基于ARM 的嵌入式系统FLASH接口设计与编程.pdf

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1、2 0 0 5年 第 1 期 仪表 技术与 传 感器 I n s t r u me n t T e c h n i(1 u e a n d S e n s o r 基于 A R M 的嵌入式 系统 F L AS H接 口设计与编程 马海红，何嘉斌(武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 0)No 1 ：A R M芯片与 F L A S H存储器的接 口与编程是 实现基于 A R M 的嵌入 式系统的一个重要环节。以高性能、低功耗的$3 C 4 5 1 0 B芯片和常见的 F L A S H芯片 H Y 2 9 L V 1 6 0设计的嵌入式网络 系统为例，具 体介绍 了A R M

2、芯片与 F L A S H存储器的接 口电路设计、接 口电路的调试方法和 F L A S H存储 器的擦写编 程 方 法。关键词：接 口设计；调试；擦写编程；A R M；F L A S H 中图分类号：T P 3 3 3 文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 1 8 4 1(2 0 0 5)0 1 0 0 3 9 0 4 De s i g n o f F LAS H I n t e r f a c e a n d P r o g r a m f o r E mb e d d e d S y s t e m Ba s e d o n ARM MA Ha i h o n g，HE J i a b

3、 i n (S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g，Wu h a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y，Wu h a n 4 3 0 0 7 0，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e d e s i g n o f i n t e rf a c e a n d p r o g r a m b e t we e n ARM C MOS c h i p an d F L A S H me mo r y p l a y s an i mp o r

4、 t a n t r o l e in t h e i mp l e me n t a t i o n o f an e d e d s y s t e m b a s e d o n ARM Th e d e s i gn o f i n t e rf a c e the wa y o f d e b u g on g an d p r o g r a m be twe e n ARM C MO S c h i p and F L A S H m e mo ry w e r l i n t r o d ece d i n d e t a i l，t h r o u g h a S u c c

5、 e s s f u l e m b e d d e d n e tw o r k s y s t e m b a s e d o n$3 C 4 5 1 0 B w hi c h i s hi gh p e rf o r-ma n c e and l o w powe r and HY2 9 L V1 6 0 o ft e n u s e d Ke y W o r d s I n t e rf a c e De s i gn；De b u g；Er a s e an d P r o g r a m；ARM；F L AS H 1 引言 A R M作为一种 1 6 3 2位 的高性能、低成本、低

6、功 耗的嵌入式 R I S C微处理器，目前已经成为应用最为广 泛的嵌入式微处理器，遍及工业控制、消费类电子产 品、通信系统、网络系统、无线系统等各类 产品市场，占据了 3 2位 R I S C微处理 器 7 5 以上的市场份额，A R M技术正在逐步渗入到生活的各个方面。l 5 J F L A S H存储器是一种可在系统 自身(I n s y s t e m)作 电擦写，而且掉电后信息不丢失的存储器。它具有低 功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编 程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完 成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广 泛的应用。A R M芯片与 F L

7、A S H存储器 的接 口电路设计与调 试以及对 F L A S H存储器的编程与擦除是嵌入式系统 设计中的一项重要技术。F L A S H存储器通常装载着嵌 入式系统的 B o o t l o a d e r 程序和操作系统的核心代码，因 此这部分的稳定与否直接决定整个系统能否运作。2 嗍内核网络芯片 S 3 C A 5 1 0 B 2 1$3 C 4 5 1 0 B芯片简介 S a m s u n g 公司的$3 C 4 5 1 0 B是基于以太网应用系统 的高性价比 1 6 3 2位 R IS C微控制器，内含一个由A R M 公司 设 计 的 1 6 3 2位 A R M7 T D M

8、 I R I S C处 理 器 核。收稿 日期：2 0 O 4 0 3 2 7 收修改稿 日期：2 0 0 4 0 8 2 7 A RM 7 T D M I 为低功耗、高性能的 1 6 3 2位核，最适合用 于对价格及功耗敏感 的应用场合。除 了 A R M7 T D M I 核以外，$3 C 4 5 1 0 B内嵌一个 以太网控制器，支持媒体 独立接 口(MI I)和带缓冲 D M A接口(B D I)，适用于嵌入 式以太网应用的集成系统。2 2 S 3 C A 5 1 0 B系统存储器映射$3 C 4 5 1 0 B采用统一编址的方式，将系统 的片外存 储器、片内存储 器、特殊功能寄存器和

9、外部的 I O设 备，都映射到 6 4 M B的地址空间，同时，为了便 于管 理，又将地址空间分为如图 l 所示的若干个存储器组。每个存储器组 在组内通过基指针(B a s e P o in t e r)寻址。其寻址范围是 6 4 k B(1 6位)，而基指针本身为 l 0位，因此 s 3 C 4 5 1 0 B的最大可寻址范围是 2 2 6=6 4 M B(或 1 6 M字)。通过配置包含基指针和尾指针的特殊功能 寄存器，可以设定每个存储器组的大小和位置。在进 行系统存储器映射时，用户可利用基指针和尾指针设 置连续的存储器映射，但是每 2个相连 的存储器组的 地址空间决不能重叠，即使这些组被

10、禁用。在上电或系统复位后，所有组 的地址指针寄存器 都被初始化到其缺省值。除 R O M S R A M F L A S H组 0 (其尾指针和基指针的复位值分别为 0 x 2 0 0和 O x 0)和 特殊功能寄存器组(其基址针在系统复位时被初始化 为 0 x 3 F F 0 0 0 0)以外，所有其它组在系统启动时都是未 被定义的。这一点很重要，在进行程序设计时，一般 维普资讯 http:/ I n s t r u me n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r 总是要首先通过配置相应寄存器，定义系统的存储空 间。：3 6 4MB(或 l 6 M 字)

11、S p e c i a l R e g i s t e r B a n k 1 6 k字(固定)0，4 k B，8 k B(固定)4个外部 I O 组 占用连接 的 1 6 k字空间 t 4 k字 R()M S R M，兀 AS H Ban k 5 R0M，s R M，兀 AS H Ban k 4 R0 S R M，兀A S H Ban k 3 R0 S R M，兀 AS H Ban k2 R0 S R M，F 1 AS H Ban kl R0 SR M，F 1 AS H Ban k0 每组可 占用 的地址空间 为 1 6k字到 4M字 注：可将每个组定位在 6 4 MB地址空间的任意位置 图

12、 1 S 3 C A S 1 0 B系统存储器映射 3 兀 A S H存储器 H Y 2 9 L V 1 6 o J 作为一种非易失性存储器，F L A S H在系统中通常 用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需 要保存的用户数据等。常用的 F L A S H为 8 位或 1 6 位 的数据宽度，编程 电压为单 3 3 V 主要的生产厂商为 A T M E L、A M D、H Y U N D A I 等，他们生产的同型器件一般 具有相同的电气特性和封装形式，可通用。H Y 2 9 L V 6 0是 舢N D A I 公 司生产 的 F LA S H存 储 器，其主要特点有：3 V单电源

13、供电，可使 内部产生高 电压进行编程和擦除操作；支持 J E D E C单 电源 F L A S H 存储器标准和 C F I(C o m m o n F L A S H M e m o r y I n te r f a c e)特 性；只需 向其命令寄存器写入标准的微处理器指令，具体编程、擦除操作 由内部嵌入的算 法实现，并且可 以通过查询特定的引脚或数据线监控操作是否完成；可以对任一扇 区进行读、写或擦除操作，而不影 响其 它部分的数据。H Y 2 9 L V 1 6 0的逻辑框 图及信号描述 分别如图 2 和表 1 所示。A【1 9：0 J D Q 7：0 J C E#DQ【1 4：8】

14、OE#DQ1 5 A一1 WE#R Y BY#RES ET抖 BYTE#图 2 HY 2 9 L V1 6 0的逻 辑框 图 表 1 HY 2 9 L V1 6 0的引脚信号描述 续表 1 HY 2 9 L V1 的引脚信号描述 注：I 为输 入类 型；O为输 出类型；I O为输入 输 出类 型。4$3 C 4 5 1 0 B与 F L A S H存储器的接口设计 4 1 接 口电路设计 A R M微处理器的体系结构支持 8 位 1 6位 3 2位 的 F L A S H存储器系统 3 2 位的存储器系统具有较高的 性能 而 1 6位的存储器系统则在成本及功耗方面占有 优势，而 8 位的存储器

15、系统现在已经很少使用。作为 一款 3 2位的微处理器，为充分发挥$3 C A 5 1 0 B的 3 2位 性能优势，以系统中采用 2片 1 6位数据宽度的 F L A S H 存储器芯 片并联(也 可采用 1片 3 2位 数据 宽度的 F L A S H存储器芯片)构建 3 2 位的 F L A S H存储系统。采用 2片 H Y 2 9 L V 1 6 0并 联 的方式 构建 3 2位 的 F L A S H存储器系统，其 中 1 片为高 1 6位，另 1 片为低 1 6位，将 2片 H Y 2 0 L V 1 6 0作为一个整体配置到 R O M S R A M F L A S H B a

16、 n k 0，即将 S 3 C A 5 1 0 B的 n R C S 0(P i n 7 5)接至 2片 H Y 2 9 L V 1 6 0的 C E#端；2片 H Y 2 9 L V 1 6 0的 R E S E T#端接系统复位信号；2片 H Y 2 9 L V 1 6 0的 O E#端接 S 3 C A S 1 0 B的 h O E(P i n 7 2)；低 1 6位片的 WE#端 接$3 C A 5 1 0 B的 n W B E 0(P i n l 0 0)，高 1 6 位片的 WE#端 接$3 C A5 1 0 B 的 n WU E 2(P i n l 0 2)；2片 H Y 2 9

17、 L V1 6 0的 B Y T E#均 上 拉，使 之 均 工 作 在 字 模 式；2 片 H Y 2 9 L V 1 6 0的地址总线 A 1 9：0 均与 S 3 C A S 1 0 B的地 址总线 A D D R 1 9A D D R 0 相连；低 1 6位片的数据总 线与 S 3 C A S 1 0 B的低 1 6位数据总线 X D A T A 1 5X D A 维普资讯 http:/ 笙 马海红等：基于A R M的 嵌入式系统F L A S H 接口 设计与编程 4 1 T A O 相连，高 l 6位片的数据总线与$3 C 4 5 1 0 B的高 l 6 位数据总线 X D A T

18、 A 3 1 X D A T A 1 6 相连。置 s 3 C 4 5 1 0 B的 B O S I Z E 1：0 为 1 1 ，选择 R O M S R A M F L A S H B a n k 0为 3 2位工作方式。在大多数的系统 中，选用 l片 l 6位的 F L A S H存 储器芯片(常见单片容量有 1 M B，2 M B，4 M B，8 MB 等)构建 l 6位的 F L A S H存储系统 已经足够，其构建方 式与 3 2位的 F L A S H存储系统相似，相对较易，且应将$3 C 4 5 1 0 B的 B O S I Z E 1：0 置 为 l 0，选 择 R O M

19、S R A M F L A S H B a n k O为 l 6位工作方式。图 3 为 3 2 位 F L A S H存储系统的实际应用电路。而X DA T A 0 u R ES E T A0 Al A2 A3 D Q4 A4 躐 麓 DQ 7 A 7 DQ 8 A 8 DDQ9l 0 A A l 09 DD Q l1 5 AA l1 i DQ 1 3 A1 3 DQ 1 4 A1 4 DQ1 5 A l Al 5 BY TE AAl176 露 面AAl1 89 W1)，AC C A2 0 R Y 厄 NC 丽 WE DQ 0 V C(、A 0 DQ1 Al DQ 2 A 2 DQ 3 A 3

20、 DQ4 A4 B 8 3 A 5 DQ7 A7 DQ S A 8 DDQQ 91()AAl 09 DDQQI1 AAl1 DQl 3 A1 3 DQ1 4 Al 4 DQ1 5 A一1 A1 5 n R E S E T I E 二 I R V T Vs sHY2 9 L V。1 fi O _ 白L6oZ c-I-c _1_ WP丛 C RY，8Y N(、Al6 Al7 Al8 A19 A20 CE 0E WE。F L AS H、图 3 3 2位 F L A S H存 储 系统 电路 图 4 2 接口电路调试 当系统设计制作完成时，必须 经过仔细 的调试，才能保证系统按照设计图正常工作。调试工

21、具需要 示波器、万用表等，同时需要 A R M 调试开发软件 A D S 或 S 町 及相应的仿真器，系统在调试时使 用 A D S 1 2 及 A R M J rr A G仿真器。F L A S H存储器的调试主要包括 F L A S H存储器的编程(烧写)和擦除。与一般 的存储 器件不同，用户只需对 F L A S H存储器发出相应的命令 序列，F L A S H存储器通过 内部嵌入的算法即可完成对 芯片的操作，由于不同厂商的 F L A S H存储器在操作命 令上可能会有一些细微的差别，F L A S H存储器的编程 与擦除工具一般不具有通用性，这也是为什么 F L A S H 接口电路

22、相对较难调试 的原因之一。因此，通常应在 理解 F L A S H存储器编程和擦除的工作原理的情况下，根据不同型号器件对应的命令集，编写相应的程序对 其进行操作。在调试的过程 中，利用 A D S的 A X D D e b u g g e r 查看 F L A S H存储器数据区的 内容，此时 F L A S H存储 器为 空，所以显示的内容应全为 O x F F 双击其 中的任一数 据，输入新的值，对应存储单元的内容应不能被修改，此时可初步认定 F L A S H存储器已能被访问，但是否能 对其进行正确的编程与擦除操作，还需要编程验证。5 F L A S H存储器的擦除和烧写编程 F L A

23、 S H存储器的操作包括 对 F L A S H的擦 除和烧 写，由介绍的工作原理可知，针对不 同厂商、不同型号 的 F L A S H存储器，程序应作相应的修改。5 1 F L A S H存储器的操作命令 4 向 F L A S H存储器的特定寄存器写入地址和数据 命令，就可对 F L A S H存储器进行烧写、擦除等操作，但 操作必须按照一定的顺序，否则就会导致 F L A S H存储 器复位而使操作命令无法完成。编程指令只能使 l 变为 0 ，而擦除命令可使 0 变为 1 ，因此正确的操 作顺 序是 先擦 除，后编程，当 F l a s h存储器被擦 除以 后，读 出的内容应全为 0 x

24、 F F H Y 2 9 L V 1 6 0的正常编程 命令如表 2 所示。表 2 正常编程命令 正常 字0 x 5 5 5 0 x 2 A A 。0 x 5 5 5 待编程 待编程 0 x AA O x 5 5 0 x A0 编程字节 O x A A A 0 x 5 5 5 O x A A A 的地址 的数据 如表 1 所示，向 H Y 2 9 L V 1 6 0的指定地址 中写人数 据，可按字(1 6 位)或字节(8 位)操作，共需要 4 个总线 周期，分 4步完成，前 2个周期是解锁周期，第 3个是 建立编程命令，最后 1 个周期完成 向待编程地址写入 特定的数据。表 3 为H Y 2

25、9 I 1 6 0 的 整 片 擦 除 命 令。将 H Y 2 9 L V 1 6 0整片擦 除，也可按字(1 6位)或字节操作，共需要 6个总线周期，分站步完成，前 2个是解锁周 期，第 3 个是建立编程命令，第 4、第 5 是解锁周期，最 后 1 个周期是整片擦除周期。表 3 整片擦除命令 5 2 F L A S H存储器的操作检测 当按照规定 的命令序列 向 F L A S H存储器发出命 令时，其内部的编程或擦除算法就可自动完成编程或 擦除操作，但无论是编程或擦除都需要一定的操作时 维普资讯 http:/ 4 2 I n s t r u me n t T e c h n i q u e

26、 a n d S e n s o r 间，同时用户还应了解其 内部 的操作检测机制，以便 知道操作是否完成或操作是否正确。常用检测的状 态位有：跳变位(D Q 6)、超时标志位(D Q 5)、数据查询位(D Q 7)和 R e a d y B u s y 引脚(R Y B Y#)。常用的检测方法有 3种：第 1 种是判断引脚 R Y B Y#的状态，在编程或擦除操作过程 中，R Y B Y#引 脚一直为低 电平，操作完成后变为高电平。第 2种是 检测跳变位 D Q 6，在编程或擦除时对任何地址进行连 续的读均引起 D Q 6连续跳变，直至操作结束才停止跳 变。第 3 种方法是使用数据线的 D

27、Q 7和 D Q 5 位，D Q 7 位在编程或擦除过程 中输 出的数是写入该位数据 的 反码，当操作完成时输出才变为写入该位的数据；D Q 5 的状态为“1”时表示操作超时，此时应再读一次 D o 7 的状态，若 D Q 7 输出仍不是写入的数据，则操作失败，复位 F L A S H存储器。其流程如图4所示。图 4 检测 F L A S H存 储器 状 态的流 崔 幽 对于第 1 种方法，需要 占用系统 的 I O口以判断 引脚 R Y B Y#的状态，故较少使用，而第 2种方法对 D Q 6的连续跳变检测相对较困难，因此，采用第 3 种方 法检测 F L A S H存储器的工作状态。5 3

28、 F L A S H存储器的编程示例 对 F L A S H存储器的烧写、整片擦除、按扇区擦除 以及 其他 操 作，都 可 以通 过 编 程 实 现。仅 以烧 写 F L A S H存储器的一个单元为例，介绍 F L A S H编程的方 法。其参考程序如下：#d e ft n e F L AS H S TA RTADDR 0 x O3(#d e ft n e F L AS H_ADDR UN L OC K1 0 x 5 5 5#d e fi n e F L AS H A DDR UN I 2 X K 2 0 x 2 a a 蝽d e fi n e F L A S HDK、U NL OCK1 0

29、 x a a a a#deftn P兀 AS H nA TA l r N1 0CK】0 x 5 5 5 5#d e ft n e F L A S HS EY U P_WRI TE 0 x a 0 a 0#d e fi n e U NI T1 6 u n s i g n e d s h o r t i n t Ma i n()v o l a t i l e UI NTI 6*t oa d d；t o a d d=(U I N T 1 6*)0 x O；写入 的地址*(v o l a t i l e U I N T 1 6*)F L A S H STAR T A D D R+F L A S H A

30、 D D RU N L OC K 1)=F L A S H D A T A U N L O C K1；*(v o l a t i l e U I N T 1 6*)F L A S H STAR T A D D R+F L A S H A D D R U N L OC K 2)=F L A S H D A T A U N L O C K 2；*(v o l a t i l e U I N T 1 6*)F L A S H STAR T A D D R+F L A S H A D D R U N L D C K1)：F L A S H s Er u P WR 1 T E；t oa d d=0 x

31、1 2 3 4；写入的数据 r e t u l T l O：对于编写连续烧写 F L A S H存储器多个存储单元 的程序，只需循环执行该段代码 即可，但应在对每个 单元烧写命令发出后进行检测，保证前一个单元烧写 结束后再进行下一个存储单元的烧写，当然也可采用 延时等待的方法进行连续的烧写。6 结束语 A R M作为一种 1 6 3 2位的高性能、低成本、低功 耗的嵌入式 R I S C微处理器，目前 已经成为应用最为广 泛的嵌入式微处理器，F L A S H存储器 因其 自身的优点 在各种嵌人式系统 中得到 了广泛的应用，因此掌握 A R M微处理器与 F L A S H存储器的接 口设计与

32、编程对 于嵌入式 应用系统设计至关重要。所介绍的接 口电 路设计方法 已成功运用于设计 的嵌入式网络交换系 统中，并成功的实现了 F L A S H存储器的连续烧写和任 意擦除编程。不同厂家生产的同型器件一般具有相 同的电气特性和封装形式，因此这些技术同样适用于 其他 F L A S H芯片，如 s s t3 9 V F 1 6 0 等，具有普遍实用性。参考文献【l I A R M D e v e l o p m e n t G u i d e A R M L i m i t e d，2 0 0 0 2 0 0 1 f 2 S E A L D A RM a r c h i t e c t u

33、r e r e f e r e n c e m a n u a l(3 r d ed)A R M L i m i t ed，2 0 0 o 51 4【3 I s 3 C A 5 1 0 B U s e r M a n u a 1 S a m s u n g E l ec t r o n i c s，1 9 9 9 4 HY 2 9 L V1 6 0 D a t a S h e e t r Y l I N D A I S e mi c o n d u c t o r，2 0 0 0 5 李驹光，聂学媛，江泽明，等 A R M应用系统开发详解 北京：清华 大学出版社，2 3：1 0 2 1 0 7 西门子(中国)有限公司任命 自动化与驱动集团新任总经理 2 0 0 4年 l O月 1日，何维克先生(P e t e r H e r w eck)接替施密特 先生出任 自动化与驱动集团总经理兼西 门子(中国)有限公司 副总裁。此前何维克先生是西门子股份公司 自动化与驱动集 团运动控制部机床分部的副总裁。施密特先生为 自动化与驱 动集团在中国业务的成 功做出了很大贡献，他将继续担任西 门子(中国)有限公司的执行副总裁和管理委员会成员。维普资讯 http:/