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.
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 1/12
Rys.1. Budowa kryształu ferro-
elektrycznego - perowskitu.
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
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 2/12
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.
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.
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
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3164
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 64Kb
Tak
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3116
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 16Kb
Tak
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3104
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 4Kb
Tak
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM4005
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire NA
Tak
Nie
Tak
Tak
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
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3264
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 64Kb
Nie
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3216
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 16Kb
Nie
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Licznik
SOIC14
FM3204
2.7-5.5V
Szer. 2-Wire 4Kb
Nie
Nie
Tak
Tak
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
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:
•
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.
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
5V
1.2mA
FM24C64
64Kb
8S
1MHz
5V
1.2mA
FM24CL64
64Kb
8S
1MHz
2.7-3.6V
400uA
FM24C16A
16Kb
8S
1MHz
5V
1.0mA
FM24CL16
16Kb
8S & DFN
1MHz
2.7-3.6V
400uA
FM24C04A
4Kb
8S
1MHz
5V
1.0mA
FM24CL04
4Kb
8S
1MHz
2.7-3.6V
300uA
Z interfejsem szeregowym SPI
FM25L256
256Kb
8S & DFN
25MHz
2.7-3.6V
6mA
FM25W256
256Kb
8S
25MHz
2.7-5.5V
7mA
FM25640
64Kb
8S
5MHz
5V
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
8S
5MHz
5V
3mA
FM25CL04
4Kb
8S
20MHz
2.7V-3.6V
3.0mA
FM25040
4Kb
8S
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
5V
25mA
FM1608
8Kb x 8
28S, 28P
120ns
5V
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
Dystrybutorem RAMTRON w Polsce jest firma:
CIT International z Wrocławia
(http://www.citworld.com/, info@citworld.com)
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
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
;------------------------------------------
;Funkcje obsługi pamięci 24C64
;------------------------------------------
;Dla mikrokontrolera z rodziny Intel 8051
;pracującego z zegarem 12MHz
$INCLUDE (REG_51.PDF)
;dołączenie definicji rejestrów uK (kompilator RA-51 Raisonance)
NAME
OBSLUGA_AT24C64
FIXEDADDR
EQU
0A0H
;stała część adresu pamięci 24C64
USRADDR
EQU
0
;ustawiana przez użytkownika część adresu (wartości 0..7)
MEMSIZE
EQU
2000H
;liczba bajtów dla 24C64
PMEMSIZE
EQU
32
;liczba bajtów na stronę pamięci dla 24C64
FILL
EQU
0AAH
;wartość używana w funkcji FILL do wypełnienia pamięci
;Definicje funkcji rejestrów
index
EQU
R0
;wskaźnik bufora w pamięci RAM mikrokontrolera
count
EQU
R1
;licznik bajtów
zdata
EQU
R2
;rejestr bajtu danych
addr_lo
EQU
R3
;młodszy bajt adresu bajtu w pamięci 24C64
addr_hi
EQU
R4
;starszy bajt - / / - - / / -
;Definicje linii interfejsu
SCL
BIT
P1.2
;linia zegara (SCL)
SDA
BIT
P1.3
;linia danych (SDA)
ERROROUT
BIT
P1.4
;sygnalizacja błędu weryfikacji
;zmienne w pamięci RAM
DSEG AT 20H
buffer:
DS
PMEMSIZE
;bufor do zapisu / odczytu danych
DSEG AT 60H
;początek stosu
stack:
DS
20H
;rozmiar stosu
;tablica wektorów przerwań
CSEG
CODE AT 0000H
;wektor przerwania po RESET
ajmp
on_reset
CODE AT 0003H
;zewnętrzne przerwanie INT0
reti
CODE AT 000BH
;przerwanie TF0
reti
CODE AT 0013H
;zewnętrzne przerwanie INT1
reti
CODE AT 001BH
;przerwanie TF1
reti
CODE AT 0023H
;przerwanie od UART
reti
USING
0
;używany będzie bank rejestrów numer 0
CODE AT 0080H
;początek programu głównego
on_reset:
mov
SP,#(stack-1)
;inicjalizacja wskaźnika stosu
setb
SDA
;inicjalizacji linii interfejsu
setb
SCL
;SDA = SCL = 1
clr
ERROROUT
;ustawienie stanu niskiego wyjścia sygn.błędu
;< przykłady użycia funkcji >
call
byte_fill
;wypełnienie pamięci wartością FILL (0AAH)
jc
fault
;jeśli ustawiona flaga C, to błąd
call
verify_byte_fill
;weryfikacja zawartości
jc
fault
call
page_fill
;wypełnienie strony pamięci wartością FILL
jc
fault
;jeśli ustawiona flaga C, to błąd
call
verify_page_fill
;weryfikacja zawartości
jc
fault
jmp
$
fault:
setb
ERROROUT
;sygnalizacja błędu
jmp
$
;pętla nieskończona
;wypełnienie pamięci wartością zadeklarowaną jako FILL
;tryb stronnicowania nie jest wykorzystywany, zapisywany
;jest bajt po bajcie; ustawienie flagi CY wskazuje na przekroczenie
;limitu czasu operacji
;modyfikuje wartości A, B, DPTR, ADDR_HI (R2), ADDR_LO (R3), bit C
byte_fill:
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 6/12
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
mov
zdata,#FILL
mov
dptr,#0
;adres początkowy dla operacji zapisu
bf_x1:
mov
addr_lo,DPL
;ustawienie adresu bajtu w pamięci 24C64
mov
addr_hi,DPH
mov
B,#120
;licznik powtórzeń
bf_x2:
mov
A,#USRADDR
;do akumulatora zapisywana jest zmienna część adresu
call
write_byte
;próba zapisu
jnc
bf_x3
;skok, jeśli zapis pomyślny
djnz
B,bf_x2
;błąd, ponowna próba zapisu
setb
C
;zapis nie powiódł się, sygnalizacja błędu
jmp
bf_x4
;i wyjście
bf_x3:
inc
dptr
;następna pozycja w pamięci 24C64
mov
A,DPL
;sprawdzenie młodszego bajtu (limitu) dla adresów
cjne
A,#(LOW MEMSIZE),bf_x1;powtórnie, jeśli to nie ostatni bajt
mov
A,DPH
;sprawdzenie starszego bajtu adresu
cjne
A,#(HIGH MEMSIZE),bf_x1
;powtórnie, jeśli to nie ostatni bajt
clr
C
;zerowanie flagi sygnalizacji błędu
bf_x4:
ret
;koniec, pomyślna realizacja funkcji
;weryfikacja bajtów zapisanych w pamięci; odczytuje i sprawdza jeden
;bajt w danym momencie; używana jest funkcja Random Read do sprawdzenia
;zawartości pod pierwszym adresem oraz inicjalizacji wewnętrznego licznika
;adresów; następnie wywoływana jest Current Address Read i sprawdzana krok
;po kroku zawartość pamięci
;modyfikuje wartości A, B, DPTR, ADDR_HI (R2), ADDR_LO (R3), bit C
verify_byte_fill:
mov
DPTR,#0
;inicjalizacja rejestru adresów
mov
addr_lo,DPL
;zapamiętanie adresów
mov
addr_hi,DPH
mov
B,#120
;liczba powtórzeń
vbf_x1:
mov
A,#USRADDR
;załadowanie zmiennej części adresu
call
read_random
;próba odczytu
jnc
vbf_x2
;skok, jeśli pomyślna
djnz
B,vbf_x1
;błąd, powtórna próba odczytu
jmp
vbf_x6
;przekroczono limit, wyjście z ustawioną flagą CY
vbf_x2:
cjne
A,#FILL,vbf_x6
;skok, jeśli błąd porównania
jmp
vbf_x5
;następny adres w pamięci
vbf_x3:
mov
A, #USRADDR
call
read_current
;wywołanie funkcji odczytu bieżącego bajtu
jc
vbf_x6
;skok, jeśli operacja nie powiodła się
cjne
A,#FILL,vbf_x6
;skok, jeśli błąd porównania
vbf_x5:
inc
dptr
;następny adres w pamięci
mov
A,DPL
;sprawdzenie młodszego bajtu (limitu) dla adresów
cjne
A,#(LOW MEMSIZE),vbf_x3
;powtórnie, jeśli to nie ostatni bajt
mov
A,DPH
;sprawdzenie starszego bajtu dla adresów
cjne
A,#(HIGH MEMSIZE),vbf_x3
;powtórnie, jeśli to nie ostatni bajt
clr
C
;zerowanie flagi sygnalizacji błędu
ret
;wyjście
vbf_x6:
setb
C
;ustawienie flagi sygnalizacji błędu
ret
;wypełnienie strony w pamięci wartością FILL
;modyfikuje wartości A, B, DPTR, ADDR_HI (R2), ADDR_LO (R3), bit C
page_fill:
mov
B,#PMEMSIZE
;do B liczba bajtów na stronę
mov
index,#buffer
;"index" jako wskaźnik do bufora w RAM mikrokontrolera
pf_x1:
mov
@index,#FILL
;wypełnienie bufora w RAM wartością FILL
inc
index
djnz
B,pf_x1
;zapis bufora do pamięci 24C64 - jedna strona
mov
dptr,#0
;inicjalizacji wskaźnika adresów
pf_x2:
mov
addr_lo,DPL
;nastawy rejestru adresów
mov
addr_hi,DPH
mov
count,#PMEMSIZE
;liczba bajtów na stronę
mov
B,#120
;rejestr B jako licznik powtórzeń
pf_x3:
mov
A,#USRADDR
;załadowanie programowanej części adresu
call
write_block
;próba zapisu
jnc
pf_x4
;skok, jeśli próba pomyślna
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 7/12
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
djnz
B,pf_x3
;ponowna próba zapisu
setb
C
;ustawienie flagi sygnalizacji błędu
jmp
pf_x6
;i wyjście
pf_x4:
;dodanie rozmiaru PMEMSIZE do wskaźnika adresów
mov
A,DPL
;dodawanie 2 bajtów (młodszy, później starszy)
add
A,#PMEMSIZE
mov
DPL,A
jnc
pf_x5
inc
DPH
;rozkaz INC DPH zastępuje dodanie do DPH przeniesienia
pf_x5:
cjne
A,#(LOW MEMSIZE),pf_x2;jak poprzednio-sprawdzenie adresu
mov
A,DPH
cjne
A,#(HIGH MEMSIZE),pf_x2
clr
C
pf_x6:
ret
;weryfikacja strony zapisanej w pamięci 24C64
;weryfikowana jest jedna strona w danym momencie
;modyfikuje wartości A, B, DPTR, ADDR_HI (R2), ADDR_LO (R3), bit C
verify_page_fill:
;przepisanie strony z pamięci 24C64 do bufora
mov
DPTR,#0
;inicjalizacja licznika adresów
vpf_x1:
mov
addr_lo,DPL
mov
addr_hi,DPH
mov
count,#PMEMSIZE
;liczba bajtów na stronę
mov
B,#120
;licznik powtórzeń
vpf_x2:
mov
A,#USRADDR
;zapamiętanie zmiennej części adresu
call
read_block
;próba odczytu
jnc
vpf_x4
;skok, jeśli pomyślna
djnz
B,vpf_x2
;ponowna próba odczytu
vpf_x3:
setb
C
;ustawienie bitu sygnalizacji błędu
jmp
vpf_x7
;wyjście
vpf_x4:
;weryfikacja zawartości bufora
mov
B,#PMEMSIZE
;liczba bajtów na stronę
mov
index,#buffer
;zapamiętanie adresu bufora w RAM
vpf_x5:
cjne
@index,#FILL,vpf_x3
;skok, jeśli błąd porównania
inc
index
;następna pozycja w buforze
djnz
B,vpf_x5
;dodanie PMEMSIZE do wskaźnika adresu
mov
A,DPL
;operacja przeprowadzana jak wyżej
add
A,#PMEMSIZE
mov
DPL,A
jnc
vpf_x6
inc
DPH
vpf_x6:
cjne
A,#(LOW MEMSIZE),vpf_x1
mov
A,DPH
cjne
A,#(HIGH MEMSIZE),vpf_x1
clr
C
vpf_x7:
ret
;zapis na stronie pamięci zawartości bufora BUFFER ;wywołanie:
;adres 1-go bajtu w ADDR_HI:ADDR_LO, dane do zapisu w BUFFER,
;liczba bajtów w COUNT, zmienna część adresu układu w A
;zwraca CY=1, jeśli magistrala jest zajęta lub pamięć nie odpowiada
;modyfikuje: A, COUNT, INDEX
write_block:
call
start
;wysłanie polecenie I2C START
jc
wb_x8
;przerwa, jeśli magistrala jest zajęta
rl
A
;zmienna część adresu przesuwana jest na poz. bitów 3:1
orl
A,#FIXEDADDR
;dodanie stałej części adresu
clr
ACC.0
;zerowanie bitu numer 0: zapis danych
call
shout
;wysłanie adresu pamięci
jc
wb_x7
;jeśli układ nie odpowiada, to błąd i wyjście
mov
A,addr_hi
;wysłanie starszego bajtu adresu słowa w pamięci
call
shout
jc
wb_x7
;jeśli układ nie odpowiada, to błąd i wyjście
mov
A,addr_lo
;wysłanie młodszego bajtu adresu słowa w pamięci
call
shout
jc
wb_x7
;jeśli układ nie odpowiada, to błąd i wyjście
mov
index,#buffer
;załadowanie do zmiennej INDEX adresu bufora w RAM
wb_x6:
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 8/12
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
mov
A,@index
;pobierz bajt
call
shout
;wyślij do pamięci 24C64
jc
wb_x7
;jeśli układ nie odpowiada, to błąd i wyjście
inc
index
;następna pozycja w buforze
djnz
count,wb_x6
;następny adres w 24C64
clr
C
;zerowanie flagi C - sygnalizacji błędu
wb_x7:
call
stop
;wysłanie polecenie I2C STOP
wb_x8:
ret
;odczyt jednego bajtu do jednej strony bajtów z pamięci 24C64
;wysyła polecenie Random Read a następnie Sequential Read
;wywołanie: adres 1-go bajtu w ADDR_HI:ADDR_LO, dane zwracane w BUFFER,
;liczba bajtów w COUNT, zmienna część adresu układu w A
;zwraca CY=1, jeśli magistrala jest zajęta lub pamięć nie odpowiada
;modyfikuje: A, COUNT, INDEX
read_block:
;tryb zapisu w celu ustawienia licznika adresów 24C64
call
start
;wysłanie polecenia I2C START
jc
rb_x5
;przerwa, jeśli magistrala jest zajęta
rl
A
;zmienna część adresu przesuwana jest na poz. bitów 3:1
orl
A,#FIXEDADDR
;dodanie stałej części adresu
mov
index,A
;zapamiętanie kopii adresu urządzenia
clr
ACC.0
;wybór operacji zapisu
call
shout
;wysłanie adresu pamięci
jc
rb_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,addr_hi
;wysłanie starszej części adresu słowa
call
shout
jc
rb_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,addr_lo
;wysłanie młodszej części adresu słowa
call
shout
jc
rb_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
;zmiana trybu na "odczyt" i odczyt bajtów
call
start
;powtórne wysłanie polecenia I2C START
jc
rb_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,index
;odtworzenie adresu pamięci
setb
ACC.0
;kasowanie bitu 0 adresu - odczyt
call
shout
;wysłanie adresu na magistralę I2C
jc
rb_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
index,#buffer
;do zmiennej INDEX wskazanie do bufora
rb_x1:
call
shin
;odbiór bajtu od pamięci
mov
@index,A
;zapamiętanie ich w RAM mikrokontrolera
cjne
count,#1,rb_x2
;skok, jeśli to nie ostatni bajt
call
NAK
;nie wysyłaj potwierdzenia, ostatni bajt
jmp
rb_x3
;wyjście
rb_x2:
call
ACK
;wyślij potwierdzenie
inc
index
;następna pozycja w buforze
djnz
count,rb_x1
;następny bajt w pamięci 24C64
rb_x3:
clr
C
; clear error flag
rb_x4:
call
stop
;wysłanie rozkazu I2C STOP
rb_x5:
ret
;zapis bajtu do pamięci 24C64; wywołanie: adres 1-go bajtu w
;ADDR_HI:ADDR_LO, dane do zapisu w ZDATA, zmienna część adresu
;układu pamięci w A, zwraca CY=1, jeśli magistrala jest zajęta lub
;pamięć nie odpowiada, modyfikuje A
write_byte:
call
start
;wysłanie rozkazu I2C START
jc
wb_y9
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
rl
A
;zmienna część adresu przesuwana jest na poz. bitów 3:1
orl
A,#FIXEDADDR
;dodanie stałej części adresu
clr
ACC.0
;operacja zapisu (b0=0)
call
shout
;wysłanie adresu pamięci
jc
wb_y8
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,addr_hi
;wysłanie starszego bajtu adresu słowa
call
shout
jc
wb_y8
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,addr_lo
;wysłanie młodszego bajtu adresu słowa
call
shout
jc
wb_y8
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,zdata
;pobranie danych z ZDATA do ACC
call
shout
;wysłanie danych do pamięci 24C64
jc
wb_y8
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
clr
C
;kasowanie znacznika błędu
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 9/12
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
wb_y8:
call
stop
;wysłanie rozkazu I2C STOP
wb_y9:
ret
;odczyt bajtu spod bieżącego adresu w pamięci 24C64
;wywoływana ze zmienną częścią adresu w A, zwraca bajt w A
;zwraca CY=1, jeśli magistrala jest zajęta lub pamięć nie
;odpowiada, modyfikuje A
read_current:
call
start
;wysłanie rozkazu I2C START
jc
rc_x5
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
rl
A
;zmienna część adresu przesuwana jest na poz. bitów 3:1
orl
A,#FIXEDADDR
;dodanie stałej części adresu
setb
ACC.0
;operacja odczytu (b0=1)
call
shout
;wysłanie adresu pamięci
jc
rc_x4
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
call
shin
;odbiór bajtu danych
call
NAK
;nie wysyłaj potwierdzenia, koniec operacji
clr
C
;kasowanie flagi sygnalizacji błędu
rc_x4:
call
stop
;wysłanie rozkazu I2C STOP
rc_x5:
ret
;wywyłanie funkcji Read Random (odczyt swobodny)
;wywoływana ze zmienną częścią adresu w A, adresem bajtu w
;ADDR_HI:ADDR_LO; bajt zwracany w akumulatorze
;zwraca CY=1, jeśli magistrala jest zajęta lub pamięć nie
;odpowiada
read_random:
push
B
;zapamiętanie stanu rejestru B na stosie
mov
B,A
;zapamiętanie kopii zmiennej części adresu
;tryb zapisu w celu ustawienia licznika adresów 24C64
call
start
;wysłanie rozkazu I2C START
jc
rr_x7
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
rl
A
;zmienna część adresu przesuwana jest na poz. bitów 3:1
orl
A,#FIXEDADDR
;dodanie stałej części adresu
clr
ACC.0
;operacja zapisu (b0=0)
call
shout
;wysłanie adresu pamięci
jc
rr_x6
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
A,addr_hi
;wysłanie starszego bajtu adresu słowa
call
shout
jc
rr_x6
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
mov
a,addr_lo
;wysłanie młodszego bajtu adresu słowa
call
shout
jc
rr_x6
;wyjście, jeśli brak potwierdzenia
;wywołanie funkcji Call Current Address Read
mov
A,B
;odtwórz zmienną część adresu
call
read_current
jmp
rr_x7
;wyjście
rr_x6:
call
stop
;wysłanie rozkazu I2C STOP
rr_x7:
pop
B
;odtworzenie stanu rejestru B
ret
;wysłanie polecenie I2C START (SDA = "1" -> "0" przy SCL = "1")
;powrót z SCL = SDA = 0, zwraca CY = 1, jeśli magistrala jest zajęta
start:
setb
SDA
setb
SCL
;sprawdzenie zajętości magistrali I2C
jnb
SDA,st_x0
;skok, jeśli SDA <> "1"
jnb
SCL,st_x0
;skok, jeśli SCL <> "1"
nop
;czas na ustalenie się linii
clr
SDA
;zmiana stanu SDA (SDA -> "0" przy SCL = "1")
nop
;opóźnienie
nop
nop
clr
SCL
;zmiana stanu SCL (SCL -> "0" przy SDA = "0")
clr
C
;kasowanie flagi sygnalizacji błędu
jmp
st_x1
st_x0:
setb
c
;ustawienie flagi sygnalizacji błędu
st_x1:
ret
;wysłanie rozkazu I2C STOP (SDA = "0" -> "1" przy SCL = "1")
;spodziewane jest SCL = "0", powrór z SDA = SCL = "1"
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 10/12
http://www.easy-soft.tsnet.pl/
stop:
clr
SDA
nop
;czas na ustalenie SDA
setb
SCL
;SCL -> "1" przy SDA = "0"
nop
;czas na ustalenie
nop
nop
setb
SDA
;zmiana SDA -> "1"
ret
;wyprowadzenie bajtu przez SDA w takt SCL (najbardziej znaczący
;bit wyprowadzany jest jako pierwszy); wywoływana z bajtem do
;wysłania w A, zwraca CY = 1, jeśli magistrala jest zajęta
shout:
push
B
;zapamiętanie stanu rejestru B na stosie
mov
B,#8
;rejestr B jako licznik wysyłanych bitów
sho_x2:
rlc
A
;przesunięcie bajtu w lewo i przeniesienie najstarszego
;bitu dla flagi C
mov
SDA, c
;wyprowadzenie bitu
nop
;czas na ustalenie się wyjścia mikrokontrolera
setb
SCL
;zmiana SCL ___|```
nop
;czas na ustalenie
clr
SCL
;zmiana SCL ```|___
djnz
B,sho_x2
;następny bit
setb
SDA
;ustawienie SDA = "1" dla odbioru ACK
nop
;czas na ustalenie się pamięci
setb
SCL
;narastające zbocze SCL
nop
;czas na ustalenie
mov
C,SDA
;odczyt bitu ACK
clr
SCL
;zmiana SCL "1" -> "0"
pop
B
;odtworzenie stanu rejestru B
ret
;odczyt 8 bitów, kompletacja słowa danych (z postaci szeregowej na równoległą)
;jako pierwszy wprowadzany jest najbardziej znaczący bit, bajt zwracany jest w A
shin:
setb
SDA
;SDA jak wejście
push
B
;zapamiętanie stanu rejestru B na stosie
mov
B,#8
;rejestr B jako licznik wysyłanych bitów
shi_x3:
nop
;czas na ustalenie się linii danych
setb
SCL
;narastające zbocze SCL
nop
mov
C,SDA
;odczyt linii danych
rlc
A
;wprowadzenie bitu do akumulatora na najmłodszą pozycję
clr
SCL
;opadające zbocze SCL
djnz
B,shi_x3
;następny bit
pop
B
;odtworzenie stanu rejestru B
ret
;wysłanie potwierdzenia (stan niski linii SDA)
ACK:
clr
SDA
;wysłanie ACK
nop
;czas na ustalenie
setb
SCL
;narastające zbocze sygnału SCL
nop
;czas na ustalenie
clr
SCL
;opadające zbocze SCL
ret
;wysłanie "nie-potwierdzenia"
NAK:
setb
SDA
;ustawienie NAK
nop
;czas na ustalenie
setb
SCL
;narastające zbocze sygnału SCL
nop
;czas na ustalenie
clr
SCL
;opadające zbocze SCL
ret
END
Listing 1. Funkcje obsługi pamięci 24C64 w języku asembler 8051.
J.Bogusz „Pamięci FRAM w zastosowaniach”
STRONA 11/12