超大容量存储器在管道通径仪中的应用

闪存(Flash Memory)是一种可以进行电擦写并且掉电后信息不丢失(非易失，Non-Volatile)的存储器，具有功耗低、擦写速度快等特点，被广泛应用于外部存储领域。
管道运输作为当前油气资源的主要输送手段，其运行安全性受到越来越多的重视。由于不同的要求使得铺设的管道直径不尽相同，并且管道在长期运行过程中也会存在各种变形，这对管道缺陷检测器的运行有相当大的影响，容易造成卡死等后果。通径仪就是鉴于此研制的记录管径变动情况的仪器。一般情况下，通径仪连续运行几百公里，相应记录的数据将达到上百兆字节。32MB、64MB的闪存已经不能满足需求。因此选用了Samsung公司开发的K9F2G08U0M，其单片容量高达264MB，可满足工程需求。
本文将介绍该存储器的主要性能及其在管道通径仪中的应用。
1 K9F2G08U0M存储器简介
从接口角度看，虽然K9F2G08U0M的容量和寻址范围远远超过常见单片机的容量和寻址范围，但由于芯片上的写控制器能自动控制所有编程和擦除功能，提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间，而且只通过I/O接口接收单片机的命令和数据而不需要地址线，因此实际操作起来非常方便。另外芯片是通过“与非”单元结构增大容量，所以没有因此而削弱自身性能；芯片具有独立的1页大小的数据存储器和缓存存储器，因此可以在0.2ms内完成2112B的页编程操作，在 2ms内完成128KB的块擦除操作，同时数据区内的数据能以30ns/B的速度读出。
整个存储区被分为2 048个相互独立的块，可从逻辑上和物理上对块的组织结构分类。
图1为块的逻辑结构，每个块分为64页，每页为2 112B(2 048B+额外存储区的64B)。芯片通过页地址和页内字节地址访问每一个字节。通常页地址称为行地址，而页内字节地址称为列地址，即264MB=2048块×64页/块×2112字节/页=217行×2112列。因此，行地址需要3个字节，列地址2个字节，输入顺序如表1所示。

从物理结构上看，该芯片为“与非”结构存储器，每个块由两个“与非”结构串组成，每个“与非”结构串包含 16 896个“与非”结构，每个“与非”结构由32个基本单元(每个基本单元为1位)组成，这32个基本单元分别位于不同的页内，由此得到每个块的物理结构，如图2所示。

2 硬件连接设计
管道通径仪的结构框图如图3所示。管道检测时MCU采集参数并存储在Flash中，检测完毕后通过USB接口传输至上位机进行数据分析。

如前所述，对K9F2G08U0M的操作可以通过只向I/O接口发送数据(包括命令码、行列地址码等)来实现，因此最直接的方式是使用单片机的一个端口作为与芯片的数据接口，并以单片机的GPIO引脚连接CE、ALE、CLE以及，编程时按照手册中的时序图控制这些引脚。但是由于每次操作这些引脚都需要大量的控制线电平转换，使程序十分繁冗。
由于C8051F020提供了外部存储器接口(EMIF)，而接口时序由EMIF硬件产生，使其对片外扩展的器件操作像对内存单元的寻址一样简便快捷。下面采用这种硬件连接方式，对K9F2G08U0M的主要操作进行介绍。电路如图4所示，C8051F020只画出了EMIF接口部分，选用非复用方式，以 IO7~0作为数据线，CE、ALE、CLE作为地址线。由于通径仪中需要随时写入数据，因此写保护端接高电平。
采用外部存储器接口对器件编程时，最重要的是保证总线时序与器件时序一致。C8051F020的EMIF接口时序能够以系统时钟周期为单位编程，因此允许连接具有不同建立时间和保持时间要求以及不同/WR、/RD选通脉冲宽度的器件。

单片机EMIF在非复用方式，一次片外XRAM 操作的最小执行时间为5 个SysClk 周期（用于或 脉冲的1 个SysClk+4个额外SysClk）。若单片机系统采用20MHz晶振，一次MOVX操作的最小执行时间为250ns，而K9F2G08U0M交流参数中最小建立保持时间的上界为100ns，则即使采用EMI0TC最小的时序参数也不需要在程序中额外加入延时指令。
3 软件设计
本系统采用C语言编程，提高了开发速度并降低了维护难度。下面分别介绍存储器的主要操作。
3.1 按页读
K9F2G08U0M中有一个2112B即1页大小的数据寄存器，这就决定了存储器的读操作是以1页为基本单元进行的。如图5所示，写入30H后，行地址所指定的页中的数据将在25?滋s内传输到数据寄存器中，然后在脉冲的作用下，不但可以从指定的列地址开始连续读到该页末尾，也可以按照流程图中的虚线部分输入随机读指令码，任意读取该页中的内容，并且不受次数限制。

下面是按页读操作函数的C语言代码。
sbit RdyorBsy=P0^0；
unsigned char xdata * data pK9F；
void PageRead(unsigned int ColAdd，unsigned long
RowAdd，unsigned int len)
{
unsigned int i=0；
unsigned char ColTemp，RowTemp；
ColTemp=(unsigned char)(ColAdd>>8)；
RowTemp=(unsigned char)(RowAdd>>16)；
ColTemp =0x0F；
RowTemp =0x01；