步驟1：什么是SPI閃存？

我要去痛苦地快速解釋下一部分。我在英特爾的第一份工作是在1993年的閃存組中，自那時(shí)起20年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)生了很大變化，但有些概念仍然保持一致。

閃存是一種非易失性存儲(chǔ)基于MOSFET技術(shù)的存儲(chǔ)器。非易失性意味著器件在未上電時(shí)會(huì)保留其值。

MOSFET

如果您不熟悉MOSFET晶體管的工作原理，我將嘗試用一句話來(lái)解釋?zhuān)阂粔K硅片如果兩端之間有電位差，則兩端有兩個(gè)端子，則不會(huì)導(dǎo)電，但是如果您將另一塊金屬粘貼在該平板的頂部，并將電介質(zhì)夾在中間，然后在該金屬上施加電壓它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)場(chǎng)，電流可以在兩個(gè)終端之間流動(dòng)。端子稱為源極和漏極，金屬稱為柵極。這是一個(gè)超簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)普摿?0年的量子物理學(xué)，但從邁克爾·法拉迪（Michael Farady）的角度來(lái)看，這是合理可行的。

閃光燈晶體管

閃存通過(guò)將一堆電荷載流子噴射到柵極和襯底之間的電介質(zhì)上來(lái)進(jìn)行操作。這稱為編程，通常使用更高的電壓。它實(shí)際上損壞了材料，在100k程序循環(huán)后，門(mén)將失效。為了去除電介質(zhì)中的電荷載流子，應(yīng)使用同樣高的電壓但反向電位將載流子從柵極拉出。這稱為擦除。

編程的閃存位的值為0，擦除的位的值為1，擦除的閃存字節(jié)為十六進(jìn)制的0xFF。 （如今，閃存可以使用多個(gè)電壓電平在每個(gè)單元中存儲(chǔ)多個(gè)位，但這確實(shí)很復(fù)雜。）

閃存架構(gòu)

通常，閃存存儲(chǔ)器包含一個(gè)巨大的晶體管陣列，可以單獨(dú)編程，但只能分組（扇區(qū)，塊或整個(gè)芯片）擦除。這只是擦除電路工作方式的一個(gè)副作用：逐位擦除將需要過(guò)多的金屬密度，并且并不是全部有用（實(shí)際上，擦除較大的塊就可以了）。

由于對(duì)單個(gè)晶體管進(jìn)行編程會(huì)由于升高高電壓以及隨之而來(lái)的所有控制而變慢，因此通常在頁(yè)面中對(duì)閃存進(jìn)行編程。通常，閃存設(shè)備將具有小的SRAM頁(yè)面緩沖區(qū)（256位），主機(jī)將首先快速填充數(shù)據(jù)，然后主機(jī)發(fā)出頁(yè)面寫(xiě)入命令，并且閃存芯片在大批量作業(yè)中寫(xiě)入所有頁(yè)面字節(jié)。該批處理電路在較大數(shù)量的位上分配啟動(dòng)寫(xiě)入延遲。提供兩個(gè)或多個(gè)頁(yè)面緩沖區(qū)使主機(jī)可以使用雙緩沖區(qū)技術(shù)來(lái)隱藏閃存設(shè)備的寫(xiě)入延遲。

SPI

串行外圍接口是一項(xiàng)了不起的發(fā)明。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的串行接口，使用片選，時(shí)鐘，數(shù)據(jù)IN和數(shù)據(jù)OUT。 SPI設(shè)備有很多種，因?yàn)樗且粋€(gè)非常流行的接口，并且所有SPI設(shè)備都使用一個(gè)公共庫(kù)：一旦您知道如何與一個(gè)SPI設(shè)備通信，就可以與任何SPI設(shè)備通信。

SPI的優(yōu)勢(shì)在于它的軟件簡(jiǎn)單性，代碼基本上在時(shí)鐘的上升沿分別將數(shù)據(jù)移入和移出DI和DO引腳。時(shí)鐘由主機(jī)控制，它不需要花哨的時(shí)鐘電路：只要您遵守設(shè)備的最小周期寬度要求，相位就可以像您想要的那樣不對(duì)稱。

FLASH SPI

閃存SPI內(nèi)存簡(jiǎn)單地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。請(qǐng)注意，SD卡使用SPI以及此分立芯片。驚喜！編程界面沒(méi)有太大區(qū)別，但是實(shí)際的指令和時(shí)間有所不同。

步驟2：WinBond設(shè)備界面

上面顯示的引腳排列取自WinBond數(shù)據(jù)表。

引腳1：片選（/CS，有時(shí)稱為/SS，用于“串行選擇”）

CS是“片選”引腳。當(dāng)您想要與該設(shè)備通信時(shí)設(shè)置CS引腳，因?yàn)槟赡苡惺畮讉€(gè)SPI設(shè)備共享同一總線，并且您通過(guò)其CS引腳唯一地識(shí)別每個(gè)設(shè)備。 CS前面的斜線表示“低電平有效”：與該器件通信，將該引腳拉至邏輯電平零；將其從共享總線中移除，驅(qū)動(dòng)邏輯1級(jí)。

引腳2：數(shù)據(jù)輸出（DO）

從該引腳讀取串行數(shù)據(jù)。它將連接到總線的MISO（主輸入/從輸出）線。通常，您以預(yù)定的順序向SPI設(shè)備寫(xiě)入命令。在該序列完成后，根據(jù)序列中的指令，然后從DO引腳讀取數(shù)據(jù)。

引腳3：寫(xiě)保護(hù)（/WP）

此引腳禁用寫(xiě)入。有時(shí)您會(huì)看到連接到此引腳的跳線，以便對(duì)編程/擦除機(jī)制提供非常嚴(yán)格的控制：如果設(shè)置為低電平，則無(wú)法對(duì)器件進(jìn)行編程或擦除。我通常將它硬連接到Vdd并允許我的軟件通過(guò)串行命令控制寫(xiě)入啟用/禁用（稍后我們將討論）。

編輯（2016-12-16）感謝用戶velsoft捕獲一個(gè)錯(cuò)字：我把極性混淆了。

引腳4：接地

這只是接地引腳。

引腳5：數(shù)據(jù)輸入（DI）

這是輸入串行引腳。它將連接到總線的MOSI（主輸出/從輸入）線。主機(jī)系統(tǒng)將命令和數(shù)據(jù)寫(xiě)入該引腳。

引腳6：時(shí)鐘（CLK）

時(shí)鐘引腳決定數(shù)據(jù)位的傳輸方式在DI和DO引腳上。 DI/DO引腳在時(shí)鐘引腳的上升沿上采樣。

引腳7：保持（/HD）

我從沒(méi)用過(guò)pin，但它允許主機(jī)設(shè)備暫停正在進(jìn)行的任何事務(wù)。您可能永遠(yuǎn)不需要使用該引腳，因此我將其連接到VCC（低電平有效）。

引腳8：VCC

源電壓。

步驟3：如何讀取時(shí)序圖

現(xiàn)在我已經(jīng)解釋了flash，SPI，以及SPI閃存器件的具體實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)需要了解的是通信時(shí)序圖*。時(shí)序圖解釋了引腳上數(shù)據(jù)的排序，以向器件發(fā)出指令。每個(gè)SPI設(shè)備都響應(yīng)其自己的指令集（例如，閃存設(shè)備將具有讀或擦除指令），時(shí)序圖是該指令的概念行為與執(zhí)行該指令的實(shí)際硬件協(xié)議之間的鏈接。 p》

在本節(jié)的圖表中，我復(fù)制了數(shù)據(jù)手冊(cè)中的芯片擦除時(shí)序圖，因?yàn)檫@是最容易理解的。

底部軸是時(shí)間，垂直軸代表四個(gè)SPI引腳，隨著時(shí)間的推移，序列數(shù)據(jù)應(yīng)出現(xiàn)在它們上以執(zhí)行指令。注意：“高阻抗”意味著您可以忽略該信號(hào)（它被驅(qū)動(dòng)為非0或1，但是電阻極高，因此實(shí)際上是開(kāi)路）。兩條線出現(xiàn)的情況（如DI），簡(jiǎn)單表示某種轉(zhuǎn)變正在發(fā)生但未知;單行表示存在特定的高值或低值。

讓我們從左到右，從上到下查看圖表。

為了與任何SPI設(shè)備通信，必須將芯片選擇置于高電平然后驅(qū)動(dòng)為低電平（記住/CS表示低電平有效）。當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，請(qǐng)注意，圖中的時(shí)鐘已非常明確地繪制為顯示八個(gè)階段。這意味著您必須將時(shí)鐘脈沖八次，每位一次。在時(shí)鐘頻閃時(shí)，數(shù)據(jù)從高到低變?yōu)楦?。我認(rèn)為DI圖是錯(cuò)誤的，因?yàn)槿绻阍诿總€(gè)時(shí)鐘的上升沿畫(huà)一條垂直線并計(jì)算這些點(diǎn)的DI的二進(jìn)制值，你應(yīng)該得到值11000111或0xC7。這是告訴芯片擦除自身的指令。一旦將芯片選擇拉高，內(nèi)部電路將開(kāi)始執(zhí)行0xC7/芯片擦除功能。該指令大約需要1到2秒的時(shí)間。

請(qǐng)記住，您實(shí)際上不需要將時(shí)鐘引腳切換8次以發(fā)送8位字節(jié)，SPI庫(kù)會(huì)執(zhí)行此操作當(dāng)你使用函數(shù)SPI.transfer（）時(shí)為你。您仍然需要使用digitalWrite（）手動(dòng)驅(qū)動(dòng)/CS，但SCK，MOSI和MISO都由SPI函數(shù)處理。

您將在源代碼中注意到一個(gè)名為“not_busy（）”的函數(shù)。該功能不斷發(fā)出“讀控制寄存器＃1”并檢查位0，指示內(nèi)部操作是否已完成，閃存不忙。此操作的時(shí)序與數(shù)據(jù)表的圖9.2.8相符。

*注意我并不是指電氣時(shí)序圖，它向納秒級(jí)解釋了內(nèi)部數(shù)字邏輯的建立和保持時(shí)間;我所指的圖是忽略納秒并描述邏輯事件序列的邏輯圖。 SPI接口的實(shí)際電氣時(shí)序由Arduino SPI庫(kù)處理。老實(shí)說(shuō)，該代碼不是很復(fù)雜，如果您要針對(duì)一種特定的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化該代碼。

步驟4：使用Level-Shifters與Arduino Uno接口

Arduino Uno的數(shù)字輸出分別以邏輯低電平和高電平傳輸0V和5V。 WinBond閃存芯片僅在2.7V至3.6V之間工作。每當(dāng)不同電壓平面上的邏輯電路需要通信時(shí)，我們都必須使用電平轉(zhuǎn)換器。

電平轉(zhuǎn)換器最簡(jiǎn)單的形式是一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管鉗位。世界上還有許多其他類(lèi)型的電平移位器，有些更快，有些用功率更少，齊納鉗方法快速簡(jiǎn)便。

所有二極管都具有反向擊穿電壓，此時(shí)它們開(kāi)始進(jìn)行。齊納二極管專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于在精細(xì)調(diào)諧的電壓下?lián)舸?。就我而言，我?.3V齊納二極管與每個(gè)芯片的數(shù)字輸入并聯(lián)（參見(jiàn)原理圖）。 （至于其他四個(gè)引腳，地是0V，Uno板為VCC提供3.3V電源，所以這些引腳不需要二極管，我硬連線/WP和/HOLD到3.3V Vcc。） 》更新：我忘了將330歐姆電阻與Uno驅(qū)動(dòng)器的輸出串聯(lián)。通常，如果您將Uno的數(shù)字輸出連接到另一臺(tái)設(shè)備的數(shù)字輸入，則只需一條簡(jiǎn)單的電線就可以了（因?yàn)槟鷮⒁粋€(gè)數(shù)字邏輯信號(hào)連接到另一個(gè)，請(qǐng)參見(jiàn)ATmega328數(shù)據(jù)手冊(cè)的第13.1節(jié)“等效于I/O引腳”原理圖“）。但是由于輸出路徑現(xiàn)在通過(guò)齊納二極管分支，因此您需要一個(gè)電阻來(lái)限制由Uno/ATmega芯片的邏輯輸出驅(qū)動(dòng)的最大電流。如果沒(méi)有電阻，這條接地路徑可能會(huì)超過(guò)器件的最大輸出電流。雷，那會(huì)不好。

現(xiàn)在，每當(dāng)Uno將5V邏輯高電平驅(qū)動(dòng)到/CS引腳時(shí)，齊納二極管就會(huì)切換到擊穿模式，從而將電壓鉗位到3.3V，因此保護(hù)這些閃存芯片的輸入邏輯。

使用這些夾具，我將Arduino Uno的數(shù)字輸出引腳10（SS）連接到/CS，引腳11（MOSI）連接到DI，引腳12（MISO）連接到/CS。 DO和引腳13（SCK）到CLK。 （請(qǐng)注意，Atmega328的引腳與Uno的引腳不同，例如，Atmega引腳＃19是Uno引腳＃13。）SPI軟件庫(kù)假定引腳10 = SS，等等。

第5步：代碼代碼代碼！

我寫(xiě)了一個(gè)草圖，允許我通過(guò)串行監(jiān)視器（或什至通過(guò)串行TTY通信）與Uno通信。一個(gè)Unix提示符，你可以看到）。這是一種調(diào)試新硬件的有用方法，因?yàn)槲铱梢越换ナ桨l(fā)出命令。

“serialEvent（）”函數(shù)是一個(gè)內(nèi)置的回調(diào)函數(shù)，只要在默認(rèn)的Serial對(duì)象上發(fā)生某些事情就會(huì)調(diào)用它。我使用此回調(diào)來(lái)構(gòu)造命令字符串并設(shè)置一個(gè)布爾標(biāo)志（當(dāng)回調(diào)從流中讀為分號(hào)“;”時(shí)，字符串的逐字節(jié)構(gòu)造完成；我使用它代替換行符，因?yàn)闆](méi)有辦法從串行監(jiān)視器發(fā)出換行符）。當(dāng)回調(diào)構(gòu)造字符串并設(shè)置標(biāo)志時(shí)，“l(fā)oop（）”函數(shù)執(zhí)行解碼器。解碼器根據(jù)命令字符串確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，并解析命令字符串中的任何其他參數(shù)，并調(diào)用該函數(shù)。

每個(gè)函數(shù)本質(zhì)上是WinBond的低級(jí)實(shí)現(xiàn)的包裝器SPI功能時(shí)序圖。我使用了一個(gè)包裝器，以便低級(jí)函數(shù)保持通用：我可以在其他草圖中使用簡(jiǎn)單的剪切和粘貼再次使用它們。此外，包裝器會(huì)向用戶輸出一些反饋，這對(duì)于調(diào)試非常有用。

上面的屏幕截圖顯示了與串行監(jiān)視器的交互式會(huì)話。我發(fā)出了四個(gè)命令，“get_jedec_id;”，“read_page 0;”，“write_byte 0 2 8;”和“read_page 0;”你實(shí)際上沒(méi)有看到命令（串行監(jiān)視器沒(méi)有回聲，我沒(méi)有打印確切的命令。.我可能應(yīng)該有），但你確實(shí)看到了響應(yīng)。當(dāng)我讀/寫(xiě)/讀第0頁(yè)時(shí)應(yīng)該最清楚?！皉ead_page;”命令只是轉(zhuǎn)儲(chǔ)指定的頁(yè)面（十進(jìn)制）。 “write_byte;”函數(shù)有點(diǎn)奇怪，因?yàn)閰?shù)指定頁(yè)碼，該頁(yè)的偏移量和字節(jié)。由于16位Atmega中沒(méi)有本機(jī)32位寄存器，因此我不打算進(jìn)行邏輯到物理轉(zhuǎn)換，但您需要在某些時(shí)候考慮這種轉(zhuǎn)換。無(wú)論如何，請(qǐng)注意頁(yè)面零的第三個(gè)字節(jié)現(xiàn)在是“08h”。

我本可以發(fā)出“chip_erase;”然后“read_page 0;”為了說(shuō)明擦除周期，但希望你得到圖片。

低級(jí)函數(shù)以“_”開(kāi)頭，并命名為“_read_page”或“_write_page”或“_erase_chip”。這些函數(shù)明確地排序了數(shù)據(jù)表時(shí)序圖中的SPI命令。每個(gè)函數(shù)都以調(diào)用“not_busy（）”結(jié)束，以防止執(zhí)行在芯片完成內(nèi)部操作之前繼續(xù)執(zhí)行。

編輯（2014年3月11日）：_read_page低級(jí)函數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題，我忘了在功能開(kāi)始時(shí)將CS拉高，然后將其拉高，就像其他功能一樣。這意味著如果_read_page是您調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)，則CS可能尚未為高，因此如果沒(méi)有有效的/CS 1-》 0轉(zhuǎn)換，_read_page將無(wú)法正常運(yùn)行，第一次調(diào)用它。第二次可以正常工作，因?yàn)樗鼘?CS保留為1。小但煩人的錯(cuò)誤。

步驟6：使用TTY下載數(shù)據(jù)

此Instructable的真正原因是演示如何將整個(gè)閃存下載到單個(gè)文件中。為此，我使用了Unix函數(shù)“ tail -f”和重定向。

Unix函數(shù)“ tail”將打印文本文件的最后10行。當(dāng)給定參數(shù)“-f”時(shí)，“tail”將保持連接到重定向，直到它捕獲SIGINT（例如，Ctrl-C）。

此屏幕截圖中打開(kāi)了三個(gè)窗口：Arduino IDE左側(cè)是串行監(jiān)視器，在右上方，而OSX POSIX終端在右下方。在OSX/POSIX平臺(tái)上，Uno的USB控制器顯示為/dev/tty設(shè)備，在這種情況下為“/dev/tty.usbmodem1411”。我將“tail -f”連接到此設(shè)備并將輸出重定向到文件。

然后我發(fā)出了“read_page 0;”在串口監(jiān)視器中命令，并且輸出通過(guò)“尾”發(fā)送，因?yàn)樗B接到TTY的輸出，然后發(fā)送到文件。然后我用“ cat”文件來(lái)證明已捕獲了串行流。

現(xiàn)在，我要轉(zhuǎn)儲(chǔ)整個(gè)IREIRE閃存芯片所需要做的就是在終端提示符下鍵入以下內(nèi)容：

％tail -f/dev/tty.usbmodem1411》 1MB_of_flash.txt

然后在“串行監(jiān)視器”窗口中鍵入以下內(nèi)容：

read_all_pages;

然后鍵入CTRL -C在終端窗口中停止“尾部”過(guò)程。

完成并完成！這就是為什么Unix比任何其他操作系統(tǒng)都要優(yōu)越得多，恕我直言。

第7步：結(jié)論

這是期待已久的數(shù)據(jù)記錄器Instructables的續(xù)集。我已經(jīng)答應(yīng)了一種即將采用的方法將數(shù)據(jù)從閃存芯片中拉出來(lái)，就在這里。

我希望你發(fā)現(xiàn)這個(gè)Instructable非常有用：我所知道的99％是通過(guò)閱讀這樣的東西來(lái)學(xué)習(xí)的。其他人花時(shí)間寫(xiě)的網(wǎng)，我非常感謝他們的努力。
責(zé)任編輯：wv