Энергонезависимая память eeprom. Работа с внутренней памятью EEPROM

Электрически стираемые программируемые микросхемы постоянной памяти (EEPROM) являются металлическими оксидными полупроводниковыми компьютерными микросхемами, которые используются на печатной плате. Этот тип чипа можно стереть и перепрограммировать с использованием сильного электронного сигнала. Поскольку это можно сделать, не удаляя чип с устройства, к которому он подключен, чипы EEPROM используются во многих отраслях.
Микросхема EEPROM содержит энергонезависимую память, поэтому её данные не теряются при нарушении питания чипа. Микросхема такого типа может быть запрограммирована выборочно, что означает, что часть её памяти может быть изменена с помощью новой перезаписи, не затрагивая остальную память. Информация, хранящаяся внутри микросхемы EEPROM, является постоянной, пока она не будет стёрта или перепрограммирована, что делает её ценным компонентом в компьютерах и других электронных устройствах.

Микросхемы EEPROM созданы на основе транзисторов с плавающим затвором. Микросхема EEPROM запрограммирована путём принудительной программируемой информации в виде электронов через оксид затвора. Затем плавающий затвор обеспечивает хранение этих электронов. Ячейка памяти считается запрограммированной, когда она заряжается электронами, и это представляется нулём. Если ячейка памяти не заряжена, она не запрограммирована, и она представлена ​​единицей.

Для широкого спектра устройств требуется память, поэтому чипы EEPROM имеют множество применений в области бытовой электроники. Они используются в игровых системах, телевизорах и компьютерных мониторах. Слуховые аппараты, цифровые камеры, технология Bluetooth и игровые системы также используют чипы EEPROM. Они используются в телекоммуникационной, медицинской и обрабатывающей промышленности. Персональные и бизнес-компьютеры содержат ЭСППЗУ.

Чип EEPROM также имеет широкий спектр применений в автомобильной отрасли. Он используется в антиблокировочных системах, подушках безопасности, электронных средствах контроля устойчивости, трансмиссиях и блоках управления двигателем. Чипы EEPROM также используются в кондиционерах, дисплеях приборной панели, модулях управления корпусом и системах ввода без ключа. Эти чипы помогают контролировать расход топлива, а также используются в различных диагностических системах.

Существует ограничение на количество повторений, которое может быть перезаписано чипом EEPROM. Слой внутри чипа постепенно повреждается многочисленными переписываниями. Это не большая проблема, потому что некоторые чипы EEPROM могут быть изменены до миллиона раз. Дальнейшие успехи в области технологий, скорее всего, окажут положительное влияние на то, на что могут рассчитывать микросхемы памяти в будущем.

На заре возникновения памяти, сохраняющей данные при отключении питания (EPROM, E rasable P rogrammable ROM , стираемая/программируемая ROM, или по‑русски – ПИЗУ, программируемое ПЗУ), основным типом ее была память, стираемая ультрафиолетом: UV‑EPROM (Ultra‑Violet EPROM , УФ‑ППЗУ). Причем часто приставку UV опускали, т. к. всем было понятно, что EPROM – это стираемая ультрафиолетом, a ROM (или ПЗУ) просто, без добавлений – это однократно программируемые кристаллы OTP‑ROM. Микроконтроллеры с УФ‑памятью программ были распространены еще в середине 1990‑х. В рабочих образцах устройств с УФ‑памятью кварцевое окошечко, через которое осуществлялось стирание, заклеивали кусочком черной липкой ленты, т. к. информация в UV‑EPROM медленно разрушается и на солнечном свету.

На рис. 18.7 показано устройство элементарной ячейки EPROM, которая лежит в основе всех современных типов flash‑памяти. Если исключить из нее то, что обозначено надписью «плавающий затвор», мы получим самый обычный полевой транзистор – точно такой же входит в ячейку DRAM. Если подать на управляющий затвор такого транзистора положительное напряжение, то он откроется, и через него потечет ток (это считается состоянием логической единицы). На рис. 18.7 вверху изображен такой случай, когда плавающий затвор не оказывает никакого влияния на работу ячейки, – например, такое состояние характерно для чистой flash‑памяти, в которую еще ни разу ничего не записывали.

Рис. 18.7. Устройство элементарной ячейки EPROM

Если же мы каким‑то образом (каким – поговорим отдельно) ухитримся разместить на плавающем затворе некоторое количество зарядов – свободных электронов, которые показаны на рис. 18.7 внизу в виде темных кружочков со значком минуса, то они будут экранировать действие управляющего электрода, и такой транзистор вообще перестанет проводить ток. Это состояние логического нуля. Поскольку плавающий затвор потому так и называется, что он «плавает» в толще изолятора (двуокиси кремния), то сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деваться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями (до последнего времени производители обычно давали гарантию на 10 лет, но на, практике в обычных условиях время хранения значительно больше).

Заметки на полях

Строго говоря, в NAND‑чипах (о которых далее) логика обязана быть обратной. Если в обычной EPROM запрограммированную ячейку вы не можете открыть подачей считывающего напряжения, то там наоборот – ее нельзя запереть снятием напряжения. Поэтому, в частности, чистая NAND‑память выдает все нули, а не единицы, как EPROM. Но это нюансы, которые не меняют суть дела.

Осталось всего ничего – придумать, как размещать заряды на изолированном от всех внешних влияний плавающем затворе. И не только размещать – ведь иногда память и стирать приходится, потому должен существовать способ их извлекать оттуда. В UV‑EPROM слой окисла между плавающим затвором и подложкой был достаточно толстым (если величину 50 нанометров можно охарактеризовать словом «толстый», конечно), и работало все это довольно грубо. При записи на управляющий затвор подавали достаточно высокое положительное напряжение – иногда до 36–40 В, а на сток транзистора – небольшое положительное. При этом электроны, которые двигались от истока к стоку, настолько ускорялись полем управляющего электрода, что просто перепрыгивали барьер в виде изолятора между подложкой и плавающим затвором. Такой процесс называется еще инжекцией горячих электронов .

Ток заряда при этом достигал миллиампера – можете себе представить, каково было потребление всей схемы, если в ней одновременно программировать хотя бы несколько тысяч ячеек. И хотя такой ток требовался на достаточно короткое время (впрочем, с точки зрения быстродействия схемы не такое уж и короткое – миллисекунды), но это было крупнейшим недостатком всех старых образцов EPROM‑памяти. Еще хуже другое – и изолятор, и сам плавающий затвор такого издевательства долго не выдерживали и постепенно деградировали, отчего количество циклов стирания/записи было ограничено нескольким сотнями, максимум – тысячами. Во многих образцах flash‑памяти более позднего времени даже была предусмотрена специальная схема для хранения карты «битых» ячеек – в точности так, как это делается для жестких дисков. В современных моделях с миллионами ячеек такая карта тоже имеется – однако число циклов стирания/записи теперь возросло до сотен тысяч. Как этого удалось добиться?

Сначала посмотрим, как осуществлялось в этой схеме стирание. В UV‑EPROM при облучении ультрафиолетом фотоны высокой энергии сообщали электронам на плавающем затворе достаточный импульс для того, чтобы они «прыгнули» обратно на подложку самостоятельно, без каких‑либо электрических воздействий. Первые образцы электрически стираемой памяти (EEPROM, Electrically Erasable Programmable ROM , электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ) были созданы в компании Intel в конце 1970‑х при непосредственном участии будущего основателя Atmel Джорджа Перлегоса. Он использовал квантовый эффект туннелирования Фаулера–Нордхейма . За этим непонятным названием кроется довольно простое по сути (но очень сложное с физической точки зрения) явление – при достаточно тонкой пленке изолятора (ее толщину пришлось уменьшить с 50 до 10 нм) электроны, если их слегка подтолкнуть подачей не слишком высокого напряжения в нужном направлении, могут просачиваться через барьер, не перепрыгивая его. Сам процесс показан на рис. 18.8 вверху (обратите внимание на знак напряжения на управляющем электроде).

Рис. 18.8. Процесс стирания в элементарной ячейке EPROM

Старые образцы EEPROM именно так и работали: запись производилась «горячей инжекцией», а стирание – «квантовым туннелированием». Оттого они были довольно сложны в эксплуатации – разработчики со стажем помнят, что первые микросхемы EEPROM требовали два, а то и три питающих напряжения, причем подавать их при записи и стирании требовалось в определенной последовательности.

Превращение EEPROM во flash происходило по трем разным направлениям. В первую очередь – в направлении совершенствования конструкции самой ячейки. Для начала избавились от самой противной стадии – «горячей инжекции». Вместо нее при записи стали также использовать «квантовое туннелирование», как и при стирании. На рис. 18.8 внизу показан этот процесс – если при открытом транзисторе подать на управляющий затвор достаточно высокое (но значительно меньшее, чем при «горячей инжекции») напряжение, то часть электронов, двигающихся через открытый транзистор от истока к стоку, «просочится» через изолятор и окажется на плавающем затворе. Потребление тока при записи снизилось на несколько порядков. Изолятор, правда, пришлось сделать еще тоньше, что обусловило довольно большие трудности с внедрением этой технологии в производство.

Второе направление – ячейку сделали несколько сложнее, пристроив к ней второй транзистор (обычный, не двухзатворный), который разделил вывод стока и считывающую шину всей микросхемы. Благодаря всему этому удалось добиться значительного повышения долговечности – до сотен тысяч циклов записи/стирания (миллионы циклов, характерные для флэш‑карточек, получаются, если добавить схемы коррекции ошибок). Кроме того, схемы формирования высокого напряжения и соответствующие генераторы импульсов записи/стирания перенесли внутрь микросхемы, отчего пользоваться этими типами памяти стало несравненно удобнее – они стали питаться от одного напряжения (5, 3,3 или даже 1,8 В).

И, наконец, третье, едва ли не самое главное, усовершенствование заключалось в изменении организации доступа к ячейкам на кристалле, вследствие чего этот тип памяти и заслужил наименование – flash (т. е. «молния»), ныне известное каждому владельцу цифровой камеры или карманного МРЗ‑плеера. Так в середине 1980‑х назвали разновидность EEPROM, в которой стирание и запись производились сразу целыми блоками – страницами. Процедура чтения из произвольной ячейки, впрочем, по понятным причинам замедлилась – для его ускорения приходится на кристаллах flash‑памяти располагать промежуточную (буферную) SRAM. Для флэш‑накопителей это не имеет особого значения, т. к. там все равно данные читаются и пишутся сразу большими массивами, но для использования в микроконтроллерах это может оказаться неудобным. Тем более, в МК неудобно использовать самый быстродействующий вариант flash‑технологии – так называемую память типа NAND (от наименования логической функции «И‑НЕ»), где читать и записывать память в принципе возможно только блоками по 512 байт (это обычная величина сектора на жестком диске, также читаемого и записываемого целиком за один раз, – отсюда можно понять основное назначение NAND).

В МК обычно используют традиционную (типа NOR) flash‑память программ, в которой страницы относительно невелики по размерам – порядка 64‑256 байтов. Впрочем, если пользователь сам не берется за создание программатора для такой микросхемы, он может о страничном характере памяти и не догадываться. А для пользовательских данных применяют EEPROM либо с возможностью чтения произвольного байта, либо секционированную, но на очень маленькие блоки – например, по 4 байта. При этом для пользователя все равно доступ остается побайтным. Характерной чертой такой памяти является довольно медленная (порядка миллисекунд) процедура записи, в то время как чтение протекает ничуть не медленнее любых других операций в МК.

Развитие технологий flash‑памяти имело огромное значение для удешевления и доступности микроконтроллеров. В дальнейшем мы будем иметь дело с энергонезависимой памятью не только в виде встроенных в микроконтроллер памяти программ и данных, но и с отдельными микросхемами, позволяющими записывать довольно большие объемы информации.

Микроконтроллеры Atmel AVR

Общее количество существующих семейств микроконтроллеров оценивается приблизительно в 100 с лишним, причем ежегодно появляются все новые и новые. Каждое из этих семейств может включать десятки разных моделей. Причем львиная доля выпускаемых чипов приходится на специализированные контроллеры – например, для управления USB‑интерфейсом или ЖК‑дисплеями. Иногда довольно трудно классифицировать продукт – так, многие представители семейства ARM, которое широко применяется для построения мобильных устройств, с точки зрения развитой встроенной функциональности относятся к типичным контроллерам, но в то же время достаточно мощное ядро позволяет отнести их и к классу микропроцессоров.

Из семейств универсальных 8‑разрядных микроконтроллеров, так сказать, «на все случаи жизни», наиболее распространены три: контроллеры классической архитектуры х51 (первый контроллер семейства 8051 был выпущен фирмой Intel еще в середине 1980‑х), контроллеры PIC фирмы Microchip (идеально подходят для проектирования несложных устройств, особенно предназначенных для тиражирования), и рассматриваемые нами Atmel AVR .

Заметки на полях

В 1995 году два студента Норвежского университета науки и технологий в г. Тронхейме, Альф Боген и Вегард Воллен, выдвинули идею 8‑разрядного RISC‑ядра, которую предложили руководству Atmel. Имена разработчиков вошли в название архитектуры AVR: Alf + Vegard + RISC. В Atmel идея настолько понравилась, что в 1996 году был основан исследовательский центр в Тронхейме, и уже в конце того же года начат выпуск первого опытного микроконтроллера новой серии AVR под названием AT90S1200. Во второй половине 1997 года корпорация Atmel приступила к серийному производству семейства AVR.

Почему AVR ?

У AVR‑контроллеров «с рождения» есть несколько особенностей, которые отличают это семейство от остальных МК, упрощают его изучение и применение. Одним из существенных преимуществ AVR стало использование конвейера. В результате для AVR не существует понятия машинного цикла: большинство команд, как мы говорили, выполняется за один такт (для сравнения отметим, что пользующиеся большой популярностью МК семейства PIC выполняют команду за 4 такта). Правда, при этом пришлось немного пожертвовать простотой системы команд, есть некоторые сложности и в области операций с битами. Тем не менее, это не приводит к заметным трудностям при изучении AVR‑ассемблера – наоборот, программы получаются короче и больше напоминают программу на языке высокого уровня (отметим, что AVR проектировались специально в расчете на максимальное приближение к структуре языка С ).

Другое огромное преимущество AVR‑архитектуры – наличие 32 оперативных регистров, не во всем равноправных, но позволяющих в простейших случаях обходиться без обращения к оперативной памяти и, что еще важнее, без использования стека – главного источника ошибок у начинающих программистов (мало того, в младших моделях AVR стек даже недоступен для программиста). Для AVR не существует понятия «аккумулятора», ключевого для ряда других семейств. Это еще больше приближает структуру ассемблерных программ для AVR к программам на языке высокого уровня, где операторы работают не с ячейками памяти и регистрами, а с абстрактными переменными и константами.

Но это, конечно, не значит, что AVR – однозначно лучшее в мире семейство МК. У него есть и ряд недостатков (например, несовершенная система защиты энергонезависимой памяти данных – EEPROM, некоторые вопросы с помехоустойчивостью, излишние сложности в системе команд и структуре программ и т. п.). А учитывая, что любые универсальные современные МК позволяют делать все то же самое, вопрос выбора платформы – вопрос в значительной степени предпочтений и личного опыта разработчика.

Несомненно, истинным подарком для фирмы Atmel стала позиция итальянских инженеров, выбравших в 2004 году AVR для любительской платформы Arduino, отчего популярность этого семейства быстро выросла, и за его будущее можно не беспокоиться. Об Arduino мы будем подробно говорить в последних главах этой книги.

Classic, Mega и Tiny

Линейка универсальных контроллеров AVR общего назначения делится на семейства: Classic, Mega и Tiny (есть и новейшее семейство Xmega , содержащее весьма «навороченные» кристаллы). МК семейства Classic (они именовались, как АТ908<марка контроллера>) ныне уже не производятся, однако все еще распространены в литературе, т. к. для них наработано значительное количество программ. Чтобы пользователям не пришлось переписывать все ПО, фирма Atmel позаботилась о преемственности – большинство МК семейства Classic имеет функциональные аналоги в семействе Mega, например, AT90S8515 – ATmega8515, AT90S8535 – ATmega8535 и т. п. (только AT90S2313 имеет аналог в семействе Tiny – ATtiny2313).

Полная совместимость обеспечивается специальным установочным битом (из набора так называемых Fuse‑битoв) , при программировании которого Mega‑контроллер начинает функционировать, как Classic (подробнее об этом рассказано в главе 19 ). Для вновь разрабатываемых устройств обычно нет никакого смысла в использовании их в режиме совместимости, однако такой прием в ряде случаев может оказаться полезным для начинающих, поскольку программы для МК Classic устроены проще и часто встречаются в литературе.

Семейство Tiny (что в буквальном переводе означает «крохотный») предназначено для наиболее простых устройств. Часть МК этого семейства не имеет возможности программирования по последовательному интерфейсу, и потому мы их, за исключением ATtiny2313, не будем рассматривать в этой книге (это не значит, что остальных Tiny следует избегать – среди них есть очень удобные и функциональные микросхемы, нередко вообще не имеющие аналогов). У составляющего исключение МК ATtiny2313 отсутствует бит совместимости с «классическим» аналогом AT90S2313, одним из самых простых и удобных контроллеров Atmel , но при внимательном рассмотрении оказывается, что они и без такого бита совместимы «снизу вверх», – программы для «классического» 2313 практически полностью подходят и для Tiny2313 (см. главу 19 ).

Структура МК AVR

Общая структура внутреннего устройства МК AVR приведена на рис. 18.9. Здесь показаны все основные компоненты AVR (за исключением некоторых специализированных) – в отдельных моделях некоторые компоненты могут отсутствовать или различаться по характеристикам, неизменным остается только общее 8‑разрядное процессорное ядро (GPU, General Processing Unit ). Кратко рассмотрим наиболее важные компоненты, с большинством из которых мы познакомимся в дальнейшем подробнее.

Рис. 18.9. Общая структурная схема микроконтроллеров AVR

Начнем с памяти. В структуре AVR имеются три разновидности памяти: flash‑память программ, ОЗУ (SRAM) для временного хранения данных и энергонезависимая память (EEPROM) для долговременного хранения констант и данных. Рассмотрим их по отдельности.

Память программ

Встроенная flash‑память программ в AVR‑контроллерах имеет объем от 1 Кбайт у ATtiny11 до 256 Кбайт у ATmega2560. Первое число в наименовании модели содержит величину этой памяти в килобайтах из ряда: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256 Кбайт. Так, ATtiny2313 имеет 2 Кбайт памяти, a ATmega8535 – 8 Кбайт.

С точки зрения программиста память программ можно считать построенной из отдельных ячеек – слов по два байта каждое. Устройство памяти программ (и только этой памяти!) по двухбайтовым словам – очень важный момент, который ассемблерному программисту нужно твердо усвоить. Такая организация обусловлена тем, что любая команда в AVR имеет длину ровно 2 байта. Исключение составляют команды jmp, call и некоторые другие (например, lds ), которые оперируют с адресами 16‑разрядной и более длины. Длина этих команд составляет 4 байта, и они используются лишь в моделях с памятью программ более 8 Кбайт, поэтому в этом разделе книги вы их не встретите. Arduino основано на AVR‑контроллерах с большим объемом памяти, но там нам об этих тонкостях знать необязательно. Во всех остальных случаях счетчик команд сдвигается при выполнении очередной команды на 2 байта (одно слово), поэтому необходимую емкость памяти легко подсчитать, зная просто число используемых команд.

По умолчанию все контроллеры AVR всегда начинают выполнение программы с адреса $0000. Если в программе не используются прерывания, то с этого адреса может начинаться прикладная программа, как мы увидим далее. В противном случае по этому адресу располагается так называемая таблица векторов прерываний , подробнее о которой мы будем говорить в главе 19 .

Память данных (ОЗУ, SRAM )

В отличие от памяти программ, адресное пространство памяти данных адресуется побайтно (а не пословно). Адресация полностью линейная, без какого‑либо деления на страницы, сегменты или банки, как это принято в некоторых других системах.

Исключая некоторые младшие модели Tiny, объем встроенной SRAM колеблется от 128 байтов (например, у ATtiny2313) до 4–8 Кбайт у старших моделей Mega . Адресное пространство статической памяти данных (SRAM) условно делится на несколько областей, показанных на рис. 18.10. К собственно встроенной SRAM относится лишь затемненная часть, до нее по порядку адресов расположено адресное пространство регистров, где первые 32 байта занимает массив регистров общего назначения (РОН), еще 64 – регистров ввода/вывода (РВВ).

Рис. 18.10. Адресное пространство статической памяти данных (SRAM ) микроконтроллеров AVR

Для некоторых моделей Mega (ATmega8515, ATmega162, ATmega128, ATmega2560 и др.) предусмотрена возможность подключения внешней памяти объемом до 64 Кбайт. Отметим, что адресные пространства РОН и РВВ не отнимают пространство у ОЗУ данных – так, если в конкретной модели МК имеется 512 байтов SRAM, а пространство регистров занимает первые 96 байтов (до адреса $5f), to адреса SRAM займут адресное пространство от $0060 до $025F (т. е. от 96 до 607 ячейки включительно). Конец встроенной памяти данных обозначается константой RAMEND . Следует учесть, что последние адреса SRAM, как минимум, на четыре‑шесть ячеек от конца (в зависимости от количества вложенных вызовов процедур – для надежности лучше принять это число равным десяти или даже более) занимать данными не следует, т. к. они при использовании подпрограмм и прерываний заняты под стек.

Операции чтения/записи в память одинаково работают с любыми адресами из доступного пространства, и потому при работе с SRAM нужно быть внимательным, – вместо записи в память вы легко можете «попасть» в какой‑нибудь регистр. Для обращения к РОН, как к ячейкам памяти, можно в качестве адреса подставлять номер регистра, а вот при обращении к РВВ таким же способом к номеру последнего нужно прибавлять $20. Следует также помнить, что по умолчанию при включении питания все РВВ устанавливаются в нулевое состояние во всех битах (единичные исключения все же имеются, поэтому в критичных случаях надо смотреть документацию), а вот РОН и ячейки SRAM могут принимать произвольные значения.

Энергонезависимая память данных (EEPROM )

Все модели МК AVR (кроме снятого с производства ATtiny11) имеют встроенную EEPROM для хранения констант и данных при отключении питания. В разных моделях объем ее варьируется от 64 байтов (ATtinylx) до 4 Кбайт (старшие модели Mega). Число циклов перепрограммирования EEPROM может достигать 100 тыс.

Напомним, что EEPROM отличается от flash‑памяти возможностью выборочного программирования побайтно (вообще‑то, даже побитно, но эта возможность скрыта от пользователя). Чтение из EEPROM осуществляется с такой же скоростью, как и чтение из РОН, – в течение одного машинного цикла (правда, на практике оно растягивается на 4 цикла, но программисту следить за этим специально не требуется). А вот запись в EEPROM протекает значительно медленнее и к тому же с неопределенной скоростью – цикл записи одного байта может занимать от 2 до 4 и более миллисекунд. Процесс записи регулируется встроенным RC‑генератором, частота которого нестабильна (при низком напряжении питания можно ожидать, что время записи будет больше). За такое время при обычных тактовых частотах МК успевает выполнить несколько тысяч команд, поэтому программирование процедуры записи требует аккуратности – например, нужно следить, чтобы в момент записи не «вклинилось» прерывание (подробнее об этом далее).

Главная же сложность при использовании EEPROM – то, что при недостаточно быстром снижении напряжения питания в момент выключения содержимое ее может быть испорчено. Обусловлено это тем, что при снижении напряжения питания ниже некоторого порога (ниже порога стабильной работы, но недостаточного для полного выключения) и вследствие его дребезга МК начинает выполнять произвольные команды, в том числе может выполнить и процедуру записи в EEPROM, если она имеется в программе. Если учесть, что типовая команда МК AVR выполняется за десятые доли микросекунды, то ясно, что никакой реальный источник питания не может обеспечить снижение напряжения до нуля за нужное время. По опыту автора при питании от обычного стабилизатора типа LM7805 с рекомендованными значениями емкости конденсаторов на входе и на выходе содержимое EEPROM будет испорчено примерно в половине случаев.

Этой проблемы не должно существовать, если запись констант в EEPROM производится при программировании МК, а процедура записи в программе отсутствует. Во всех же остальных случаях (а их, очевидно, абсолютное большинство – EEPROM чаще всего используется для хранения пользовательских установок и текущей конфигурации при выключении питания) приходится принимать специальные меры. Встроенный детектор падения напряжения (Brown‑Out Detection , BOD), имеющийся практически во всех моделях Tiny и Mega , обычно с этим не справляется. Наиболее кардинальной из таких мер является установка внешнего монитора питания, удерживающего МК при снижении напряжения питания ниже пороговой величины в состоянии сброса (подробности см. ).

• Tutorial

Резюме: Если вы периодически обновляете некоторое значение в EEPROM каждые несколько минут (или несколько секунд), вы можете столкнуться с проблемой износа ячеек EEPROM. Чтобы избежать этого, требуется снижать частоту записей в ячейку. Для некоторых типов EEPROM даже частота записи чаще чем один раз в час может быть проблемой.

Когда вы записываете данные, время летит быстро

EEPROM повсеместно используется для сохранения параметров настройки и журнала работы во встраиваемых системах. К примеру, вы можете хотеть функцию «черного ящика», для записи последних данных на момент аварии или потери питания. Я видел спецификации с требованием записывать подобные данные каждые несколько секунд.

Но проблема в том, что EEPROM имеет ограниченный ресурс числа записей. После 100,000 или миллиона записей (зависит от конкретного чипа), некоторые из ваших систем начнут испытывать проблемы с отказом EEPROM. (Посмотрите в даташит, чтобы узнать конкретную цифру. Если вы хотите выпустить большое число устройств, «наихудший случай», вероятно, более важен чем «типичный»). Миллион записей кажется большой цифрой, но на самом деле он закончится очень быстро. Давайте посмотрим на примере, предположив, что нам нужно сохранять измеренное напряжение в одну ячейку каждые 15 секунд.

1,000,000 записей при одной записи в 15 секунд дают записи в минуту:
1,000,000 / (4 * 60 минут/час * 24 часа/день) = 173.6 дней.
Другими словами, ваша EEPROM исчерпает резерв в миллион записей менее чем через 6 месяцев.

Ниже приведен график, показывающая время до износа (в годах), основанный на периоде обновления конкретной ячейки EEPROM. Ограничительная линия для продукта с продолжительностью жизни 10 лет составляет одно обновление каждые 5 минут 15 секунд для микросхемы с ресурсом 1 миллион записей. Для EEPROM с ресурсом 100К можно обновлять конкретную ячейку не чаще одного раза в 52 минуты. Это означает, что не стоит и надеяться обновлять ячейку каждые несколько секунд, если вы хотите, чтобы ваш продукт работал годы, а не месяцы. Вышесказанное масштабируется линейно, правда, в настоящем приборе имеются еще и вторичные факторы, такие как температура и режим доступа.

Уменьшить частоту

Самый безболезненный способ решить проблему-это просто записывать данные реже. В некоторых случаях требования к системе это позволяют. Или можно записывать только при каких-либо больших изменениях. Однако, с записью, привязанной к событиям, помните о возможном сценарии, при котором значение будет постоянно колебаться, и вызовет поток событий, которые приведут к износу EEPROM.
(Будет неплохо, если вы сможете определить, сколько раз производилась запись в EEPROM. Но это потребует счётчика, который будет храниться в EEPROM… при этом проблема превращается проблему износа счётчика.)

Прерывание по снижению уровня питания

В некоторых процессорах имеется прерывание по низкому уровню питания, которое можно использовать для записи одного последнего значения в EEPROM, в то время как система выключается по потере питания. В общем случае, вы храните интересующее значение в ОЗУ, и сохраняете его в EEPROM только при выключении питания. Или, возможно, вы записываете EEPROM время от времени, и записываете другую копию в EEPROM как часть процедуры выключения, чтобы убедиться, что самые последние данные запишутся.
Важно убедиться, что есть большой конденсатор по питанию, который будет поддерживать напряжение, достаточное для программирования EEPROM достаточно продолжительное время. Это может сработать, если вам нужно записать одно или два значения, но не большой блок данных. Осторожно, тут имеется большое пространство для ошибки!

Кольцевой буфер

Классическое решение проблемы износа-использовать кольцевой буфер FIFO, содержащий N последних записей значения. Так-же понадобится сохранять указатель на конец буфера в EEPROM. Это уменьшает износ EEPROM на величину, пропорциональную числу копий в этом буфере. Например, если буфер проходит через 10 различных адресов для сохранения одного значения, каждая конкретная ячейка модифицируется в 10 раз реже, и ресурс записи возрастает в 10 раз. Вам также понадобится отдельный счётчик или отметка времени для каждой из 10 копий, чтобы можно было определить, которая из них последняя на момент выключения. Другими словами, понадобится два буфера, один для значения, и один для счетчика. (Если сохранять счетчик по одному и тому-же адресу, это приведёт к его износу, т.к. он должен увеличиваться при каждом цикле записи.) Недостаток этого метода в том, что нужно в 10 раз больше места чтобы получить в 10 раз большую продолжительность жизни. Можно проявить смекалку, и упаковать счетчик вместе с данными. Если вы записываете большое количество данных, добавление нескольких байт для счетчика - не такая уж большая проблема. Но в любом случае, понадобится много EEPROM.
Atmel приготовил аппноут, содержащий все кровавые подробности:
AVR-101: High Endurance EEPROM Storage: www.atmel.com/images/doc2526.pdf

Особый случай для счётчика числа записей

Иногда нужно сохранить счётчик, а не сами значения. К примеру, вы можете хотеть знать число включений прибора, или время работы вашего устройства. Самое плохое в счётчиках, это то, что у них постоянно меняется младший значащий бит, изнашивая младшие ячейки EEPROM быстрее. Но и тут возможно применить некоторые трюки. В аппноуте от Microchip есть несколько умных идей, таких как использование кода Грея, чтобы только один бит из многобайтового счётчика менялся при изменении значения счетчика. Также они рекомендуют использовать корректирующие коды для компенсации износа. (Я не знаю, насколько эффективно будет применение таких кодов, т.к. это будет зависеть от того, насколько независимы будут ошибки в битах в байтах счётчика, используйте на свой страх и риск, прим. авт.). Смотри аппноут: ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01449A.pdf

Примечание: для тех, кто хотел бы узнать больше, Microchip подготовил документ, содержащий детальную информацию об устройстве ячеек EEPROM и их износе с диаграммами:
ftp.microchip.com/tools/memory/total50/tutorial.html

Дайте мне знать, если у вас имеются какие-либо интересные идеи по поводу борьбы с износом EEPROM.

Источик: Phil Koopman, «Better Embedded System SW»
betterembsw.blogspot.ru/2015/07/avoiding-eeprom-wearout.html

Примечание переводчика: в последние годы появились микросхемы EEPROM со страничной организацией стирания (подобной микросхемам FLASH), где логически можно адресовать ячейки (читать, записывать и стирать) побайтно, но при этом микросхема невидимо для пользователя стирает всю страницу целиком и перезаписывает новыми данными. Т.е. стерев ячейки по адресу 0, мы фактически стёрли и перезаписали ячейки с адресами 0...255 (при размере страницы 256 байт), поэтому трюк с буфером в этом случае не поможет. При исчерпании ресурс записей у такой микросхемы выходит из строя не одна ячейка, а вся страница целиком. В даташитах для таких микросхем ресурс записи указан для страницы , а не для конкретной ячейки. Смотри, например, даташит на 25LC1024 от Microchip.

Теги: Добавить метки

EEPROM — это энергонезавимая память с электрическим стиранием информации. Количество циклов записи-стирания в этих микросхемах достигает 1000000 раз. Заминающие ячейки в них, также как и в постоянных запоминающих устройствах с электрическим стиранием EPROM, реализуются на основе транзисторов с плавающим затвором. Внутреннее устройство этой запоминающей ячейки приведено на рисунке 1:

Рисунок 1. Запоминающая ячейка ПЗУ с электрическим стиранием (EEPROM)

Ячейка EEPROM памяти представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В транзисторе с плавающим затвором при полностью стертом ПЗУ, заряда в "плавающем" затворе нет, и поэтому данный транзистор ток не проводит. При программировании, на второй затвор, находящийся над "плавающим" затвором, подаётся высокое напряжение и в него за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на его плавающем затворе может храниться десятки лет.

Подобная ячейка памяти применялась в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM). В ячейке памяти с электрическим стиранием возможна не только запись, но и стирание информации. Стирание информации производится подачей на программирующий затвор напряжения, противоположного напряжению записи. В отличие от ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, время стирания информации в EEPROM памяти составляет около 10 мс.

Структурная схема энергонезависимой памяти с электрическим стиранием не отличается от структурной схемы масочного ПЗУ. Единственное отличие — вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Ее упрощенная структурная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема EEPROM

В качестве примера микросхем EEPROM памяти можно назвать отечественные микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы серий AT28с010, AT28с040 фирмы Atmel, HN58V1001 фирмы Hitachi Semiconductor, X28C010 фирмы Intersil Corporation. В EEPROM памяти чаще всего хранятся пользовательские данные в сотовых аппаратах, которые не должны стираться при выключении питания (например адресные книги), конфигурационная информация роутеров или сотовых аппаратов, реже эти микросхемы применяются в качестве конфигурационной памяти FPGA или хранения данных DSP. EEPROM изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства

Чтение информации из параллельной EEPROM памяти производится аналогично чтению из масочного ПЗУ. Сначала на шине адреса выставляется адрес считываемой ячейки памяти в двоичном коде A0...A9, затем подается сигнал чтения RD. Сигнал выбора кристалла CS обычно используется в качестве дополнительного адресного провода для обращения к микросхеме. Временные диаграммы сигналов на входах и выходах этого вида ПЗУ приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Временные диаграммы сигналов чтения информации из EEPROM памяти

На рисунке 5 приведен чертеж типового корпуса микросхемы параллельной EEPROM памяти.

Рисунок 5. Чертеж корпуса микросхемы параллельной EEPROM

Обычно данные, которые хранятся в EEPROM требуются достаточно редко. Время считывания при этом не критично. Поэтому в ряде случаев адрес и данные передаются в микросхему и обратно через последовательный порт. Это позволяет уменьшить габариты микросхем за счет уменьшения количества внешних выводов. При этом используются два вида последовательных портов — SPI порт и I2C порт (микросхемы 25сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.

Внутренняя схема микросхем серии 24сXX (например AT24C01) приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Внутренняя схема микросхемы AT24C01

Подобные микросхемы широко используются для сохранения настроек телевизоров, в качестве памяти plug and play в компьютерах и ноутбуках, конфигурационной памяти ПЛИС и сигнальных процессоров (DSP). Применение последовательной EEPROM памяти позволило значительно уменьшить стоимость данных устройств и увеличить удобство работы с ними. Пример расположения данной микросхемы на печатной плате карты памяти компьютера приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. EEPROM на печатной плате карты памяти компьютера

На рисунке 8 приведена схема электронной карты с применением внешней EEPROM микросхемы.

Рисунок 8. Схема электронной карты с применением внешней EEPROM

На данной схеме микроконтроллер PIC16F84 осуществляет обмен данными с EEPROM памятью 24LC16B. В таких устройствах, как SIM-карта, уже не применяется внешняя микросхема памяти. В SIM-картах сотовых аппаратов используется внутренняя EEPROM память однокристального микроконтроллера. Это позволяет максимально снизить цену данного устройства.

Схема управления для электрически стираемых программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:

1. ЕСППЗУ (EEPROM) - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство
2. FLASH-ПЗУ

FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.

Рисунок 9. Условно-графическое обозначение FLASH памяти

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 11.

Рисунок 10. Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ

На рисунке 10 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

Литература:

Вместе со статьей "Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)" читают:

EEPROM память является энергонезависимой. Это значит, что после записи информации, и отключения питания, данные сохранятся. Пожалуй, самым приятным моментом использования внешней памяти является мысль того, что она есть, и существует дополнительное хранилище для информации. Однако, когда дело доходит до использования, всё становится немного иначе. Необходимо выполнить строгую последовательность действий, предписанных руководством, чтобы «достучаться» и попытаться произвести операцию записи. С чтением дела обстоят немного проще. Да и в целом картина выглядела бы неплохо, если бы процесс не осложнял сам отладчик среды разработки. Автор не решается сказать, кто здесь виноват, но чуть ниже вы убедитесь, что порой придётся «поработать», чтобы добиться результата.

Чтение и запись в EEPROM память выполняется в нормальном режиме работы и не требует остановки МК. За 1 машинный цикл способна выполниться операция с 1 байтом памяти. Операция записи производится по принципу «стирание – запись». Даже когда ячейка пуста, МК сначала производи подготовку, «записывая/стирая» значение типа 0, а потом производит запись информации, время которой, контролируется внутренним таймером, и зависит от напряжения и питания. Доступ к памяти программ, а также все прерывания, во время операции записи запрещёны. Все возникшие прерывания ставятся в очередь, а после завершения операции, происходит переход по соответствующему вектору. Такая последовательность действий обусловлена из-за конвейерной обработки данных. Для доступа к функциям EEPROM памяти существует шесть регистров специального назначения:

· EEDATA;

· EEDATH;

· EEADR;

· EEADRH;

· EECON1;

· EECON2;

Вкратце рассмотри назначение каждого из них.

Регистр EEADR

Регистр EEADR используется для сохранения ячейки памяти данных. Спаренные регистры EEADRH:EEADR содержат 14-разрядные данные для записи или отображают значение из памяти программ при чтении. Также для EEPROM памяти данных должен быть загружен физически реализованный адрес памяти программ, потому что циклическая адресация не поддерживается, то есть адрес 0х4000h отображается как 0х0000h.

Регистр EEDATA

Данные сохраняются/читаются из регистра EEDATA.

Регистры EECON1, EECON2

Относятся к регистрам управления. Регистр EECON1 содержит биты управления косвенной операцией записи/чтения EEPROM памяти данных и FLASH памяти программ. Регистр EECON2 физически не реализован, он используется только при операциях записи с целью предотвращения случайной записи. На рис.6.1. представлена информация об управляющих битах регистра EECON1.

Рис.6.1 – управляющий регистр EECON1

Бит:	Значение:
	Производит выбор памяти, к которой будет выполненное обращение: EEPGD = 0 – обращение к EEPROM памяти; EEPGD = 1 - обращение к FLASH памяти;
	Не реализован, читается как 0.
	Не реализован, читается как 0.
	WRERR – флаг ошибки записи. 0 – состояние – операция завершена; 1 – состояние – операция прервана. Возможно причинной послужил сигнал сброса.
	WREN – применяется для разрешения/запрещения записи. 0 – операция записи запрещена. 1 – операция записи разрешена. Аппаратно сбрасывается в 0, по завершении операции записи.
	WR – инициализация записи данных. Возможно установить программно 1, что будет служить признаком начала инициализации. 0 – запись завершена. 1 – начать процесс инициализации записи. Сбрасывается автоматически, после завершения инициализации.
	RD - инициализирует операцию чтения из указанной памяти. 1 – инициализировать чтение. Сбрасывается автоматически по завершении операции. При чтении из EEPROM памяти, данные будут доступны в регистре EEDATA в следующем машинном цикле, после установки бита. При чтении FLASH памяти программ, данные будут доступны на 2 машинном цикле. 0 – чтение завершено.

Первоначальное знакомство завершено. В следующем разделе представлены примеры операций чтение/запись с EEPROM памятью.

Использование EEPROM памяти

Операции чтения/записи с EEPROM памятью довольно сложно выполнимы. Операция записи имеет высший приоритет, поэтому рассмотрим её первой.