PIC单片机与串行闪存的SPI接口设计
引 言
pic单片机以性能稳定、品种众多等特点在工业控制、仪器仪表、家电、通信等领域得到广泛应用。虽然很多型号自身集成了存储器，但在很多情况下难以满足系统对大容量存储的要求，需要外扩非易失性的存储器。与并行flash存储器相比，串行flash存储器占用mcu引脚少，体积小，易于扩展，接线简单，工作可靠，故而越来越多地应用在各类电子产品和工业测控系统中。本文主要讨论pic16f877a单片机与串行闪存m25p16之间的spi通信，在要求大容量数据存储且mcu引脚资源有限的情况下具有实用价值。
1 spi工作原理
spi(serial peripheral interface)是一种常用的串行通信协议，用于mcu系统与外围设备的通信，可用来连接存储器、a／d转换器、d／a转换器、实时时钟、lcd驱动器、传感器，甚至其他处理器。spi主要使用4个信号：mosi(主机输出／从机输人)、miso(主机输入／从机输出)、sck(串行时钟)和cs(片选)。其中，sck由主机产生，作为传输的同步时钟，控制所有数据传输。主机通过触发从设备的cs决定二者之间的spi传输是否能够进行。主机和外设都包含1个串行移位寄存器。主机通过向自己的spi串行寄存器写入1个字节来发起1次传输，然后通过mosi信号线将数据传给外设，同时外设将自己移位寄存器中的内容通过miso信号线返回给主机，如图1所示。这样，两个移位寄存器中的内容就交换了。也就是说，外设的写操作和读操作是同步完成的。在实际应用中，如果只进行写操作，则主机只需忽略收到的字节即可；如果主机要读外设的数据，必须发送1个字节来引发从机的传输，发送的这个字节可以是任意数据。
2 m25p16简介
m25p16是16 mb的串行闪存，具有先进的写保护机制，支持速度高达50 mhz的spi总线的存取操作。该存储器有32个扇区，每个扇区256页，每页256字节。工作电压范围2.7～3.6 v，工作温度范围-40～+85℃。数据保存长达20年，每个扇区可擦写／编程100 000次。
m25p16支持的操作指令共有12条。指令格式为：
其中，8位的命令字是必需的，地址、哑元以及数据字节的有无和长度会因指令的不同而有所差别，详情如表1所列。所有的命令码、地址、串行输入／输出的数据，均是高位在前，低位在后。
对m25p16操作时，先选中芯片(即片选信号s拉低)，然后串行输入操作指令字节，紧接着串行输入地址字节(0或3字节)，必要时还要加入哑读字节，最后串行输入／输出数据字节，然后把片选信号拉高，之后m25p16启动内部控制逻辑，自行完成相应的操作。
3 spi硬件设计
pic16f877a单片机具有非常完善的spi接口(rc3／sck、rc4／sdi、rc5／sdo、ra5／ss)，只有pic16f877a作为从机时，ra5／ss引脚才作为spi脚，pic16f877a为主机时，ss可作为普通i／o使用。通过该接口，可比较容易地实现pic16f877a与spi flash的通信。pic16f877a与m25p16的硬件接口如图2所示。其中，sck、sdi、sdo为mcu的spi专用引脚，分别与存储器的对应引脚相连，可选mcu的任意i／o脚作为存储器的片选信号，图中选取rc2脚与存储器的片选s相连，这样，在spi通信时只涉及mcu的c口，便于操作。m25p16的hold和w直接接高电平，表示不允许在s有效的情况下暂停spi通信且整个存储区都没有写保护。
图2中，vdd为+5 v，由于pic16f877a工作在5 v电压下，而m25p16的工作电压范围为2.7～3.6 v，二者不能直接相连。这里采用电阻分压的方式，保证输入m25p16的s、c、d脚的电压在存储器能承受且能识别的范围内，通过在m25p16向pic16f877a输入数据的sdo脚加上拉电阻，保证mcu可以识别m25p16输出的高电压，从而保证正常的spi通信。如果mcu工作于3.3 v，则直接将二者的对应引脚相连即可。
4 spi软件设计
在硬件连线正确的基础上，要进行spi通信，还要对m25p16编写驱动程序，包括spi初始化、读m25p16的数据、向m25p16写人数据、数据的擦除等，这里使用c语言编程，编译器选择picc，开发环境为mplab ide8.10。
pic16f877a的spi通信涉及4个寄存器：控制寄存器sspcon、状态寄存器sspstat串行接收／发送缓冲器sspbuf和移位寄存器sspsr。其中，sspcon的8位都是可读可写的，用于设置ssp处于主／从模式、时钟频率、时钟极性、ssp使能以及写冲突检测；sspstat只有高2位可读写，低6位是只读的。pic16f877a处于接收模式时，sspsr和sspbuf构成2级缓冲的接收器，sspsr每收到1个完整的字节，就将该字节传给sspbuf，并将中断标志位sspif置1，可通过读sspbuf得到数据；877a处于发送模式时，写sspbuf操作会同时将数据写入sspsr，触发传输。下面结合具体的代码进行详细阐述。
(1)spi初始化与读写函数
从sendbyte和rcvbyte函数的代码中，可以看出数据发送和接收是否完成，都是通过判断stat_bf标志位(sspstat寄存器的bf位，stat_bf是在头文件pic1687x．h中定义的名称)来实现的，而数据手册中关于bf位的描述仅用于接收模式。这是由于pic16f877a通过sdo发送数据的同时，会通过sdi读人数据，当1字节发送完成时，刚好接收1字节到sspbuf，这时sspbuf满，by被置为1，故可通过stat_bf标志判断1字节是否发送完成。
(2)连续写函数
m25p16的pp指令允许1次连续写入不超过1页(256字节)的数据。写人数据之前，首先要发出写允许命令，然后才能执行数据写入操作。数据写入函数参数包括address(32位地址)、block(写入数据缓冲区指针)、n(一次连续写入的字节数，n<256)。如果address的低8位不全为0，即不是从页起始处写，并且需要写入的数据超出该页剩余空间，则超出部分被丢弃。代码如下：
其中，delay()为延时子函数，参数为ms级，delay(1)即延时1ms。加入延时，是为了保证存储器在准备好的情况下才进行读写操作。
(3)连续读函数
m25p16允许发出读指令后，连续读取数据，这一模式极大提高了总线效率。数据读取函数的参数包括address：32位地址；block：读数据缓冲区指针；n：一次连续读取的字节数，代码如下：
m25p16的连续读操作与连续写不同的是，无论read还是fast_read，在起始地址处1字节的数据读出后，会自动寻址更高地址处的数据，故程序中无需address++语句。
除了对m25p16的初始化、读写之外，经常还要对其进行擦除操作，擦除有扇区擦除和整体擦除2种方式，执行数据擦除将使内部所有数据变为ffh。擦除操作与写操作类似，在此不再赘述。
结 语
本文介绍的m25p16与pic16f877a的接口已应用于自来水流量数据采集的本地存储中。运行稳定可靠，未发现数据丢失现象，对其他应用有一定的参考价值。
人工智能系统对甲状腺病灶检出率高达98%
赛灵思AI方案三大重点
AR技术将成为汽车制造商的下一个关注点吗
运放稳定性问题简析
伺服电机规格选用步骤
PIC单片机与串行闪存的SPI接口设计
Epic和苹果的战局进一步扩大
Keil MDK下的NOR Flash下载算法
监控摄像机如何保证家庭的安全
打击盗窃行为出新招,苹果新专利远程操控被盗智能设备“变砖”
新唐科技W567C120控制器介绍
pcb单层板、双层板、四层板、六层板、八层板、十层板、十二层板图文解释
大功率升压转换器可自动切换模式并保持轻负载效率
传统产业数字化转型升级亟待进一步提速 疫情进一步刺激企业审视自身数字化水平
富士康在天津成立新公司，拓展车用领域布局
有保障的虚拟货币投资不再只是理想 - 马来西亚发起的新募资模式ACO(合格通证发行)
使用MAX6951/MAX6950 LED显示驱动器与MAXQ2000微控制器通信
开放式FPGA实现仪器的各种特性
长虹陷“增收不增利”怪圈 电视业务不足营收五分之一
英特尔酷睿十一代+惠普战66，商务办公新利器
pic单片机以性能稳定、品种众多等特点在工业控制、仪器仪表、家电、通信等领域得到广泛应用。虽然很多型号自身集成了存储器，但在很多情况下难以满足系统对大容量存储的要求，需要外扩非易失性的存储器。与并行flash存储器相比，串行flash存储器占用mcu引脚少，体积小，易于扩展，接线简单，工作可靠，故而越来越多地应用在各类电子产品和工业测控系统中。本文主要讨论pic16f877a单片机与串行闪存m25p16之间的spi通信，在要求大容量数据存储且mcu引脚资源有限的情况下具有实用价值。
1 spi工作原理
spi(serial peripheral interface)是一种常用的串行通信协议，用于mcu系统与外围设备的通信，可用来连接存储器、a／d转换器、d／a转换器、实时时钟、lcd驱动器、传感器，甚至其他处理器。spi主要使用4个信号：mosi(主机输出／从机输人)、miso(主机输入／从机输出)、sck(串行时钟)和cs(片选)。其中，sck由主机产生，作为传输的同步时钟，控制所有数据传输。主机通过触发从设备的cs决定二者之间的spi传输是否能够进行。主机和外设都包含1个串行移位寄存器。主机通过向自己的spi串行寄存器写入1个字节来发起1次传输，然后通过mosi信号线将数据传给外设，同时外设将自己移位寄存器中的内容通过miso信号线返回给主机，如图1所示。这样，两个移位寄存器中的内容就交换了。也就是说，外设的写操作和读操作是同步完成的。在实际应用中，如果只进行写操作，则主机只需忽略收到的字节即可；如果主机要读外设的数据，必须发送1个字节来引发从机的传输，发送的这个字节可以是任意数据。
2 m25p16简介
m25p16是16 mb的串行闪存，具有先进的写保护机制，支持速度高达50 mhz的spi总线的存取操作。该存储器有32个扇区，每个扇区256页，每页256字节。工作电压范围2.7～3.6 v，工作温度范围-40～+85℃。数据保存长达20年，每个扇区可擦写／编程100 000次。
m25p16支持的操作指令共有12条。指令格式为：
其中，8位的命令字是必需的，地址、哑元以及数据字节的有无和长度会因指令的不同而有所差别，详情如表1所列。所有的命令码、地址、串行输入／输出的数据，均是高位在前，低位在后。
对m25p16操作时，先选中芯片(即片选信号s拉低)，然后串行输入操作指令字节，紧接着串行输入地址字节(0或3字节)，必要时还要加入哑读字节，最后串行输入／输出数据字节，然后把片选信号拉高，之后m25p16启动内部控制逻辑，自行完成相应的操作。
3 spi硬件设计
pic16f877a单片机具有非常完善的spi接口(rc3／sck、rc4／sdi、rc5／sdo、ra5／ss)，只有pic16f877a作为从机时，ra5／ss引脚才作为spi脚，pic16f877a为主机时，ss可作为普通i／o使用。通过该接口，可比较容易地实现pic16f877a与spi flash的通信。pic16f877a与m25p16的硬件接口如图2所示。其中，sck、sdi、sdo为mcu的spi专用引脚，分别与存储器的对应引脚相连，可选mcu的任意i／o脚作为存储器的片选信号，图中选取rc2脚与存储器的片选s相连，这样，在spi通信时只涉及mcu的c口，便于操作。m25p16的hold和w直接接高电平，表示不允许在s有效的情况下暂停spi通信且整个存储区都没有写保护。
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4 spi软件设计
在硬件连线正确的基础上，要进行spi通信，还要对m25p16编写驱动程序，包括spi初始化、读m25p16的数据、向m25p16写人数据、数据的擦除等，这里使用c语言编程，编译器选择picc，开发环境为mplab ide8.10。
pic16f877a的spi通信涉及4个寄存器：控制寄存器sspcon、状态寄存器sspstat串行接收／发送缓冲器sspbuf和移位寄存器sspsr。其中，sspcon的8位都是可读可写的，用于设置ssp处于主／从模式、时钟频率、时钟极性、ssp使能以及写冲突检测；sspstat只有高2位可读写，低6位是只读的。pic16f877a处于接收模式时，sspsr和sspbuf构成2级缓冲的接收器，sspsr每收到1个完整的字节，就将该字节传给sspbuf，并将中断标志位sspif置1，可通过读sspbuf得到数据；877a处于发送模式时，写sspbuf操作会同时将数据写入sspsr，触发传输。下面结合具体的代码进行详细阐述。
(1)spi初始化与读写函数
从sendbyte和rcvbyte函数的代码中，可以看出数据发送和接收是否完成，都是通过判断stat_bf标志位(sspstat寄存器的bf位，stat_bf是在头文件pic1687x．h中定义的名称)来实现的，而数据手册中关于bf位的描述仅用于接收模式。这是由于pic16f877a通过sdo发送数据的同时，会通过sdi读人数据，当1字节发送完成时，刚好接收1字节到sspbuf，这时sspbuf满，by被置为1，故可通过stat_bf标志判断1字节是否发送完成。
(2)连续写函数
m25p16的pp指令允许1次连续写入不超过1页(256字节)的数据。写人数据之前，首先要发出写允许命令，然后才能执行数据写入操作。数据写入函数参数包括address(32位地址)、block(写入数据缓冲区指针)、n(一次连续写入的字节数，n<256)。如果address的低8位不全为0，即不是从页起始处写，并且需要写入的数据超出该页剩余空间，则超出部分被丢弃。代码如下：
其中，delay()为延时子函数，参数为ms级，delay(1)即延时1ms。加入延时，是为了保证存储器在准备好的情况下才进行读写操作。
(3)连续读函数
m25p16允许发出读指令后，连续读取数据，这一模式极大提高了总线效率。数据读取函数的参数包括address：32位地址；block：读数据缓冲区指针；n：一次连续读取的字节数，代码如下：
m25p16的连续读操作与连续写不同的是，无论read还是fast_read，在起始地址处1字节的数据读出后，会自动寻址更高地址处的数据，故程序中无需address++语句。
除了对m25p16的初始化、读写之外，经常还要对其进行擦除操作，擦除有扇区擦除和整体擦除2种方式，执行数据擦除将使内部所有数据变为ffh。擦除操作与写操作类似，在此不再赘述。
结 语
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