帶RTC的I2C總線(xiàn)鐵電存儲(chǔ)器FM31256的設(shè)計(jì)

FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系統(tǒng)監(jiān)控和非易失性鐵電存儲(chǔ)芯片。與其他非易失性存儲(chǔ)器比較,它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 讀/寫(xiě)速度快,沒(méi)有寫(xiě)等待時(shí)間;功耗低,靜態(tài)電流小于1 mA,寫(xiě)入電流小于150 mA;擦寫(xiě)使用壽命長(zhǎng),芯片的擦寫(xiě)次數(shù)為100億次,比一般的EEPROM存儲(chǔ)器高10萬(wàn)倍,即使每秒讀/寫(xiě)30次,也能用10年;讀/寫(xiě)的無(wú)限性,芯片擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)100億次后,還能和SRAM一樣讀/寫(xiě)。

鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲(chǔ)器同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和非易失性存儲(chǔ)的特性。本文介紹了FM31256的主要功能,并具體給出了基于嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)的存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)程序。

1 FM31256的基本結(jié)構(gòu)及原理

FM31256由256 KB存儲(chǔ)器和處理器配套電路(processor companion)兩部分組成。與一般的采用備份電池保存數(shù)據(jù)不同,FM31256是真正意義上的非易失(truly nonvolatile)存儲(chǔ)器,并且用戶(hù)可以選擇對(duì)不同的存儲(chǔ)區(qū)域以軟件方式進(jìn)行寫(xiě)保護(hù)。

FM31256 器件將非易失FRAM與實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、處理器監(jiān)控器、非易失性事件計(jì)數(shù)器、可編程可鎖定的64位ID號(hào)和通用比較器相結(jié)合。其中,通用比較器可提前在電源故障中斷(NMI)時(shí)發(fā)揮作用或?qū)崿F(xiàn)其他用途。采用先進(jìn)的0.35 μm制造工藝,這些功能通過(guò)一個(gè)通用接口嵌入到14個(gè)引腳的SOIC封裝中,從而取代系統(tǒng)板上的多個(gè)元件。存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)以及其他控制功能都通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1為FM31256的原理圖。其中,SDA和SCL引腳用于與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令寫(xiě)入,數(shù)據(jù)輸出部分均具有施密特觸發(fā)器,以提高抗干擾性能;同時(shí),SDA作為二線(xiàn)接口中的雙向信號(hào)線(xiàn),集電極開(kāi)路輸出,可與二線(xiàn)總線(xiàn)上其他器件進(jìn)行“線(xiàn)或”。A1～A0為器件地址選擇信號(hào),即總線(xiàn)上可同時(shí)使用4個(gè)同類(lèi)器件。正常模式下,PFI引腳分別為比較器的輸入(不可懸空),CAL/PFO引腳輸出PFI引腳的輸入信號(hào)與1.2 V參考電壓之間的比較結(jié)果;校準(zhǔn)模式下,CAL/PFO引腳將輸出512 Hz的方波用于時(shí)鐘校準(zhǔn)。CNT2～CNT1是通過(guò)備份電池支持的事件計(jì)數(shù)器的兩路輸入端,通過(guò)邊沿觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,觸發(fā)沿由用戶(hù)自由選擇。

圖1 FM31256原理圖

2 FM31256功能及使用方法

在FM31256中,有25個(gè)特殊功能寄存器(SFR)00H～18H。通過(guò)對(duì)這些功能寄存器進(jìn)行操作,可以實(shí)現(xiàn)各種功能。

2.1 特殊功能寄存器

(1) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和比較器

實(shí)時(shí)時(shí)鐘包括晶體振蕩器、時(shí)鐘分頻器和寄存器系統(tǒng)。它分割32.768 Hz的時(shí)基信號(hào)以提供1 s(1 Hz)的分辨率,寄存器(02H～08H)以BCD格式提供秒、分、時(shí)、星期、日、月、年信息,用戶(hù)可對(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)訪問(wèn)。啟動(dòng)時(shí)鐘前須將SFR中01H地址的OSCEN位(D7)置位,振蕩器起振;同時(shí)將00H地址的R位(D0)置位,可將時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器用于讀出。若此時(shí)正處于時(shí)鐘刷新階段,則由于刷新操作優(yōu)先于寫(xiě)入寄存器的操作,因而保證了時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。重新設(shè)置時(shí)鐘時(shí),只須設(shè)定00H地址的W位。

FM31256的時(shí)鐘精度可通過(guò)軟件校準(zhǔn),將00H地址的CAL位(D2)置位,時(shí)鐘進(jìn)入校準(zhǔn)模式,比較器輸出512 Hz的頻率信號(hào),并可通過(guò)設(shè)置01H地址的CAL4～CAL0位(D4～D0)確定校準(zhǔn)值。當(dāng)00H地址的CAL位(D2)為0時(shí),進(jìn)入比較器模式。

(2) 處理器伴侶

處理器伴侶包括CPU通常需要的功能。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)由低電平狀態(tài)或看門(mén)狗計(jì)數(shù)溢出的中斷輸出信號(hào)。

當(dāng)系統(tǒng)電源電壓低于設(shè)定的閾值或看門(mén)狗計(jì)數(shù)器溢出時(shí),FM31256將輸出低電平復(fù)位脈沖,復(fù)位信號(hào)持續(xù)100ms。改變0BH地址的VTP1～VTP0位(D1～D0),可以設(shè)定電平檢測(cè)的閾值;改變0AH地址的WDT4～WDT0位(D4～D0),看門(mén)狗的溢出時(shí)間可以在100 ms到3 s之間選擇,其中0AH地址的WDE位(D7),用于看門(mén)狗啟動(dòng)或停止;09H地址用于監(jiān)視復(fù)位信號(hào)來(lái)源(看門(mén)狗計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位或后備電源電壓)以及控制看門(mén)狗計(jì)數(shù)器清零。系統(tǒng)軟件須在要求的時(shí)間周期內(nèi),向09H地址的WR3～WR0位(D3～D0)寫(xiě)入1010,使計(jì)數(shù)器清零。

(3) 事件計(jì)數(shù)器

FM31256有2個(gè)獨(dú)立的后備電池支持的16位事件計(jì)數(shù)器CN1和CN2,位于寄存器0DH～10H中。若將SFR中0CH地址的CC位(D2)置位,則可以組成一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器。CIN1和CIN2是事件計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入端,在32位計(jì)數(shù)器模式下CIN2無(wú)效。計(jì)數(shù)采用可編程邊沿觸發(fā)方式,若0CH地址的C1P位(D0)置位,則CIN1采用上升沿觸發(fā),否則是下降沿觸發(fā);0CH地址的C2P位(D1)用于控制CIN2。

(4) 串行數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)區(qū)

FM31256的SFR中的11H～18H地址串行標(biāo)識(shí)區(qū)中可以保存8字節(jié)(64位)數(shù)據(jù)。該存儲(chǔ)區(qū)為非易失性存儲(chǔ)區(qū),可對(duì)其進(jìn)行無(wú)限次的讀/寫(xiě)操作,但如果將0BH地址的SNL位(D7)置位,則不能再對(duì)該存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行操作,且這種操作是不可逆的。

2.2 FM31256的讀/寫(xiě)操作

FM31256作為從機(jī),集成了兩個(gè)功能不同的部件,每個(gè)部件都可以被獨(dú)立訪問(wèn)。一個(gè)是存儲(chǔ)器,訪問(wèn)時(shí)從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1010B;若要訪問(wèn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/處理器伴侶,則從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1101B。該器件采用二線(xiàn)制的I2C接口,二線(xiàn)協(xié)議由SDA和SCL兩個(gè)引腳的狀態(tài)確定。共有4種狀態(tài)： 開(kāi)始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。其通信基本格式如圖2所示。