超大容量存储器K9F2G08U0M及其在管道通径仪中的应用

摘 要： 新型超大容量Flash存储器K9F2G08U0M的基本组织结构，给出了存储器与C8051F020单片机外部存储器接口(EMIF)的硬件连接方式以及存储器的主要操作流程和部分C语言代码。

关键词： K9F2G08U0M 外部存储器接口 管道通径仪

    闪存(Flash Memory)是一种可以进行电擦写并且掉电后信息不丢失(非易失，Non-Volatile)的存储器，具有功耗低、擦写速度快等特点，被广泛应用于外部存储领域。
    管道运输作为当前油气资源的主要输送手段，其运行安全性受到越来越多的重视。由于不同的要求使得铺设的管道直径不尽相同，并且管道在长期运行过程中也会存在各种变形，这对管道缺陷检测器的运行有相当大的影响，容易造成卡死等后果。通径仪就是鉴于此研制的记录管径变动情况的仪器。一般情况下，通径仪连续运行几百公里，相应记录的数据将达到上百兆字节。32MB、64MB的闪存已经不能满足需求。因此选用了Samsung公司开发的K9F2G08U0M，其单片容量高达264MB，可满足工程需求。
本文将介绍该存储器的主要性能及其在管道通径仪中的应用。
1 K9F2G08U0M存储器简介
    从接口角度看，虽然K9F2G08U0M的容量和寻址范围远远超过常见单片机的容量和寻址范围，但由于芯片上的写控制器能自动控制所有编程和擦除功能，提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间，而且只通过I/O接口接收单片机的命令和数据而不需要地址线，因此实际操作起来非常方便。另外芯片是通过“与非”单元结构增大容量，所以没有因此而削弱自身性能；芯片具有独立的1页大小的数据存储器和缓存存储器，因此可以在0.2ms内完成2112B的页编程操作，在 2ms内完成128KB的块擦除操作，同时数据区内的数据能以30ns/B的速度读出。
   整个存储区被分为2 048个相互独立的块，可从逻辑上和物理上对块的组织结构分类。
图1为块的逻辑结构，每个块分为64页，每页为2 112B(2 048B+额外存储区的64B)。芯片通过页地址和页内字节地址访问每一个字节。通常页地址称为行地址，而页内字节地址称为列地址，即264MB=2048块×64页/块×2112字节/页=217行×2112列。因此，行地址需要3个字节，列地址2个字节，输入顺序如表1所示。

   从物理结构上看，该芯片为“与非”结构存储器，每个块由两个“与非”结构串组成，每个“与非”结构串包含 16 896个“与非”结构，每个“与非”结构由32个基本单元(每个基本单元为1位)组成，这32个基本单元分别位于不同的页内，由此得到每个块的物理结构，如图2所示。

 
2 硬件连接设计
   管道通径仪的结构框图如图3所示。管道检测时MCU采集参数并存储在Flash中，检测完毕后通过USB接口传输至上位机进行数据分析。

    如前所述，对K9F2G08U0M的操作可以通过只向I/O接口发送数据(包括命令码、行列地址码等)来实现，因此最直接的方式是使用单片机的一个端口作为与芯片的数据接口，并以单片机的GPIO引脚连接CE、ALE、CLE以及，编程时按照手册中的时序图控制这些引脚。但是由于每次操作这些引脚都需要大量的控制线电平转换，使程序十分繁冗。
由于C8051F020提供了外部存储器接口(EMIF)，而接口时序由EMIF硬件产生，使其对片外扩展的器件操作像对内存单元的寻址一样简便快捷。下面采用这种硬件连接方式，对K9F2G08U0M的主要操作进行介绍。电路如图4所示，C8051F020只画出了EMIF接口部分，选用非复用方式，以 IO7~0作为数据线，CE、ALE、CLE作为地址线。由于通径仪中需要随时写入数据，因此写保护端接高电平。
采用外部存储器接口对器件编程时，最重要的是保证总线时序与器件时序一致。C8051F020的EMIF接口时序能够以系统时钟周期为单位编程，因此允许连接具有不同建立时间和保持时间要求以及不同/WR、/RD选通脉冲宽度的器件。

   单片机EMIF在非复用方式，一次片外XRAM 操作的最小执行时间为5 个SysClk 周期（用于或 脉冲的1 个SysClk+4个额外SysClk）。若单片机系统采用20MHz晶振，一次MOVX操作的最小执行时间为250ns，而K9F2G08U0M交流参数中最小建立保持时间的上界为100ns，则即使采用EMI0TC最小的时序参数也不需要在程序中额外加入延时指令。
3 软件设计
本系统采用C语言编程，提高了开发速度并降低了维护难度。下面分别介绍存储器的主要操作。
3.1 按页读
K9F2G08U0M中有一个2112B即1页大小的数据寄存器，这就决定了存储器的读操作是以1页为基本单元进行的。如图5所示，写入30H后，行地址所指定的页中的数据将在25?滋s内传输到数据寄存器中，然后在脉冲的作用下，不但可以从指定的列地址开始连续读到该页末尾，也可以按照流程图中的虚线部分输入随机读指令码，任意读取该页中的内容，并且不受次数限制。

下面是按页读操作函数的C语言代码。
sbit RdyorBsy=P0^0；
unsigned char xdata * data pK9F；
void PageRead(unsigned int ColAdd，unsigned long
RowAdd，unsigned int len)
{
unsigned int i=0；
unsigned char ColTemp，RowTemp；
ColTemp=(unsigned char)(ColAdd>>8)；
RowTemp=(unsigned char)(RowAdd>>16)；
ColTemp &=0x0F；
RowTemp &=0x01；

pK9F=0x8002；
 * pK9F=0x00；
pK9F=0x8001；
 * pK9F=(unsigned char)(ColAdd)；
 * pK9F=ColTemp；
 * pK9F=(unsigned char)(RowAdd)；
 * pK9F=(unsigned char)(RowAdd>>8)；
 * pK9F=RowTemp；
 pK9F=0x8002；
 * pK9F=0x30；

while(RdyorBsy)；
while(!RdyorBsy)；
pK9F=0x8000；
for(i=0；i
  OutputData[i]= * pK9F；
}
3.2 页编程
向器件写入数据时先将数据写入数据寄存器中，器件写入操作是基于页进行的，同时允许在一个页编程周期内对一页内的连续部分编程。若不进行擦除，则对同一页的连续部分编程不能超过4次。
器件支持在1页范围内的随机数据输入，由随机输入命令码85H启动，如图6中虚线框内部分所示，在1页范围内可以启动任意多次随机输入操作。数据输入完毕后，写入页编程确认命令10H，将数据寄存器中的内容写入存储区。写入完成后，需要读状态寄存器(通过写入70H实现)判断操作是否成功。若未能成功写入，应将当前块声明为坏块，并进行块数据替换操作，以保证整个系统的可靠性。
此外应注意，同一块内页编程时必须从地址最低的页开始向高地址的页依次编程，页地址随机的页编程是被禁止的。
下面是页编程子函数的C语言代码。

unsigned char PageWrite(unsigned int ColAdd，unsigned long
RowAdd)
{
unsigned int data i=0；
unsigned char data Status=0；
unsigned char data ColTemp，RowTemp；

ColTemp=(unsigned char)(ColAdd>>8)；
RowTemp=(unsigned char)(RowAdd>>16)；
ColTemp &=0x0F；
RowTemp &=0x01；

pK9F=0x8002；
 * pK9F=0x80；
pK9F=0x8001；
 * pK9F=(unsigned char)(ColAdd)；
 * pK9F=ColTemp；
 * pK9F=(unsigned char)(RowAdd)；
 * pK9F=(unsigned char)(RowAdd>>8)；
 * pK9F=RowTemp；
pK9F=0x8000；
for(i=0；i<2112；i++)
  * pK9F=InputData[i]；
pK9F=0x8002；
  * pK9F=0x10；

while(RdyorBsy)；
while(!RdyorBsy)；

pK9F=0x8002；
 * pK9F=0x70；
pK9F=0x8000；
Status=* pK9F；
Status &=0x01；
return (Status)；
}
3.3 块擦除
擦除操作以块为单位进行，由于器件分为2 048块，因此输入的地址码中只有A18~A2的11位有效，其余位将被忽略。通过输入确认命令码来启动擦除以防止误操作。块擦除流程如图7所示。同页编程操作类似，擦除完毕后也应该读状态寄存器并处理返回结果。

3.4 页复制
    页复制操作用来快速有效地实现页间数据移动，这是由于省去了比较费时的与片外设备之间的读写操作。这一特性的优势在块替换操作用于页间数据复制时体现尤为明显。其实该操作是按页读与页编程操作的复合，页复制读命令35H将页中数据移至数据寄存器中，而页复制写命令85H将数据复制到目标页中。页复制流程图如图8所示。

该操作也可以将原始页中的数据修改后写入目标页，如流程图8中虚线框内部分。
需要注意的是，页复制操作只能在奇数页之间或偶数页之间进行，奇偶页之间的数据移动将被禁止。
3.5 缓存区编程
芯片中除1页大小的数据寄存器外，还有一个1页大小的缓冲寄存器。该缓冲寄存器可以在数据寄存器参与页编程的同时接收外部数据，等待数据寄存器空闲时将数据转移其中，然后继续接收数据。因此，采用缓存区编程操作在连续写入多页数据时将会大大提高效率。
缓存区编程流程如图9所示。当第一组数据写入缓冲寄存器时，写入缓存命令15H，将数据传递给数据寄存器并启动页编程，然后使缓冲寄存器空闲，准备接收下一组数据。在这个过程中芯片将处于忙状态，若内部编程操作未完成，忙状态持续的时间将被延长。

    需要注意的是，该操作只能在同一块内进行，因此在多块数据写入时需要注意每块的最后一页。若系统仅仅通过芯片的Ready/Busy引脚监测编程进度，则最后一页的写入操作应该由页编程命令10H启动。另外也可以通过读状态寄存器中的I/O 5位来判断。
    K9F2G08U0M 是一种新型的超大容量Flash存储器，以其非易失、功耗低、操作简单而在单片嵌入式系统中得到广泛应用。本文在管道通径仪的开发过程中，根据对外部存储器接口的深入理解，将存储器芯片的两个控制线ALE和CLE用作地址线，使得对存储器的操作更简捷高效。文中的程序已经过实际验证，限于篇幅，只给出按页读和页编程部分的代码。