李明磊，潘文亮

（中國科學(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時數(shù)據(jù)存儲方案

李明磊，潘文亮

（中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301）

以海洋湍流觀測樣機中的數(shù)據(jù)存儲接口電路為例，介紹一種基于C8051單片機的SPI（串行外設(shè)接口）、FIFO（先入先出）緩沖器IDT72v01和閃存M25P64的大容量高速實時數(shù)據(jù)存儲方案。該方案具有簡易實用、運行穩(wěn)定、低功耗、易擴展的特點，已成功應(yīng)用于已開發(fā)的湍流監(jiān)測儀器樣機。

大容量存儲；高速；SPI；FIFO

引言

現(xiàn)代海洋儀器工作過程中，由于長時間以及高速數(shù)據(jù)采集的工作配置，對存儲器容量、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，延長電池續(xù)航時間。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了文件格式為FAT16或FAT32的微型移動硬盤，CF卡、SD卡、TF卡等大容量微型存儲設(shè)備，嵌入式單片機技術(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、大容量高速實時數(shù)據(jù)存儲方案。

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，它負責(zé)把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入緩存。實際應(yīng)用中，這部分可根據(jù)需要（轉(zhuǎn)換精度，速率等）變更，本文不做詳細介紹。在本方案中，考慮到Flash芯片的性能，充分利用M25P64的頁編程（一次寫入256 byte數(shù)據(jù)）特性，選用存儲空間為512*9 bit的FIFO芯片IDT72v01。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換點按時間順序?qū)懭隖IFO，達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485/232總線把數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU再轉(zhuǎn)存。MCU頻繁進入串口中斷，造成CPU使用效率低下。當采樣率調(diào)高的時候，存儲容易出錯。系統(tǒng)工作過程為：系統(tǒng)啟動后，首先對硬件初始化，然后啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)存到IDT72v01，當數(shù)據(jù)占據(jù)IDT72V01一半空間的時候，IDT72v01發(fā)出信號給單片機，單片機把數(shù)據(jù)取出，通過SPI接口，存儲到閃存M25P64中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 海量存儲器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存儲器。M25P64的存儲空間為64 Mbit，由32768個頁面組成，每個頁面為256字節(jié)。芯片支持頁編程（256 Bytes）；支持扇區(qū)擦除（512 Kbit）和塊擦除(64 Mbit)。最高時鐘頻率50 MHz；可循環(huán)使用100 000次；保存數(shù)據(jù)年限超過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。芯片引腳及說明見表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，可擴展更大容量的存儲空間，芯片的讀寫電路接口見圖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)用為時鐘輸出連接到M25P64的時鐘輸入，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)。筆者在實際設(shè)計中采用了一片C8051F040控制3片M25P64，總?cè)萘繑U展到192 Mb。為簡化起見，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)簡單說就是指先進先出。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)傳輸以及多機處理系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。IDT72v01是一種高速、低功耗、雙端口存儲器，它內(nèi)部存儲空間為512*9 bit。采用9 bit的數(shù)據(jù)格式，第9位為數(shù)據(jù)奇偶校驗位，在數(shù)據(jù)通信的時候可以起到抗干擾的作用。芯片容量為l K×9 b，輸入／輸出端口由單獨的時鐘和使能信號控制，具有“空”、“滿”、“半滿”和“幾乎空、幾乎滿”標志。IDT72v01的9位輸入／輸出端口由單獨的時鐘和使能信號控制。輸入端口由寫使能信號(W)控制，當寫使能W為低時，數(shù)據(jù)被連續(xù)寫入FIFO存儲器中。同樣，輸出端口由讀使能信號(R)控制。IDT72v01還有一個復(fù)位端(/RS)，當/RS為低時，IDT72v01的各個標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）接到單片機輸入引腳，這樣單片機可實時查詢FIFO緩沖器狀態(tài)；把”R”和”RT”接到單片機輸出引腳，單片機通過設(shè)置輸出引腳電平時序?qū)崿F(xiàn)緩沖器讀操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩部分，AD存儲部分和海量存儲部分。AD存儲部分主要為FIFO寫入端操作流程（見圖5(a)），在“滿”標志無效的情況下，A/D轉(zhuǎn)換完成后把數(shù)據(jù)存儲到FIFO緩存即可，相對比較簡單。海量存儲部分則比較復(fù)雜，系統(tǒng)上電后，C8051F040對它集成的SPI控制器（如表2所示）進行初始化，使它在電氣特性上與M25P64接口兼容—包括時鐘頻率、極性、工作方式等。對于M25P64的操作，實際應(yīng)用中將一些常用的操作編寫為子程序，在需要時調(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，讀操作子程序和頁編程操作子程序，限于篇幅，略去。如圖5(b)所示，單片機實時查詢/HF狀態(tài)，當它為低有效時，把緩存FIFO數(shù)據(jù)讀出，以頁編程寫入M25P64。

表2 C8051F040 SPI控制寄存器

3 結(jié)語

圖5 程序流程圖

該方案充分利用單片機的SPI接口，在極少占用單片機引腳的情況下，實現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)存儲器的擴展。利用FIFO緩沖器實現(xiàn)不同時鐘域傳輸?shù)臄?shù)據(jù)匹配，實現(xiàn)了高速傳輸，提高了系統(tǒng)性能。由于采用基于C8051單片機的SPI接口、FIFO緩沖器IDT72v01和大容量閃存M25P6的設(shè)計，本方案可以滿足海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對于大容量高速實時數(shù)據(jù)存儲的要求，已成功應(yīng)用于湍流觀測儀器樣機。經(jīng)實驗室多次實驗，數(shù)據(jù)存儲完整準確。在容量要求方面，如果需要更大容量的存儲空間，在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上略加改進，增加信號線，擴展更多的M25P64芯片則可使該系統(tǒng)適用于有更大存儲空間要求的系統(tǒng)。

表3 M25P32命令表

[1]張培仁.基于C語言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ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊.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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“十一五”資助項目（2007AA09Z104）。

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