13.3 Flash存储器

Flash存储器又名闪存，也是一种掉电后可以存储数据的存储器，按主要类型分为NOR Flash和NAND Flash。Flash存储器在现代电子设备中扮演者重大角色，广泛应用于手机、平板。数码相机等消费电子产品，以及汽车、工业控制、航空航天等领域，主流单片机的程序存储空间也是Flash。

为了更好的理解Flash，将Flash和EEPROM的主要特点进行对比。

1、相较于EEPROM，Flash存储器能够提供较高的存储密度，容量更大，适合需要大容量存储的应用场景。列如Kingst51开发板上的Flash型号为W25Q32，是一个32Mbit大小的Flash存储器。而24C02的仅有256个字节，也就是2Kbit存储空间，存储空间上是16000倍，价格上仅2到3倍。

2、相较于EEPROM，Flash存储器的读写速度更快，尤其在读取速度方面，NOR Flash的读取速度超级快，适应于需要频繁读取操作的应用。

3、相较于Flash，EEPROM允许按照字节进行写操作，可以灵活地修改单个字节的数据。而Flash要修改某个数据前，一般需要对整个扇区（4096字节）进行擦除后（整个扇区初始化为1）才能重新写入。因此EEPROM更适合需要频繁更新数据的应用场景，而Flash更适合读写大量数据而不需要频繁改变数据的场景。

4、Flash的读写比EEPROM的读写略微，用户每次操作之前需要通知Flash具体操作指令，列如是“读”还是“写”，写的话是“写寄存器”还是“写数据”。写之前要先写使能等等操作。

当然这些指令在手册里有列表说明，每一条指令也都有详细解释，如表13-1所示。

表13-1 Flash指令集

读Flash流程：

1、检测是否“忙”。

2、使能引脚，写入“读数据”指令。

3、发送Flash读数据起始地址，需要注意的是W25Q32这颗Flash的存储空间是32Mbit，即4M字节，因此他的地址是24位地址。

4、根据当前地址读取相应数量的数据。

写Flash流程：

1、检测是否“忙”。

2、使能引脚，写入“写使能”指令。

3、发送“页写”指令。

4、发送Flash写数据起始地址。

5、连续发送要写入的数据，写入到Flash中去。

值得注意的是，如果写Flash的数据牵扯到跨页写入，需要对跨页进行操作处理。

写一个简单的程序，从某一地址读出连续的2个数据，第一个字节加1，第二个字节加2，分别重新写回到flash中去。

/*****************************main.c文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>

extern void FlashRead(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len);

extern void FlashSectorErase(unsigned long addr);

extern unsigned int FlashPageWrite(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len);

void main()

{

unsigned char buf[2]; //数据读写缓冲区

unsigned long addr = 0; //数据读写地址

FlashRead(buf, addr, 2); //将数据读入缓冲区

buf[0] += 1; //第一个字节+1

buf[1] += 2; //第二个字节+2

FlashSectorErase(addr); //擦除读写地址所在扇区

FlashPageWrite(buf, addr, 2); //写入缓冲区中的数据

while (1);

}

/*****************************flash.c文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>

#define FLASH_READ_REG1 0x05 //读寄存器1命令

#define FLASH_READ_DATA 0x03 //读数据命令

#define FLASH_WRITE_ENABLE 0x06 //写使能命令

#define FLASH_SECTOR_ERASE 0x20 //扇区擦除命令

#define FLASH_PAGE_WRITE 0x02 //页写入命令

#define FLASH_PAGE_SIZE 256 //每页字节数

#define FLASH_SECTOR_SIZE 4096 //每扇区字节数

sbit SPI_SCK = P3^5;

sbit SPI_MISO = P3^4;

sbit SPI_MOSI = P1^5;

sbit SPI_SSEL = P1^7;

/* SPI总线写操作：dat-待写入字节 */

void SPIWrite(unsigned char dat)

{

unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量

for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行

{

SPI_SCK = 0; //拉低SCK

if ((mask&dat) == 0) //该位的值输出到MOSI上

SPI_MOSI = 0;

else

SPI_MOSI = 1;

SPI_SCK = 1; //再拉高SCK

}

}

/* SPI总线读操作：返回值-读到的字节 */

unsigned char SPIRead()

{

unsigned char mask;

unsigned char dat;

for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行

{

SPI_SCK = 0; //拉低SCK

if (SPI_MISO == 0) //读取MISO的值

dat &= ~mask; //为0时，dat中对应位清零

else

dat |= mask; //为1时，dat中对应位置1

SPI_SCK = 1; //再拉高SCK

}

return dat;

}

/* Flash忙等待函数，循环查询busy标志位，至芯片不再忙时函数返回 */

void FlashBusyWait()

{

unsigned char dat;

do {

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_READ_REG1); //发送读寄存器1命令

dat = SPIRead(); //读取寄存器1的值

SPI_SSEL = 1;

} while (dat & 0x01); //判断读回的寄存器最低位，即busy标志位

}

/* Flash读取函数：buf-数据接收指针，addr-起始地址，len-读取长度 */

void FlashRead(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len)

{

FlashBusyWait();

//发送读数据命令与地址

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_READ_DATA);

SPIWrite(addr>>16);

SPIWrite(addr>>8);

SPIWrite(addr);

//连续读取数据

while (len–)

{

*buf++ = SPIRead();

}

SPI_SSEL = 1;

}

/* Flash扇区擦除函数：addr-擦除地址 */

void FlashSectorErase(unsigned long addr)

{

FlashBusyWait();

//发送写使能命令

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_WRITE_ENABLE);

SPI_SSEL = 1;

//发送擦除命令与地址

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_SECTOR_ERASE);

SPIWrite(addr>>16);

SPIWrite(addr>>8);

SPIWrite(addr);

SPI_SSEL = 1;

}

/* Flash页写入函数：

buf-源数据指针，addr-起始地址，

len-待写入长度，返回值-实际写入长度；

本函数不保证将全部数据都写入Flash中，当地址跨页时即停止写入，

如写入数据需跨页时，请在在调用时自行处理跨页及可能的擦除操作 */

unsigned int FlashPageWrite(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len)

{

unsigned int n;

//计算起始地址至下一个页边界的字节数，即可写入的最大字节数

n = FLASH_PAGE_SIZE – (addr % FLASH_PAGE_SIZE);

//待写入长度超过可写入最大字节数时，将其重置为最大字节数

if (len > n)

{

len = n;

}

FlashBusyWait();

//发送写使能命令

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_WRITE_ENABLE);

SPI_SSEL = 1;

//发送页写命令及地址

SPI_SSEL = 0;

SPIWrite(FLASH_PAGE_WRITE);

SPIWrite(addr>>16);

SPIWrite(addr>>8);

SPIWrite(addr);

//连续发送待写入数据

for (n=0; n<len; n++)

{

SPIWrite(*buf++);

}

SPI_SSEL = 1;

return len; //返回实际写入的数据长度

}

flash.c程序的最开始把特殊指令和页大小、扇区大小进行宏定义。

SPIWrite：将单字节按照SPI时序发送。

SPIRead：按照SPI协议读取一个字节数据。

FlashBusyWait：检测Flash是否“忙”状态。Flash在跨页写入、扇区擦除、块擦除等操作中都需要必定的时间，这段时间flash都处于“忙”状态，读写指令均不响应，因此读写之前要使用这个函数进行“忙”检测。

FlashRead：Flash连续读数据指令。

FlashSectorErase：Flash扇区擦除。Kingst51开发板所采用的W25Q32这个Flash最小擦除单位就是扇区擦除。因此除非擦除后没有写入数据，否则要改变已经写入的数据，必须进行擦除动作，最小擦除单元为扇区。

FlashPageWrite：由于连续写入数据有可能遇到跨页的情况，本函数不提供跨页判断，一旦发现无法写入后，将返回写入的字节长度，跨页判断可以在上层应用函数中实现。

将使用SPI协议读写Flash的时序用逻辑分析仪抓出来，并且分别用SPI协议进行解析，如图13-10和13-11所示。

13-10 SPI配置信息

13-11 SPI通信时序图

软件的SPI的配置信息，必须和实际通信一致，才能正确解析数据。除了使用SPI进行解析外，由于这是个flash器件，还可以使用特有的QSPI-flash解析器直接将指令解析出来，如图13-12和图13-13所示。

13-12 QSPI-flash配置信息

13-13 QSPI-flash解析结果

由于程序中存在扇区擦除操作，扇区擦除的时候flash会一直处于“忙”状态无法响应再次写入，因此程序中间段存在一些忙检测波形。将解析结果导出到excel表格中，截取一部分进行观察，如图13-14所示，一共403个字节的数据，图片左侧为前16个字节，图片右侧为后17个字节，中间字节全部为“忙检测”。

图13-14 QSPI-flash数据导出

从解析的数据可以看出，第一个字节是读状态寄存器，了解Flash是否在忙，第二个字节读到了0x00，说明Flash处于不忙的状态。第三个字节0x03为读数据命令，第四个字节是要读取0x000000这个地址的连续数据，读到的2个字节数据是0x05和0x0B。而后再次进行忙检测，由于刚刚进行的是读操作，所以Flash还是处于不忙的状态。然后使用0x06这个写使能命令，写入了0x20指令进行了从0x00地址开始的单个扇区擦除（4096字节）。擦除命令结束后程序进入循环检测flash的“忙”信号，此时在一段时间内，发送0x05，回复的都是0x03，说明flash都处于忙状态，一直到解析后数据的第398行再次检测到0x00的不忙信号，发送0x06这个写使能指令，发送0x02的页写入指令，从地址0x000000开始，写入的2个字节分别为0x06和0x0D。

W25Q32这个Flash的页写入、扇区擦除、块擦除等各种操作所需要的大致时间在手册里都有标注，如图13-15所示。

13-5 W25Q32时序要求

13.4 练习题

1、掌握 DS18B20的时序过程，能够理解1-wrie总线读写的时序。

2、理解SPI的通信原理，SPI通信过程的四种模式配置。

3、理解flash存储器的基本原理和操作方式，能独立完成flash的读写操作。