基于SPI接口和FIFO緩沖器的大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

李明磊，潘文亮

（中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301）

基于SPI接口和FIFO緩沖器的大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

李明磊，潘文亮

（中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301）

以海洋湍流觀測(cè)樣機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路為例，介紹一種基于C8051單片機(jī)的SPI（串行外設(shè)接口）、FIFO（先入先出）緩沖器IDT72v01和閃存M25P64的大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。該方案具有簡(jiǎn)易實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定、低功耗、易擴(kuò)展的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于已開(kāi)發(fā)的湍流監(jiān)測(cè)儀器樣機(jī)。

大容量存儲(chǔ)；高速；SPI；FIFO

引言

現(xiàn)代海洋儀器工作過(guò)程中，由于長(zhǎng)時(shí)間以及高速數(shù)據(jù)采集的工作配置，對(duì)存儲(chǔ)器容量、存取速度以及穩(wěn)定性都有了更高的要求。如果是以電池供電的自容式系統(tǒng)，還常常需要降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了文件格式為FAT16或FAT32的微型移動(dòng)硬盤，CF卡、SD卡、TF卡等大容量微型存儲(chǔ)設(shè)備，嵌入式單片機(jī)技術(shù)也為這些設(shè)備的應(yīng)用提供了良好的硬件支持。但是這些設(shè)備要求的功耗相對(duì)比較大，適合于電池艙容量大或其他供電方式的儀器，并且電路、程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，寫入速率低，僅適用采樣率比較低的海洋儀器。本文提出一種基于C8051單片機(jī)的SPI接口、FIFO緩沖器IDT72v01和大容量閃存M25P64的低功耗、大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，存儲(chǔ)部分硬件由FIFO芯片、大容量閃存M25P64和微處理器組成。FIFO緩存輸入端為A/D轉(zhuǎn)換模塊，它負(fù)責(zé)把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入緩存。實(shí)際應(yīng)用中，這部分可根據(jù)需要（轉(zhuǎn)換精度，速率等）變更，本文不做詳細(xì)介紹。在本方案中，考慮到Flash芯片的性能，充分利用M25P64的頁(yè)編程（一次寫入256 byte數(shù)據(jù)）特性，選用存儲(chǔ)空間為512*9 bit的FIFO芯片IDT72v01。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)按時(shí)間順序?qū)懭隖IFO，達(dá)到一定容量后以塊形式讀出。這有別于一般應(yīng)用中，通常通過(guò)485/232總線把數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU再轉(zhuǎn)存。MCU頻繁進(jìn)入串口中斷，造成CPU使用效率低下。當(dāng)采樣率調(diào)高的時(shí)候，存儲(chǔ)容易出錯(cuò)。系統(tǒng)工作過(guò)程為：系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)硬件初始化，然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)存到IDT72v01，當(dāng)數(shù)據(jù)占據(jù)IDT72V01一半空間的時(shí)候，IDT72v01發(fā)出信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)取出，通過(guò)SPI接口，存儲(chǔ)到閃存M25P64中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 海量存儲(chǔ)器M25P64的特性及硬件連接

M25P64是意法ST公司生產(chǎn)的低功耗、用于嵌入式系統(tǒng)的大容量串行Flash存儲(chǔ)器。M25P64的存儲(chǔ)空間為64 Mbit，由32768個(gè)頁(yè)面組成，每個(gè)頁(yè)面為256字節(jié)。芯片支持頁(yè)編程（256 Bytes）；支持扇區(qū)擦除（512 Kbit）和塊擦除(64 Mbit)。最高時(shí)鐘頻率50 MHz；可循環(huán)使用100 000次；保存數(shù)據(jù)年限超過(guò)20 a。功耗方面：2.7～3.6 V的工作電壓；15 mA典型編程/擦除電流；4 mA典型讀電流（20 mHz時(shí)鐘頻率）；50 μA典型Standby電流。它具有超薄雙面封裝VDFPN8和貼片SO16兩種封裝。芯片引腳及說(shuō)明見(jiàn)表1。工作方式上，芯片工作于3/4線串行總線方式，與同系列的芯片復(fù)用串行總線，可擴(kuò)展更大容量的存儲(chǔ)空間，芯片的讀寫電路接口見(jiàn)圖2所示。

在本方案中，C8051F040片上集成SPI控制器，它的I/O口P0.2可復(fù)用為時(shí)鐘輸出連接到M25P64的時(shí)鐘輸入，P0.3復(fù)用為MISO(主控制器輸入)連接到M25P64的數(shù)據(jù)輸出，P0.4復(fù)用為MOSI(主控制器輸出)連接到M25P64的輸入端。然后使用其他I/O口控制M25P64的片選和通信狀態(tài)--為高阻態(tài)或正常工作狀態(tài)。筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了一片C8051F040控制3片M25P64，總?cè)萘繑U(kuò)展到192 Mb。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖3給出與兩片M25P64之間的接口電路圖。

表1 M25P64芯片引腳及說(shuō)明

圖2 M25P64與SPI總線控制器的接口電路圖

圖3 C8051F040和M25P64接口電路圖

1.2 FIFO芯片IDT72V01的硬件接口

FIFO(First In First Out)簡(jiǎn)單說(shuō)就是指先進(jìn)先出。作為一種新型大規(guī)模集成電路，F(xiàn)IFO芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以及多機(jī)處理系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。IDT72v01是一種高速、低功耗、雙端口存儲(chǔ)器，它內(nèi)部存儲(chǔ)空間為512*9 bit。采用9 bit的數(shù)據(jù)格式，第9位為數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)位，在數(shù)據(jù)通信的時(shí)候可以起到抗干擾的作用。芯片容量為l K×9 b，輸入／輸出端口由單獨(dú)的時(shí)鐘和使能信號(hào)控制，具有“空”、“滿”、“半滿”和“幾乎空、幾乎滿”標(biāo)志。IDT72v01的9位輸入／輸出端口由單獨(dú)的時(shí)鐘和使能信號(hào)控制。輸入端口由寫使能信號(hào)(W)控制，當(dāng)寫使能W為低時(shí)，數(shù)據(jù)被連續(xù)寫入FIFO存儲(chǔ)器中。同樣，輸出端口由讀使能信號(hào)(R)控制。IDT72v01還有一個(gè)復(fù)位端(/RS)，當(dāng)/RS為低時(shí)，IDT72v01的各個(gè)標(biāo)志位全部回到原始狀態(tài)。

圖4 C8051F040與IDT72v01硬件連接圖

在本方案，把FIFO的“半滿”（/HF）接到單片機(jī)輸入引腳，這樣單片機(jī)可實(shí)時(shí)查詢FIFO緩沖器狀態(tài)；把”R”和”RT”接到單片機(jī)輸出引腳，單片機(jī)通過(guò)設(shè)置輸出引腳電平時(shí)序?qū)崿F(xiàn)緩沖器讀操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，AD存儲(chǔ)部分和海量存儲(chǔ)部分。AD存儲(chǔ)部分主要為FIFO寫入端操作流程（見(jiàn)圖5(a)），在“滿”標(biāo)志無(wú)效的情況下，A/D轉(zhuǎn)換完成后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO緩存即可，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。海量存儲(chǔ)部分則比較復(fù)雜，系統(tǒng)上電后，C8051F040對(duì)它集成的SPI控制器（如表2所示）進(jìn)行初始化，使它在電氣特性上與M25P64接口兼容—包括時(shí)鐘頻率、極性、工作方式等。對(duì)于M25P64的操作，實(shí)際應(yīng)用中將一些常用的操作編寫為子程序，在需要時(shí)調(diào)用。根據(jù)圖3接法和表3命令集，編寫扇區(qū)擦除子程序，讀操作子程序和頁(yè)編程操作子程序，限于篇幅，略去。如圖5(b)所示，單片機(jī)實(shí)時(shí)查詢/HF狀態(tài)，當(dāng)它為低有效時(shí)，把緩存FIFO數(shù)據(jù)讀出，以頁(yè)編程寫入M25P64。

表2 C8051F040 SPI控制寄存器

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 程序流程圖

該方案充分利用單片機(jī)的SPI接口，在極少占用單片機(jī)引腳的情況下，實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。利用FIFO緩沖器實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘域傳輸?shù)臄?shù)據(jù)匹配，實(shí)現(xiàn)了高速傳輸，提高了系統(tǒng)性能。由于采用基于C8051單片機(jī)的SPI接口、FIFO緩沖器IDT72v01和大容量閃存M25P6的設(shè)計(jì)，本方案可以滿足海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，已成功應(yīng)用于湍流觀測(cè)儀器樣機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整準(zhǔn)確。在容量要求方面，如果需要更大容量的存儲(chǔ)空間，在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上略加改進(jìn)，增加信號(hào)線，擴(kuò)展更多的M25P64芯片則可使該系統(tǒng)適用于有更大存儲(chǔ)空間要求的系統(tǒng)。

表3 M25P32命令表

[1]張培仁.基于C語(yǔ)言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M]北京：.清華大學(xué)出版社，2007.

[2]潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè).新華龍電子有限公司.

[3]ST Microelectronics.M25P64 Datasheet,2008.

[4]Integrated Device Technology.IDT72V01 Datasheet,2003.

Abstract：Taking the data storage in the ocean turbulence surveying prototype for example,a large-capacity high-speed real-time data storage scheme is introduced,which is based on the SPI interface embedded in C8051 MCU,the dual-port FIFO buffer IDT72v01 and the large-capacity flash memory M25P64.This data storage scheme has the characteristics of easy configuration,low power consumption and high reliability.It has been used for ocean turbulence surveying prototype successfully.

Key words:mass-storage;high-speed;serial peripheral interface;first-in first-out

Real-time and Large-capability Storage Scheme Based on SPI Interface and FIFO Cache

LI Ming-lei,PAN Wen-liang

（South China Sea Institute of Oceanology,CAS,Guangzhou Guangdong 510301,China）

P71，TP3

B

1003-2029（2010）02-0030-03

2009-12-16

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“十一五”資助項(xiàng)目（2007AA09Z104）。

李明磊(1981-)，男，廣西容縣人，博士研究生，主要從事海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。