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，自那時起20年來，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基于MOSFET技術(shù)的存儲器。非易失性意味著器件在未上電時會保留其值。

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解釋：一塊硅片如果兩端之間有電位差，則兩端有兩個端子，則不會導(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產(chǎn)生一個場，電流可以在兩個終端之間流動。端子稱為源極和漏極，金屬稱為柵極。這是一個超簡單的解釋，推論了50年的量子物理學(xué)，但從邁克爾·法拉迪（Michael Farady）的角度來看，這是合理可行的。

閃光燈晶體管

閃存通過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，閃存可以使用多個電壓電平在每個單元中存儲多個位，但這確實(shí)很復(fù)雜。）

閃存架構(gòu)

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

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

SPI

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

SPI的優(yōu)勢在于它的軟件簡單性，代碼基本上在時鐘的上升沿分別將數(shù)據(jù)移入和移出DI和DO引腳。時鐘由主機(jī)控制，它不需要花哨的時鐘電路：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稱。

FLASH SPI

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

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)備通信時設(shè)置CS引腳，因?yàn)槟赡苡惺畮讉€SPI設(shè)備共享同一總線，并且您通過其CS引腳唯一地識別每個設(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)動邏輯1級。

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：寫保護(hù)（/WP）

此引腳禁用寫入。有時您會看到連接到此引腳的跳線，以便對編程/擦除機(jī)制提供非常嚴(yán)格的控制：如果設(shè)置為低電平，則無法對器件進(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串行命令控制寫入啟用/禁用（稍后我們將討論）。

編輯（2016-12-16）感謝用戶velsoft捕獲一個錯字：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)寫入該引腳。

引腳6：時鐘（CLK）

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

引腳7：保持（/HD）

我從沒用過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)，接下來需要了解的是通信時序圖*。時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)手冊中的芯片擦除時序圖，因?yàn)檫@是最容易理解的。

底部軸是時間，垂直軸代表四個SPI引腳，隨著時間的推移，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（它被驅(qū)動為非0或1，但是電阻極高，因此實(shí)際上是開路）。兩條線出現(xiàn)的情況（如DI），簡單表示某種轉(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)動為低電平（記住/CS表示低電平有效）。當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖綍r，請注意，圖中的時鐘已非常明確地繪制為顯示八個階段。這意味著您必須將時鐘脈沖八次，每位一次。在時鐘頻閃時，數(shù)據(jù)從高到低變?yōu)楦摺Ｎ艺J(rèn)為DI圖是錯誤的，因?yàn)槿绻阍诿總€時鐘的上升沿畫一條垂直線并計(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)部電路將開始執(zhí)行0xC7/芯片擦除功能。該指令大約需要1到2秒的時間。

請記住，您實(shí)際上不需要將時鐘引腳切換8次以發(fā)送8位字節(jié)，SPI庫會執(zhí)行此操作當(dāng)你使用函數(shù)SPI.transfer（）時為你。您仍然需要使用digitalWrite（）手動驅(qū)動/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。此操作的時序與數(shù)據(jù)表的圖9.2.8相符。

*注意我并不是指電氣時序圖，它向納秒級解釋了內(nèi)部數(shù)字邏輯的建立和保持時間;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)際電氣時序由Arduino SPI庫處理。老實(shí)說，該代碼不是很復(fù)雜，如果您要針對一種特定的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可以進(jìn)一步簡化該代碼。

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，我們都必須使用電平轉(zhuǎn)換器。

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

所有二極管都具有反向擊穿電壓，此時它們開始進(jìn)行。齊納二極管專門設(shè)計(jì)用于在精細(xì)調(diào)諧的電壓下?lián)舸＞臀叶裕覍?.3V齊納二極管與每個芯片的數(shù)字輸入并聯(lián)（參見原理圖）。 （至于其他四個引腳，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設(shè)備的數(shù)字輸入，則只需一條簡單的電線就可以了（因?yàn)槟鷮⒁粋€數(shù)字邏輯信號連接到另一個，請參見ATmega328數(shù)據(jù)手冊的第13.1節(jié)“等效于I/O引腳”原理圖“）。但是由于輸出路徑現(xiàn)在通過齊納二極管分支，因此您需要一個電阻來限制由Uno/ATmega芯片的邏輯輸出驅(qū)動的最大電流。如果沒有電阻，這條接地路徑可能會超過器件的最大輸出電流。雷，那會不好。

現(xiàn)在，每當(dāng)Uno將5V邏輯高電平驅(qū)動到/CS引腳時，齊納二極管就會切換到擊穿模式，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軟件庫假定引腳10 = SS，等等。

第5步：代碼代碼代碼！

我寫了一個草圖，允許我通過串行監(jiān)視器（或什至通過串行TTY通信）與Uno通信。一個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)是一個內(nèi)置的回調(diào)函數(shù)，只要在默認(rèn)的Serial對象上發(fā)生某些事情就會調(diào)用它。我使用此回調(diào)來構(gòu)造命令字符串并設(shè)置一個布爾標(biāo)志（當(dāng)回調(diào)從流中讀為分號“;”時，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]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，“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)。

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

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

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

低級函數(shù)以“_”開頭，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)表時序圖中的SPI命令。每個函數(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低級函數(shù)出現(xiàn)問題，我忘了在功能開始時將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)用的第一個函數(shù)，則CS可能尚未為高，因此如果沒有有效的/CS 1-》 0轉(zhuǎn)換，_read_page將無法正常運(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閃存下載到單個文件中。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，“tail”將保持連接到重定向，直到它捕獲SIGINT（例如，Ctrl-C）。

此屏幕截圖中打開了三個窗口：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“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”文件來證明已捕獲了串行流。

現(xiàn)在，我要轉(zhuǎn)儲整個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，就在這里。

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