ；讀寫數據緩沖區首址
ＮＵＭＢＥＲ ＥＱＵ ８０Ｈ；數據塊長度
；讀ＩＣ卡子程序，采用閃存直接讀方式
ＲＣＡＲＤ： ＳＥＴＢ ＣＳ
ＳＥＴＢ ＳＩ ；初始化ＳＰＩ
ＳＥＴＢ ＳＯ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＭＯＶ ＲＣＭＤ，＃１０Ｈ；“閃存直接讀”命令
ＭＯＶ ＤＡＨ，＃００Ｈ ；００頁面
ＭＯＶ ＤＡＬ，＃００Ｈ
ＭＯＶ ＢＡＨ，＃００Ｈ ；００地址
ＭＯＶ ＢＡＬ，＃００Ｈ
ＣＬＲ ＣＳ ；選中芯片
ＭＯＶ Ｒ０，＃ＲＣＭＤ ；指向命令單元
ＭＯＶ Ｒ１，＃０４Ｈ ；４字節命令
Ｔ ＲＣＭＤ： ＭＯＶ Ａ，＠Ｒ０
ＬＣＡＬＬ Ｓ ＯＵＴ ；調用發送子程序
ＩＮＣ Ｒ０
ＤＪＮＺ Ｒ１，Ｔ ＲＣＭＤ
ＭＯＶ Ｒ０，＃ＩＣＲＤＡＴＡ ；指向讀寫數據
緩沖區首址
ＭＯＶ Ｒ１，＃ＮＵＭＢＥＲ
ＲＩＣＤＡＴＡ： ＬＣＡＬＬ ＳＩＮ ；調用接收子程序
ＭＯＶ ＠Ｒ０，Ａ ；讀１２８字節數據到主機
ＩＮＣ Ｒ０
ＤＪＮＺ Ｒ１，ＲＩＣＤＡＴＡ
ＳＥＴＢ ＣＳ
ＲＥＴ
；寫ＩＣ卡子程序；數據首先寫入緩沖區，再使用內建擦除周期的從緩沖區１到內存傳送命令寫入主存
ＷＣＡＲＤ： ＳＥＴＢ ＣＳ
ＳＥＴＢ ＳＩ
ＳＥＴＢ ＳＯ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＭＯＶ ＲＣＭＤ，＃６０Ｈ ；“寫緩沖區１”命令
ＭＯＶ ＢＡＨ，＃００Ｈ ；寫００Ｈ地址
ＭＯＶ ＢＡＬ，＃００Ｈ ；單元
ＣＬＲ ＣＳ
ＭＯＶ Ｒ０，＃ＲＣＭＤ
ＭＯＶ Ｒ１，＃０４Ｈ
Ｔ ＲＣＭＤ１： ＭＯＶ Ａ，＠Ｒ０
ＬＣＡＬＬ Ｓ ＯＵＴ
ＩＮＣ Ｒ０
ＤＪＮＺ Ｒ１，Ｔ ＲＣＭＤ
ＭＯＶ Ｒ０，＃ＩＣＲＤＡＴＡ；指向讀寫緩沖區
ＭＯＶ Ｒ１，＃ＮＵＭＢＥＲ
Ｔ ＲＤＡＴＡ： ＭＯＶ Ａ，＠Ｒ０
ＬＣＡＬＬ Ｓ ＯＵＴ
ＩＮＣ Ｒ０
ＤＪＮＺ Ｒ１，Ｔ－ＲＤＡＴＡ
ＳＥＴＢ ＳＣＫ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＳＥＴＢ ＳＣＫ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＳＥＴＢ ＳＣＫ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＭＯＶ ＲＣＭＤ，＃０Ａ０Ｈ
ＭＯＶ ＤＡＨ，＃００Ｈ
ＭＯＶ ＤＡＣ，＃００Ｈ
ＣＬＲ ＣＳ
ＭＯＶ Ｒ０，＃ＲＣＭＤ
ＭＯＶ Ｒ１，＃０４Ｈ
Ｔ ＲＣＭＤ２： ＭＯＶ Ａ，＠Ｒ０
ＬＣＡＬＬ Ｓ ＯＵＴ
ＩＮＣ Ｒ０
ＤＪＮＺ Ｒ１，Ｔ－ＲＣＭＤ
ＳＥＴＢ ＣＳ
ＬＣＡＬＬ ＤＬ３０ＭＳ ；延時３０ｍｓ
ＲＥＴ
；接收一字節數據程序
Ｓ－ＩＮ： ＭＯＶ Ｒ６，＃８
ＲＳＨＩＦＴ： ＭＯＶ Ｃ，ＳＯ
ＳＥＴＢ ＳＣＫ
ＲＬＣ Ａ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＤＪＮＺ Ｒ６，ＲＳＨＩＦＴ
ＲＥＴ
；發送一字節數據子程序
Ｓ ＯＵＴ： ＭＯＶ Ｒ７，＃８
ＴＳＨＩＦＴ： ＲＬＣ Ａ
ＭＯＶ ＳＩ，Ｃ
ＳＥＴＢ ＳＣＫ
ＮＯＰ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＮＯＰ
ＣＬＲ ＳＣＫ
ＤＪＮＡ Ｒ７，ＴＳＨＩＦＴ
ＲＥＴ
５ 結束語
ＳＳＦ１１０１串行閃速存儲器的串行ＩＣ卡封裝形式非常便于和單片機接口，以便構成便攜式數據存儲裝置，同時其較大的存儲容量也可滿足數據存儲量較大的應用系統要求，因而該器件在數據存儲領域有著較為廣泛的應用前景。
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