鐵電存儲(chǔ)器FM24C16原理及在多MCU系統(tǒng)中應(yīng)用
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美國Ramtron公司鐵電存儲(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)存取記憶體（RAM）和非易失性存儲(chǔ)器的特性。鐵電晶體的工作原理是：當(dāng)在鐵電晶體材料上加入電場(chǎng)，晶體中的中心原子會(huì)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。晶體中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)記為邏輯中的0，另一個(gè)記為1。中心原子能在常溫、沒有電場(chǎng)的情況下，停留在此狀態(tài)達(dá)100年以上。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于整個(gè)物理過程中沒有任何原子碰撞，鐵電存儲(chǔ)器有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等特性。
鐵電存儲(chǔ)器和E2PROM比較起來，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）FRAM可以以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時(shí)等待，而E2PROM在寫入后一般要5～10 ms的等待數(shù)據(jù)寫入時(shí)間；
（2）FRAM有近乎無限次寫入壽命。一般E2PROM的壽命在十萬到一百萬次寫入時(shí)，而新一代的鐵電存儲(chǔ)器已經(jīng)達(dá)到一億個(gè)億次的寫入壽命。
（3）E2PROM的慢速和大電流寫入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去寫入每個(gè)字節(jié)。
由于FRAM有以上優(yōu)點(diǎn)，其特別適合于那些對(duì)數(shù)據(jù)采集、寫入時(shí)間要求很高的場(chǎng)合，而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，其可靠的存儲(chǔ)能力也讓我們可以放心的把一些重要資料存儲(chǔ)于其中，其近乎無限次寫入的使用壽命，使得他很適合擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存記憶體，用來在子系統(tǒng)之間傳輸各種數(shù)據(jù)，供各個(gè)子系統(tǒng)頻繁讀寫。從FRAM問世以來，憑借其各種優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、航空航天、工業(yè)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)取款機(jī)等。
在設(shè)計(jì)的碳控儀系統(tǒng)中，由于對(duì)控制碳勢(shì)適時(shí)性的要求較高，而且系統(tǒng)由2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)都要頻繁讀寫存儲(chǔ)器，所以我們把原來的X25045換成FM24C16以滿足要求。如圖1及表1所示。
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FM24C16是串行非易失存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為2 048×8 b，共分8頁，每頁256 B；工作電壓為＋5 V；接口方式為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2線接口：SDA和SCL；功能操作和串行E2PROM相似，有讀和寫兩種操作狀態(tài)，讀、寫時(shí)序和I2C總線類似。
FM24C16的寫操作可以分為2種：字節(jié)寫和頁面寫。字節(jié)寫就是每次寫入單個(gè)字節(jié)，頁面寫可以一次寫入整頁（256 B）的數(shù)據(jù)。而且，由于沒有寫延時(shí)，數(shù)據(jù)寫入速度很快（一般為μs級(jí)），特別是在頁面寫的時(shí)候，不需要數(shù)據(jù)緩沖，可以一次寫入256 B的數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)頁面寫，這是其他E2PROM做不到的，比如AT24C16，在頁面寫的時(shí)候，每次最多能寫入16 B數(shù)據(jù)。
FM24C16的寫操作時(shí)序中可分為起始位（START）、數(shù)據(jù)位、從應(yīng)答位、停止位（STOP），其中，從應(yīng)答位（因?yàn)镕M24C16為從器件，MCU為主器件，所以稱為從應(yīng)答）是FM24C16在每接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)，是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入是否成功的惟一標(biāo)志。寫入過程為：MCU通過SDA，SCL發(fā)出起始位，然后從SDA輸出從器件固定地址位：1010，再輸出3 b頁選擇位（選擇寫入數(shù)據(jù)到FM24C16的哪一頁），再輸出寫控制位0（讀為1，寫為0），然后接收來自FM24C16的從應(yīng)答位，如果沒有收到從應(yīng)答，則退出操作。在接收到從應(yīng)答后，MCU從SDA串行輸出8位FM24C16字節(jié)地址以確定寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)單元，并在收到從應(yīng)答后發(fā)送1 b數(shù)據(jù)寫入到FM24C16，然后等待從應(yīng)答信號(hào)確認(rèn)數(shù)據(jù)寫入成功。如果是字節(jié)寫，則由MCU發(fā)出停止位，結(jié)束寫操作。如果是頁面寫，MCU輸出第2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，F(xiàn)M24C16判斷出MCU要繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)后，自動(dòng)使其內(nèi)部的地址指針加1，并把數(shù)據(jù)寫入到加1后的字節(jié)單元，然后給出從應(yīng)答，MCU就繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)到FM24C16。頁面寫操作時(shí)，當(dāng)?shù)刂分羔樀?FH（頁尾地址）單元的時(shí)候，在下一個(gè)寫入周期時(shí)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到00H，寫入的數(shù)據(jù)覆蓋掉00H單元原來的數(shù)據(jù)。
具體寫操作時(shí)序圖和后面的讀操作時(shí)序圖比較繁瑣，在這里不給出，如果需要，可以登錄到ramtron公司網(wǎng)站：http：／／www．Ramtron．com查閱技術(shù)資料，或者登錄到其在大陸的代理商網(wǎng)站：http：／／www．ramtron．com．cn／china／product／data．a(chǎn)sp去查閱技術(shù)資料，也可以仿I2C總線時(shí)序圖。
FM24C16讀操作比寫操作較為復(fù)雜，相應(yīng)也可以分為2種：字節(jié)讀和頁面讀，相應(yīng)于字節(jié)寫和頁面寫，兩種讀的功能也是單字節(jié)和整頁的區(qū)別。讀操作的另一種分法可分為：立即讀和任意讀（包括連續(xù)讀），其區(qū)別在于立即讀是在寫入數(shù)據(jù)后馬上讀數(shù)，而任意讀和連續(xù)讀則是隨時(shí)讀，所以，在他們操作時(shí)，必須先執(zhí)行偽寫，然后再讀數(shù)。所謂偽寫，是指執(zhí)行寫操作到寫入數(shù)據(jù)之前，其目的是確定要讀出的字節(jié)單元地址。下面對(duì)任意讀的操作過程給予說明：執(zhí)行寫操作到寫入數(shù)據(jù)前，也就是在收到輸入字節(jié)單元地址后的從應(yīng)答后，MCU再發(fā)送起始位，然后發(fā)送從器件固定地址（1010）、3 b頁選擇位和讀控制位1，在收到從應(yīng)答后，MCU從FM24C16里面讀出1 B的數(shù)據(jù)。如果只讀1 B的數(shù)據(jù)，則MCU發(fā)送一個(gè)無需應(yīng)答信號(hào)，然后發(fā)送停止位結(jié)束讀操作。如果是頁面讀，MCU就發(fā)一個(gè)主應(yīng)答信號(hào)，繼續(xù)讀下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，直到讀出最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，MCU發(fā)出無需應(yīng)答信號(hào)和停止位結(jié)束讀操作。
在對(duì)FM24C16進(jìn)行讀、寫操作的過程中，應(yīng)該注意以下2個(gè)問題：
（1）時(shí)序問題，這主要是指SDA，SCL的高低電平的時(shí)序。如果在讀、寫過程中時(shí)序不對(duì)或者不穩(wěn)定，都會(huì)引起讀、寫失敗，所以為了保證穩(wěn)定，可以在程序中適當(dāng)加入NOP語句延時(shí)，但不要過多，以免影響讀、寫速度。
（2）SDA數(shù)據(jù)只能在SCL為低期間變化，在SCL82為高期間，SDA數(shù)據(jù)要保持不變，否則會(huì)被錯(cuò)誤地認(rèn)為是控制位而不是數(shù)據(jù)位，導(dǎo)致讀、寫失敗。
3 應(yīng)用接口及程序
FM24C16與單片機(jī)接口電路非常簡單，下面以碳控儀系統(tǒng)中的應(yīng)用為例給予說明，并給出部分子程序。應(yīng)用接口圖如圖2所示，系統(tǒng)中采用2片AT89C55單片機(jī)，用其P2．0和P2．1口與SDA，SCL相連接，在SDA和SCL引腳接1．8 kΩ的上拉電阻到＋5 V，工作電源也為＋5 V，WP引腳接電源地以保證可以任意寫入數(shù)據(jù)。2片AT89C55用P1．0，P1．1作為通訊口，來確定誰操作FM24C16：片1操作前，檢測(cè)P1．0口，如果為高，則置低P1．1口，向片2發(fā)出占用FM24C16信號(hào)，然后再檢測(cè)P1．0口，還為高，則進(jìn)入操作，若為低，則退出操作并把P1．1口置高；如果P1．0口為低，則說明片2占用FM24C16，片1就放棄操作，等待下次查詢和操作。片2的操作相對(duì)應(yīng)于片1。這樣，F(xiàn)M24C16不僅作為了公共數(shù)據(jù)區(qū)，而且也成為了2片MCU的一個(gè)模擬的通訊口，而且理論上來說，1片F(xiàn)M24C16上可以掛很多MCU，而可以省去不必要的MCU間的通訊。這就需要FM24C16承受快速、頻繁讀寫，這是其他E2PROM望塵莫及的。
評(píng)論