带RTC的I2C总线铁电存储器FM31256的设计

FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系统监控和非易失性铁电存储芯片。与其他非易失性存储器比较,它具有如下优点： 读/写速度快,没有写等待时间;功耗低,静态电流小于1 mA,写入电流小于150 mA;擦写使用寿命长,芯片的擦写次数为100亿次,比一般的EEPROM存储器高10万倍,即使每秒读/写30次,也能用10年;读/写的无限性,芯片擦写次数超过100亿次后,还能和SRAM一样读/写。

铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取存储器(RAM)和非易失性存储的特性。本文介绍了FM31256的主要功能,并具体给出了基于嵌入式C语言编写的存储器读/写程序。

1 FM31256的基本结构及原理

FM31256由256 KB存储器和处理器配套电路(processor companion)两部分组成。与一般的采用备份电池保存数据不同,FM31256是真正意义上的非易失(truly nonvolatile)存储器,并且用户可以选择对不同的存储区域以软件方式进行写保护。

FM31256 器件将非易失FRAM与实时时钟(RTC)、处理器监控器、非易失性事件计数器、可编程可锁定的64位ID号和通用比较器相结合。其中,通用比较器可提前在电源故障中断(NMI)时发挥作用或实现其他用途。采用先进的0.35 μm制造工艺,这些功能通过一个通用接口嵌入到14个引脚的SOIC封装中,从而取代系统板上的多个元件。存储器的读/写以及其他控制功能都通过工业标准的I2C总线来实现。

图1为FM31256的原理图。其中,SDA和SCL引脚用于与CPU进行数据交换和命令写入,数据输出部分均具有施密特触发器,以提高抗干扰性能;同时,SDA作为二线接口中的双向信号线,集电极开路输出,可与二线总线上其他器件进行“线或”。A1～A0为器件地址选择信号,即总线上可同时使用4个同类器件。正常模式下,PFI引脚分别为比较器的输入(不可悬空),CAL/PFO引脚输出PFI引脚的输入信号与1.2 V参考电压之间的比较结果;校准模式下,CAL/PFO引脚将输出512 Hz的方波用于时钟校准。CNT2～CNT1是通过备份电池支持的事件计数器的两路输入端,通过边沿触发启动计数器,触发沿由用户自由选择。

图1 FM31256原理图

2 FM31256功能及使用方法

在FM31256中,有25个特殊功能寄存器(SFR)00H～18H。通过对这些功能寄存器进行操作,可以实现各种功能。

2.1 特殊功能寄存器

(1) 实时时钟和比较器

实时时钟包括晶体振荡器、时钟分频器和寄存器系统。它分割32.768 Hz的时基信号以提供1 s(1 Hz)的分辨率,寄存器(02H～08H)以BCD格式提供秒、分、时、星期、日、月、年信息,用户可对其进行读/写访问。启动时钟前须将SFR中01H地址的OSCEN位(D7)置位,振荡器起振;同时将00H地址的R位(D0)置位,可将时钟数据写入寄存器用于读出。若此时正处于时钟刷新阶段,则由于刷新操作优先于写入寄存器的操作,因而保证了时钟的准确性。重新设置时钟时,只须设定00H地址的W位。

FM31256的时钟精度可通过软件校准,将00H地址的CAL位(D2)置位,时钟进入校准模式,比较器输出512 Hz的频率信号,并可通过设置01H地址的CAL4～CAL0位(D4～D0)确定校准值。当00H地址的CAL位(D2)为0时,进入比较器模式。

(2) 处理器伴侣

处理器伴侣包括CPU通常需要的功能。系统监测由低电平状态或看门狗计数溢出的中断输出信号。

当系统电源电压低于设定的阈值或看门狗计数器溢出时,FM31256将输出低电平复位脉冲,复位信号持续100ms。改变0BH地址的VTP1～VTP0位(D1～D0),可以设定电平检测的阈值;改变0AH地址的WDT4～WDT0位(D4～D0),看门狗的溢出时间可以在100 ms到3 s之间选择,其中0AH地址的WDE位(D7),用于看门狗启动或停止;09H地址用于监视复位信号来源(看门狗计数器、上电复位或后备电源电压)以及控制看门狗计数器清零。系统软件须在要求的时间周期内,向09H地址的WR3～WR0位(D3～D0)写入1010,使计数器清零。

(3) 事件计数器

FM31256有2个独立的后备电池支持的16位事件计数器CN1和CN2,位于寄存器0DH～10H中。若将SFR中0CH地址的CC位(D2)置位,则可以组成一个32位的计数器。CIN1和CIN2是事件计数器信号输入端,在32位计数器模式下CIN2无效。计数采用可编程边沿触发方式,若0CH地址的C1P位(D0)置位,则CIN1采用上升沿触发,否则是下降沿触发;0CH地址的C2P位(D1)用于控制CIN2。

(4) 串行数据标识区

FM31256的SFR中的11H～18H地址串行标识区中可以保存8字节(64位)数据。该存储区为非易失性存储区,可对其进行无限次的读/写操作,但如果将0BH地址的SNL位(D7)置位,则不能再对该存储区进行操作,且这种操作是不可逆的。

2.2 FM31256的读/写操作

FM31256作为从机,集成了两个功能不同的部件,每个部件都可以被独立访问。一个是存储器,访问时从机地址的位7～4必须被设置为1010B;若要访问实时时钟/处理器伴侣,则从机地址的位7～4必须被设置为1101B。该器件采用二线制的I2C接口,二线协议由SDA和SCL两个引脚的状态确定。共有4种状态： 开始、停止、数据传输及应答。其通信基本格式如图2所示。