FRAM - pamięć szeregowa FM24C64.pdf - 8051 - phill2k

http://www.easy-soft.tsnet.pl/

PAMIĘCI FRAM W ZASTOSOWANIACH

PRAKTYCZNYCH. PAMIĘĆ SZEREGOWA FM24C64

Wprowadzenie.

Współcześnie pamięci dzielone są na dwie kategorie. Pierwszą z nich są pamięci nieulotne. Od wielu lat używane

są w aplikacjach w celu zapamiętania pewnych stałych, niezmiennych informacji. Może to być program

realizowany przez mikroprocesor, czy też dla przykładu wzorce znaków wyświetlanych na ekranie wyświetlacza

LCD. Podstawową cechą tego rodzaju pamięci jest stałość przechowywanych informacji również, gdy brak jest

napięcia zasilania. Zazwyczaj zapis pamięci stałej (często zwany jej programowaniem), nawet mimo użycia

technologii EEPROM czy też FLASH EEPROM, jest dosyć trudny i zajmuje dużo czasu, jeśli odnieść to do czasu

odczytu tejże pamięci.

Druga grupa to pamięci ulotne, tak zwane RAM. Są one łatwe do zapisu i pracują bardzo szybko, więc ten rodzaj

pamięci przechowuje dane, które często ulegają zmianie. Przeciwnie do pamięci ROM, dane przechowywane w

pamięci RAM giną po odłączeniu napięcia zasilającego i jeśli konieczne jest z jakiś względów zachowanie

niezmiennego stanu RAM, wymagane jest stosowania pomocniczych źródeł zasilania. Jest to swego rodzaju

wyzwanie dla konstruktora układu.

Wad wyżej opisanych układów nie posiada nowy rodzaj pamięci, której technologia wytwarzania przed

kilkunastu laty opuściła laboratoria naukowe. Jest to pamięć FRAM. Skrót nazwy tłumaczy się jako Ferroelectric

Random Access Memory. Oznacza on technologię wytwarzania (uwaga!) nieulotnej pamięci RAM, czyli pamięci

łączącej w sobie szybkość pracy RAM i trwałość ROM.

Pamięci wytwarzane w technologii FRAM dostępne były już przed kilku laty (praktycznie od 1993 roku), ale

zarówno cena jak i dostępny asortyment nie zachęcały do ich stosowania. Jednak w ostatnim czasie technologia

ta przeżywa prawdziwą eksplozję rozwoju. Firmy oferują liczne układy peryferyjne wyposażone w pamięci FRAM

a cena układów gwałtownie spada. Moim zdaniem w przyszłości technologia ta może zastąpić popularną

technologię FLASH EEPROM chyba, że zostanie opracowany jakiś zupełnie nowy rodzaj pamięci.

Czym są pamięci FRAM?

FRAM jest rodzajem pamięci RAM, w której wykorzystano efekt ferroelektryczny do zapamiętywania bitów słowa

danych. Efekt ten, być może znany niektórym studentom politechnik z ćwiczeń w laboratorium fizyki, występuje

w niektórych materiałach krystalicznych i jest zdolnością materiału do przechowywania polaryzacji elektrycznej

również w przypadku nieobecności pola elektrycznego, które tę polaryzację wywołało. Komórka pamięci

tworzona jest poprzez nałożenie materiału ferroelektrycznego w postaci krystalicznej pomiędzy dwa

doprowadzenia płaskich elektrod w taki sposób, aby został utworzony kondensator z materiałem

ferroelektrycznym jako dielektrykiem. Konstrukcja tego kondensatora zbliżona jest do typowej konstrukcji

komórki pamięci DRAM z tym, że zamiast przechowywać informację w postaci naładowanego kondensatora (tak,

jak w typowo robi to komórka pamięci DRAM), bit przechowywany jest w postaci polaryzacji ładunków w

obrębie struktury krystalicznej. W ten sposób – poprzez zmianę polaryzacji ładunków przy pomocy pola

elektrycznego wewnątrz kondensatora, można tworzyć i zapamiętać dwa stabilne stany. Stany te umownie

mogą odpowiadać wartościom logicznym bitów, to jest „zeru” i „jedynce”.

Prosta zasada działania, niemalże identyczna z tą stosowaną w pamięciach RAM, umożliwia konstrukcję prostych

obwodów zapisu i odczytu komórek pamięci. Jak wspomniano wcześniej, materiał ferroelektryczny zachowuje

polaryzację ładunków pomimo zaniku pola elektrycznego i w związku tym, nie tak jak w pamięciach RAM, dane

mogą być przechowywane w sposób nieulotny. Zbudowana z jego wykorzystaniem komórka pamięci nie

wymaga również okresowego odświeżania.

Pamięć FRAM jest odporna na działania zewnętrznego pola

magnetycznego. Jej zasada działania, nie ma nic wspólnego z

ferromagnetyzmem. Podobny jest jedynie opis zjawiska

fizycznego: w przypadku materiałów ferroelektrycznych

polaryzacji ulegają ładunki, natomiast w przypadku materiałów

ferromagnetycznych – domeny magnetyczne.

Rys.1. Budowa kryształu ferro-

elektrycznego - perowskitu.

J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”

STRONA 1/12

http://www.easy-soft.tsnet.pl/

Praca pamięci FRAM.

Na rysunku 1 przedstawiony jest poglądowy model kryształu ferroelektrycznego o strukturze perowskitu.

Kryształ posiada ruchomy atom w środku swojej struktury (oznaczony kolorem żółtym). Przyłożenie pola

elektrycznego powoduje, że „mobilny” atom przesuwa się w kierunku działania sił pola. Odwrócenie polaryzacji

pola powoduje przemieszczanie się atomu w kierunku przeciwnym. Pozycje atomy na „górze” i „dole” struktury

krystalicznej są stabilne. Atom pozostaje w jednej z nich w przypadku braku pola elektrycznego. Jako komórka

pamięci cyfrowej, taka struktura jest wręcz idealna: posiada dwa stany stabilne, potrzebuje bardzo małej mocy

do zmiany stanu i zachowuje ten stan nawet mimo działania różnych czynników zewnętrznych.

Odczyt.

Mimo, iż podstawowym elementem komórki

pamięci jest kondensator, to jednak bity nie

są zapamiętywane jako ładunek liniowy.

Odczyt takiej komórki pamięci wymaga

detekcji położenia atomu wewnątrz struktury

krystalicznej. Niestety nie może ono być

rozpoznane bezpośrednio i musi tu być

używany pewien „zabieg”.

Do kondensatora przykładane jest napięcie.

Na skutek tego pomiędzy jego okładzinami

pojawia się pole elektryczne. Ruchomy atom

przesuwa się zgodnie z kierunkiem działania

pola, lub pozostaje w spoczynku, jeśli jego

położenie jest z nim zgodne. W środku

struktury kryształu występuje stan

równowagi, który utrzymuje pozostałe

atomy w ściśle określonych położeniach sieci

krystalicznej a wypadowe pole elektryczne

jest równe 0. Jeśli ruchomy atom

przemieszcza się, to powoduje zaburzenie,

co skutkuje impulsem energetycznym.

Impuls ten dodaje się do ładunku

zgromadzonego przez kondensator

(pamiętajmy, że opisywane są struktury o

rozmiarach kilkunastu atomów!). Na skutek

tego jedne kondensatory naładowane będą

do wartości ładunku wymuszonej przez pole

elektryczne a inne będą posiadać ładunek

będący kombinacją oddziaływania pola

elektrycznego i ruchu atomu. Mimo, iż

odczyt pamięci wymaga przemieszczenia

atomu, to jednak należy pamiętać o tym, że

atom przebywa bardzo krótką drogę. Jego

położenie zmienia się w czasie 1

nanosekundy (10 -9 sekundy) a cała operacja

odczytu zajmuje około 70 nanosekund.

Łatwo na podstawie powyższego opisu

wywnioskować, jak będzie wyglądać obwód

określający stan bitu: będzie to rodzaj

komparatora porównującego ładunek

odebrany z komórki pamięci z pewnym

poziomem odniesienia. Dobrze, a co ze

zmianą polaryzacji ładunku? Przecież

pisałem, że podczas odczytu atom

przemieszcza się wewnątrz struktury. W

związku z przyjętą metodą odczytu,

każdemu cyklowi dostępu do pamięci

towarzyszy rodzaj operacji odświeżania. A co

w związku z tym z czasem dostępu do

pamięci? Czy nie jest przez to odświeżanie

wydłużany? Niestety tak. Wpływ odświeżania

na czas odczytu pamięci FRAM jest znaczny,

ponieważ zajmuje ono aż 50 nanosekund.

Zapis.

Operacja zapisu jest bardzo podobna do

opisywanego wcześniej odczytu. Inaczej niż

inne rodzaje pamięci stałych programowane

Rysunki pochodzące ze strony internetowej firmy RAMTRON.

(http://www.ramtron.com). Od góry:

zasada działania komórki pamięci,

struktura komórki pamięci FRAM,

rozwój technologii produkcji układów.

J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”

STRONA 2/12

http://www.easy-soft.tsnet.pl/

elektrycznie, nie wymaga przyłożenia wysokiego napięcia czy też długiego czasu zapisu. Wewnętrzny obwód

przykłada napięcie do okładzin kondensatora ferroelektrycznego. Powoduje to odpowiednie przemieszczenie

ruchomego atomu i polaryzację kryształów. Jeśli jest to potrzebne, nowe dane po prostu zmieniają stan

polaryzacji kryształu ferroelektrycznego. Tak, jak w przypadku odczytu, zmiana stanu kryształu zajmuje ok. 1

nanosekundy podczas, gdy cała operacja zapisu około 70 nanosekund (7 x 10 -8 s!). Nieporównywalnie krótki

czas, jeśli odnieść go np. do pamięci FLASH.

Aplikacje.

Oczywiście, w praktyce, wszystkie opisywane wyżej zjawiska nie będą

obchodzić potencjalnego użytkownika układu. Producenci wyposażając

układ peryferyjny w interfejs SPI zwalniają konstruktora od pamiętania o

fizycznych cechach pamięci. Nieco inaczej jest w przypadku pamięci

równoległych – poruszę ten temat w dalszej części artykułu.

Kiedy po raz pierwszy przeczytałem o upowszechnieniu się technologii

pamięci FRAM, przed oczyma od razu miałem szerokie spektrum aplikacji.

Po pierwsze, ze względu na bardzo dużą szybkość oraz ogromną liczbę

cykli zapisu, bardzo zasadne jest użycie tego rodzaju pamięci jako

pamięci masowej w komputerach PC, telefonach komórkowych, aparatach

fotograficznych i innych urządzeniach elektronicznych. Moim zdaniem

pamięci tego rodzaju mogą z powodzeniem zastąpić pamięć FLASH w

mikrokontrolerach tworząc wspólny obszar pamięci dla danych oraz

programu. Rzec by można, że im mniejszy będzie kod programu

użytkownika, tym więcej pamięci RAM będzie miało do dyspozycji CPU

mikrokontrolera. To nie wszystko: programy będą mogły dynamicznie

modyfikować swój stan podczas pracy mikroprocesora. Moim zdaniem

zupełnie zmieni to podejście do programowania oraz sposób tworzenia

aplikacji. To jest przyszłość. Niestety istnieją jeszcze pewne ograniczenie technologiczne i póki co pamięci FRAM

dzielą się na dwie podstawowe kategorie.

Pierwsza to typowe aplikacje do przechowywania danych. W nich pamięci FRAM służą do zapamiętywania

danych przechowywanych poza systemem. Drugi rodzaj aplikacji jest związany z konstrukcją i opracowywaniem

urządzeń związanych z mikrokontrolerami i mikroprocesorami. Dzięki bardzo dużej szybkości zapisu, pamięci te

mogą być wielokrotnie błyskawicznie zapisywane, znacznie skracając czas potrzebny na testowanie aplikacji

podczas jej uruchamiania. Innym aspektem jest programowanie w czasie produkcji – znaczne skrócenie czasu

zapisu programu obniża koszty wytwarzania urządzenia. Nie jest również konieczne wyposażanie linii

produkcyjnej w specjalne układy programatorów.

Cykl zapisu i cykl odczytu zajmują

tyle samo czasu.

Można przeprowadzić ogromną ilość

operacji zapisu i odczytu, ponieważ

pamięć praktycznie nie zużywa się

(gwarantowane jest 10 9 cykli zapisu!).

Do zasilania wymagana jest bardzo

mała moc. Odczyt i zapis pamięci

wymaga jej dokładnie tak samo mało.

W związku z brakiem dodatkowych

napięć zasilających i konieczności

stosowania dodatkowego źródła

zasilania pamięci RAM w celu

podtrzymania zawartości pamięci,

aplikacja ulega znacznemu

uproszczeniu.

Produkty firmy RAMTRON.

Firmą wiodącą na rynku produktów FRAM i praktycznie założoną tylko w celu ich rozwoju oraz

rozpowszechniania jest Ramtron International Corporation z siedzibą w Colorado Springs (USA). Firma założona

została w 1984 roku i po blisko 10 latach prac badawczych, w 1993 roku wprowadziła na rynek pierwszy

produkt komercyjny. Była to pamięć o pojemności 4 kb (kilo - bit). Współcześnie firma jest liderem w dziedzinie

technologii wytwarzania pamięci FRAM, właścicielem wielu patentów z tej dziedziny i oferuje szereg różnych

układów peryferyjnych. Między innymi układy zawierające np. zegar czasu rzeczywistego oraz 256 kb pamięci

FRAM. Krótkie zestawienie jej produktów zawierają tabele 1 i 2.

Nazwa

produktu

V DD

Rodzaj

interfejsu

Wielkość

pamięci

RTC

RTC z

funkcją

Alarmu

Monitor

zasilania

Watch

Dog

Sygnali-

zacja

zaniku

napięcia

Numer

seryjny

Przełącznik

zasilania

Sygnali-

zacja

zdarzenia

Rodzaj

obudowy

Układy z rodziny 31: pamięć, RTC, układ kontroli, peryferia

FM31256 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 256Kb Tak Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3164 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 64Kb Tak Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3116 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 16Kb Tak Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3104 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 4Kb

Tak Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM4005 2.7-5.5V Szer. 2-Wire NA

Tak Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

Układy z serii 32: kompatybilne z serią 31 ale bez RTC

FM32256 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 256Kb Nie Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3264 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 64Kb Nie Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3216 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 16Kb Nie Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

FM3204 2.7-5.5V Szer. 2-Wire 4Kb

Nie Nie Tak

Tak Tak

Licznik SOIC14

Pamięć, układ kontrolny, peryferia.

FM30C256 5V

Szer. 2-Wire 256Kb Tak Nie Tak

Nie Nie

Nie Tak

SOIC20

FM3808DK 5V

Równoległy 32Kb x 8 Nie Nie No

Nie Nie

FM3808 5V

Równoległy 32Kb x 8 Tak Tak Tak

Tak Nie

Nie Tak

Nie

TSOP32

Tabela 1. Układy peryferyjne do systemów z mikroprocesorem.

J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”

STRONA 3/12

Główne zalety stosowania pamięci FRAM:

http://www.easy-soft.tsnet.pl/

Nazwa

produktu

Pojemność

Rodzaj

obudowy

Maksymalna

szybkość

V DD

I DD

Z interfejsem szeregowym 2-Wire

FM24C256 256Kb

8SE

1MHz

1.2mA

FM24C64 64Kb

1MHz

1.2mA

FM24CL64 64Kb

1MHz

2.7-3.6V 400uA

FM24C16A 16Kb

1MHz

1.0mA

FM24CL16 16Kb

8S & DFN 1MHz

2.7-3.6V 400uA

FM24C04A 4Kb

1MHz

1.0mA

FM24CL04 4Kb

1MHz

2.7-3.6V 300uA

Z interfejsem szeregowym SPI

FM25L256 256Kb

8S & DFN 25MHz

2.7-3.6V 6mA

FM25W256 256Kb

25MHz

2.7-5.5V 7mA

FM25640 64Kb

5MHz

3.0mA

FM25CL64 64Kb

8S & DFN 20MHz

2.7-3.6V 10mA

FM25L16 16Kb

8S & DFN 20 MHz 2.7-3.6V 10mA

FM25C160 16Kb

5MHz

3mA

FM25CL04 4Kb

20MHz

2.7V-3.6V 3.0mA

FM25040 4Kb

1.8MHz 5V

2.5mA

Z interfejsem równoległym

FM18L08 32Kb x 8 28S, 28P 70ns

3.0-3.6V 15mA

FM1808 32Kb x 8 28S, 28P 70ns

25mA

Dystrybutorem RAMTRON w Polsce jest firma:

CIT International z Wrocławia

(http://www.citworld.com/, info@citworld.com)

FM1608 8Kb x 8 28S, 28P 120ns

15mA

Tabela 2. Układy pamięci FRAM.

Czas przejść do pokazania praktycznych zastosowań FRAM. Ten rodzaj pamięci mimo dostępności układów oraz

niewątpliwych ich zalet, nie jest jeszcze w naszym kraju zbyt popularny. Wiele z układów FRAM umożliwia

zastąpienie wprost pamięci EEPROM, inne wymagają specjalnych aplikacji a jeszcze inne są całkowicie

unikatowe. Proponuję aby na początek zająć się typową pamięcią szeregową z interfejsem 2-Wire

(kompatybilny z I 2 C) o pojemności 64 kbit.

Pamięć szeregowa FM24C64 (64 kbit).

Wykonana w technologii FRAM pamięć FM24C64 wyposażona jest w szybki interfejs 2-Wire. Jest ona

funkcjonalnym odpowiednikiem popularnej pamięci EEPROM produkowanej przez wiele firm pod oznaczeniem

24C64 (np. przez firmę Atmel Corp. AT24C64). Jako, że ten rodzaj pamięci jest dobrze znany elektronikom, tu

w skrócie zostaną wymienione cechy pamięci po to, aby zająć się praktyczną realizacją interfejsu

programowego umożliwiającego zapis i odczyt danych:

· Bardzo niski pobór prądu: 150 μA przy zasilaniu 5V, 10 μA w trybie standby.

· Organizacja: 8192 x 8 bit.

· Możliwość wykonania aż 10 12 cykli zapisu / odczytu!

· Gwarancja na podtrzymanie zawartości przez 10 lat.

· Brak czasu oczekiwania na zapis / odczyt bajtu (czas dostępu znacznie krótszy od okresu zegara

transmisji interfejsu).

· Częstotliwość sygnału zegarowego interfejsu do 1MHz.

· Kompatybilna z pamięciami EEPROM typu 24C64.

· Interfejs zbliżony funkcjonalnie do I 2 C (oba tryby: standardowy 100kHz i szybki 400kHz).

Jak wspomniano przy okazji krótkiej charakterystyki cech pamięci, jest ona kompatybilna z popularną pamięcią

EEPROM 24C64. Podobnie jest z programem obsługi: nie wymaga on żadnych specjalnych zabiegów.

Najważniejsza jest różnica funkcjonalna: pamięć FRAM w porównaniu z EEPROM wyróżnia się ogromną wręcz

szybkością zapisu. W związku z tym, że interfejs I 2 C jest znany z szeregu aplikacji, opis pamięci ograniczę do

krótkiej charakterystyki funkcjonalnej.

Podobnie jak I 2 C, kompatybilny z nim interfejs 2-Wire wymaga rezystorów zasilających (pull-up) o wartości

minimalnej około 1,8kΩ. Wartość rezystorów zależy od pojemności połączeń. Przy bardzo krótkich połączeniach

wystarczające mogą być rezystory wbudowane w strukturę np. mikrokontrolera, ale nie polecam rozwiązania

tego typu. Linie interfejsu są dwukierunkowe, transmisja zawsze nadzorowana jest przez układ zarządzający

( master ), podczas gdy pamięć jest zawsze układem nadzorowanym ( slave ). Podobnie jak w I 2 C linie noszą

nazwę SDA (danych) i SCL (zegarowa). Od I 2 C przejęto również sygnalizację stanów (potwierdzenie odbioru

danych czy komendy - ACK) oraz polecenia START, STOP.

Po otrzymaniu polecenia START interfejs pamięci oczekuje na 7-bitowy adres oraz bit kierunku transmisji (zapis

/ odczyt). W 8-bitowym słowie adresu, bity 7 do 4 identyfikują rodzaj układu i są predefiniowane przez

J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”

STRONA 4/12

http://www.easy-soft.tsnet.pl/

producenta. Bity 3 do 1 mogą być ustawiane przez użytkownika poprzez zwieranie odpowiednich wyprowadzeń

do potencjałów „1” lub „0”. Najmłodszy bit 0 określa kierunek transmisji (0 – zapis, 1 – odczyt).

Na listingu 1 umieściłem funkcje obsługi zapisu i odczytu danych. Program w asemblerze 8051 napisany został

na podstawie noty aplikacyjnej firmy Atmel przeznaczonej dla pamięci AT24C64 (dla EEPROM). Jak

wspomniałem wcześniej, oprócz bardzo dużej szybkości działania, pamięć FRAM nie różni się niczym w obsłudze

od swojego odpowiednika EEPROM. Przykładowy program zapisuje dane do pamięci FRAM, odczytuje i

weryfikuje odczytaną zawartość. W przypadku niezgodności linia ERROROUT (w przykładzie jest to P1.4)

przyjmuje stan wysoki. Program źródłowy zawiera dużo komentarzy i nie jest zbyt trudny do analizy.

Wymagana jest jedynie elementarna znajomość asemblera mikrokontrolera 8051.

Jacek Bogusz

jacek.bogusz@easy-soft.tsnet.pl

J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”

STRONA 5/12

FRAM - pamięć szeregowa FM24C64.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: