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利用C8051F020的SPI接口扩展大容量数据存储器

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引言

        在以网络通讯、软件和微电子为主要标志的信息产业飞速发展的今天，以为微处理器为核心的嵌入式系统随处可见，这些系统应用的典型例子包括移动电话系统、汽车的应用、家用电器、航天应用、医疗设备和国防系统等[1]。作为嵌入式系统核心部分的微处理器分为8位，16位，32位和64位四大类。对于很大一部分应用领域，性能要求相对较低，而产品成本是最重要的考虑因素，这种情况下8位微处理器将是最佳选择。在8位微处理器中8051芯片家族具有低成本、大范围、易获得和应用广泛的特点，是开发嵌入式优秀平台。另外需要指出的是为了适应目前IC产业中流行的SOC（system on a chip）设计潮流，许多著名半导体公司纷纷推出了基于8051架构的8051 SOC芯片，其中美国SILICON LAB公司的C8051Fxxx系列单片机就是一例。

        在8051芯片家族的实际应用中经常遇到的问题是没有足够的数据存储器用于支持较大的嵌入式系统。但是采用常规的扩展外部数据存储器的方法存在一个较大的引脚资源问题（其通常占用了18条引脚）。这对于以外部引脚数本就不多的微处理器为核心的嵌入式系统来说是致命的。

        为了解决这一矛盾，本文C8051F 单片机和AT45DB081芯片为例，以介绍了一种利用串行外设接口（SPI）扩展大容量数据存储器的方法。

硬件简介

        C8051F 系列单片机[2]是完全集成的混合信号SOC芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP－51内核。它在一个芯片集成了构成一个数据采集或控制系统所需的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件。这些部件包括：ADC，可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、PCA、内部振荡器、WDT和电源监视器等。各个有输入/输出的内部部件可以通过交叉开关配置到I/O端口（P0、P1和P2）的外部引脚上。它内置了FLASH程序存储器、内部RAM，部分器件内部还有一定数量的位于外部数据存储器空间的XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。这种真正能独立工作的SOC单片机使得设计体积小、功耗低、可靠性高的单片机系统变得方便。

        AT45DB081[3]是ATMEL公司推出的工作电压为2.7～3.6V、可在系统重写的SPI兼容的FLASH数据存储器。它具有4096页、每页264字节（共计8M字节）的主存储器容量以及2个264字节的SRAM数据缓存器。这种串联接口FLASH存储器十分适用于要求存储密度高、引脚资源占用少、电源电压低和功耗小的商业和工业应用领域。

硬件原理图

        C8051F单片机（以C8051F020为例）与AT45DB081的硬件原理图见图1所示。

图1 C8051F020和AT45DB081的硬件连接原理图

        图中将C8051F020的P0.2、P0.3和P0.4引脚通过交叉开关配置为SPI的CLK（串行时钟）、MISO（主出从入）和MOSI（主出从入）信号线，分别与AT45DB081的时钟、串行输出和串行输入引脚相连。将P3.0、P3.1和P3.2与AT45DB081的芯片复位、片选和忙闲状态引脚相连。

        单片机通过SPI与存储器间启动一次数据传输的过程为先将SPI标志为SPIF清零，然后向数据寄存器SPI0DAT写入一个字节，当SPIF由硬件置1表示一次传输结束。

软件编程

         AT45DB081的操作方式及操作码

        对于AT45DB081，共有十种操作方式，见表1所示。

        表1 AT45DB081的操作方式及操作码

软件流程图及示例

        C8051F单片机对AT45DB081进行数据读写操作的软件流程图如图2所示。

        图2中系统初始化包括系统时钟初始化、设置交叉开关表将P0.2、P0.3和P0.4引脚配置为SPI接口，设置SPI特殊状态寄存器和复位数据存储器。

       单片机通过P3.1读取AT45DB081的忙闲状态引脚来判断存储器是否空闲，若P3.2为"1"表示存储器空闲，否则表示存储器忙。当存储器空闲时通过P3.1引脚输出"0"选中存储器。

        选中存储器后可以通过SPI发送命令字，表1所示的10种操作对应的命令字见文献[3]。下面以表1中的第二种操作为例给出命令字示例：操作码（54H）、15位无效位、9位缓存器内某字节的地址、8位无效数。当发送完命令字后可以读取数据。

图2 对AT45DB081进行数据读写操作的软件流程图

        表1中的第二种操作为例的软件示例（部分）如下。

void SendSPIByte(unsigned char ch) // 通过SPI发送一个字节数据

{

SPIF = 0; // SPIF位清零

SPI0DAT = ch; // 启动一次数据发送

while (SPIF == 0); // 等待数据发送完毕

}

unsigned char GetSPIByte(void) //通过SPI接收一个字节数据

{

SPIF = 0; // SPIF位清零

SPI0DAT = 0; //启动一次数据接收

while (SPIF == 0); // 等待数据接收完毕

return SPI0DAT; // 读取SPI接收到的数据

}

SendSPIByte(54H); //发送操作码52H

SendSPIByte(0x00); //发送8位无效位

SendSPIByte((unsigned char)(star_addr>>8)); //发送7位无效位和第一位地址位

SendSPIByte((unsigned char)star_addr); //发送后8位地址位

SendSPIByte(0x00); //发送8位无效位

Data＝GetSPIByte(); //读取缓存器中数据

        示例中star_addr为unsigned int型数据，其低9位用于存放地址位。

结论

        本文介绍的方法在占用C8051F单片机引脚数极少的情况下实现了大容量外部存储器的扩展，并给出了软件流程图及示例。这种方法同样可应用于其它带有SPI接口电路的微处理器。现在我们正将这种方法应用到以C8051F020为核心的嵌入式数据采集系统中。

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