鐵電存儲器FM24C16原理及其在多MCU系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、鐵電存儲器技術(shù)原理、特性及應(yīng)用

美國Ramtron公司鐵電存儲器(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器同時擁有隨機(jī)存取記憶體(RAM)和非易失性存儲器的特性。鐵電晶體的工作原理是：當(dāng)在鐵電晶體材料上加入電場，晶體中的中心原子會沿著電場方向運(yùn)動，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。晶體中的每個自由浮動的中心原子只有2個穩(wěn)定狀態(tài)，一個記為邏輯中的0，另一個記為1。中心原子能在常溫、沒有電場的情況下，停留在此狀態(tài)達(dá)100年以上。鐵電存儲器不需要定時刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于整個物理過程中沒有任何原子碰撞，鐵電存儲器有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等特性。 鐵電存儲器和E2PROM比較起來，主要有以下優(yōu)點：

(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等待，而E2PROM在寫入后一般要5～10ms的等待數(shù)據(jù)寫入時間；

(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人時，而新一代的鐵電存儲器已經(jīng)達(dá)到一億個億次的寫入壽命。

(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字節(jié)。

由于FRAM有以上優(yōu)點，其特別適合于那些對數(shù)據(jù)采集、寫入時間要求很高的場合，而不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，其可靠的存儲能力也讓我們可以放心的把一些重要資料存儲于其中，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，用來在于系統(tǒng)之間傳輸各種數(shù)據(jù)，供各個子系統(tǒng)頻繁讀寫。從FRAM問世以來，憑借其各種優(yōu)點，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、自動取款機(jī)等。

在設(shè)計的碳控儀系統(tǒng)中，由于對控制碳勢適時性的要求較高，而且系統(tǒng)由2個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)都要頻繁讀寫存儲器，所以我們把原來的X25045換成FM24C16以滿足要求。

2 FM24C16引腳說明及工作過程

FM24C16-P(8腳雙列直插)外形圖及引腳定義如圖1及表1所示。

FM24C16是串行非易失存儲器，存儲容量為2 048×8b，共分8頁，每頁256B；工作電壓為+5V；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E~PROM相似，有讀和寫兩種操作狀態(tài)，讀、寫時序和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字節(jié)，頁面寫可以一次寫入整頁(256B)的數(shù)據(jù)。而且，由于沒有寫延時，數(shù)據(jù)寫入速度很快(一般為μs級)，特別是在頁面寫的時候，不需要數(shù)據(jù)緩沖，可以一次寫入256B的數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)頁面寫，這是其他E2PROM做不到的，比如AT24C16，在頁面寫的時候，每次最多能寫入16B數(shù)據(jù)。

FM24C16的寫操作時序中可分為起始位(START)、數(shù)據(jù)位、從應(yīng)答位、停止位(STOP)，其中，從應(yīng)答位(因為FM24C16為從器件，MCU為主器件，所以稱為從應(yīng)答)是FM24C16在每接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)后發(fā)出的應(yīng)答信號，是檢驗數(shù)據(jù)寫入是否成功的惟一標(biāo)志。寫入過程為：MCU通過SDA，SCI。發(fā)出起始位，然后從SDA輸出從器件固定地址位：1010，再輸出3b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1b數(shù)據(jù)寫入到FM24C16，然后等待從應(yīng)答信號確認(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。如只是頁面寫，MCU輸出第2個字節(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，當(dāng)?shù)刂分羔樀?FH(頁尾地址)單元的時候，在下一個寫入周期時自動翻轉(zhuǎn)到00H，寫入的數(shù)據(jù)覆蓋掉00H單元原來的數(shù)據(jù)。

具體寫操作時序圖和后面的讀操作時序圖比較繁瑣，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人數(shù)據(jù)后馬上讀數(shù)，而任意讀和連續(xù)讀則是隨時讀，所以，在他們操作時，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。下面對任意讀的操作過程給予說明：執(zhí)行寫操作到寫人數(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)、3b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)送一個無需應(yīng)答信號，然后發(fā)送停止位結(jié)束讀操作。如果是頁面讀，MCU就發(fā)一個主應(yīng)答信號，繼續(xù)讀下一個字節(jié)數(shù)據(jù)，直到讀出最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，MCU發(fā)出無需應(yīng)答信號和停止位結(jié)束讀操作。

在對FM24C16進(jìn)行讀、寫操作的過程中，應(yīng)該注意以下2個問題：

(1)時序問題，這主要是指SDA，SCL的高低電子的時序。如果在讀、寫過程中時序不對或者不穩(wěn)定，都會引起讀、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，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SCL為高期間，SDA數(shù)據(jù)要保持不變否則會被錯誤地認(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1．8kΩ的上拉電阻到+5V，工作
電源也為+5V，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P1．0口，如果為高，則置低P1．1口，向片2發(fā)出占用FM24C16信號，然后再檢測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。[!--empirenews.page--]

下面給出FM24C16的頁面寫和任意字節(jié)讀匯編子程序。程序經(jīng)過應(yīng)用驗證，效果良好(為保證穩(wěn)定性，可以在相應(yīng)地方加入空語句以延時)。

頁面寫子程序：
PAGE-WR： ACALL START_BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
；SHFTO為送位子程序，以上3行送
1010到FM24C16
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
；以上3行確定寫FM24C16的00l頁
MOV A，#00H
MOV R7，#1
ACALL SHFTO ；以上3行送寫控制位0
ACALL SlAVE_ACK
；SLAVE-ACK為從應(yīng)答子程序，在此檢測
從應(yīng)答位
MOV A，#00H
MOV R7，#8
ACALL SHFTO
；以上3行確定寫入數(shù)據(jù)首地址為00H
ACALLSLAVE-ACK ；檢測從應(yīng)答位
MOV R0，#00H ；R0中為被寫人數(shù)據(jù)
所在單元首地址
MOV R4，#7FH ；R4中為寫入字節(jié)數(shù)
(現(xiàn)為256B)
NEXT-DATA：MOV A，@R0 ；調(diào)入第1個寫入數(shù)據(jù)
INC R0 ；R0指向第2個數(shù)據(jù)所在單元地址
MOV R7，#8
ACALL SHFTO；寫入數(shù)據(jù)
ACALL SLAVE-ACK ；檢測從應(yīng)答位
DJNZ R4，NEXT-DATA
；循環(huán)寫入下一個字節(jié)數(shù)據(jù)
ACALL STOP-BIT
；STOP-BIT為停止位，結(jié)束寫操作(此處沒有寫延時等待)
RET ；返回，程序結(jié)束

讀任意地址子程序：
SELECT-RD：ACALL START-BIT
ACALL START-BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
MOV A，#0FOH
MOV R7，#1
ACALL SHFTO
ACALL SlAVE-ACK
MOV R5，#00H
MOV R7，#8
ACALL SHFTO
ACALL SlAVE-ACK
；以上為偽寫，確定讀FM24C16的001
00H單元數(shù)據(jù)
ACALL START-BIT
MOV A，#10100000B
MOV R7，#4
ACALL SHFTO
MOV A，#20H
MOV R7，#3
ACALL SHFTO
MOV A，#0FOH
MOV R7，#1
ACALL SHFTO ；上面3行送讀控制位1
ACALL SlAVE-ACK
MOV R5，#00H ；清R5，以存儲讀出數(shù)據(jù)
MOV R7，#8 ；R7作讀出位記數(shù)器
CLOCK8： SETB SCL
MOV C，SDA
CLR SCL
MOV A，R5
RLC A
MOV R5，A
；以上6行讀出FM24C16送來的1位
DJNZ R7，CLOCK8 ；循環(huán)讀出1B數(shù)據(jù)
ACALL NO_ACK
；NO_ACK為無需應(yīng)答位子程序
ACLL STOP_BIT ；停止
RET ；程序結(jié)束