Какой компаньон нужен Вашему контроллеру
Современная полупроводниковая технология позволяет создавать сложнейшие многофункциональные системы на одном кристалле. Однако при их проектировании важно соблюсти баланс между комбинацией множества функций, их специфическими параметрами и планируемой шириной области применения будущей микросхемы. Статья познакомит вас с семейством Processor Companion корпорации Ramtron. Их место в микроконтроллерной структуре — сервисные общесистемные функции, их преимущество — уникальные свойства технологии FRAM.
Всякая микроконтроллерная и микропроцессорная система состоит из вычислительного ядра и периферийных устройств. Периферия, в свою очередь, включает функциональные узлы, определяющие специфическое назначение системы в целом, а также ряд устройств, реализующих общесистемные вспомогательные функции. Последние, как правило, присутствуют в большинстве микроконтроллерных систем, какое бы назначение они не имели. В их числе память, оперативная и энергонезависимая, схемы мониторинга питания, системного сброса, различные таймеры — сторожевой, временных интервалов, реального времени (часы-календарь) и целый ряд других.
В интегральном исполнении каждая из этих функций представлена в арсенале большинства производителей. Некоторые, как, например, STMicroelectronics, Dallas Semiconductor и другие, предлагают также комбинации нескольких системных функций на одном кристалле. Уникальность семейства Processor Companion состоит в соединении системных функций, эффективных для широкого спектра приложений, с преимуществами технологии FRAM.
Технология FRAM, автором и держателем множества патентов которой является корпорация Ramtron, уже подробно рассматривались во многих отечественных и зарубежных публикациях. Коротко о ее ключевых преимуществах:
- Быстродействие стандартной асинхронной SRAM и в то же время реальная энергонезависимость.
- NoDelay — запись без задержек, свойственных технологиям EEPROM и Flash, одинаковая длительность циклов записи и чтения.
- Сохраняет данные более 10 лет без резервного питания и регенерации.
- Большой ресурс циклов обращения — 10 млрд, 100 млрд, 1 трлн или неограниченный.
- Низкая потребляемая мощность, равная при записи и чтении.
- Вся компоненты FRAM специфицированы в температурном диапазоне от –40 до +85 °С, но не теряют работоспособности в диапазоне от –55 до +125 °С.
- Устойчиво работает в условиях электромагнитных помех.
В микросхемах семейства Processor Companion технология FRAM используется не только в основном массиве памяти, но и во вспомогательных регистрах каждого из функциональных узлов, что обеспечивает энергонезависимое хранение переменных значений, быстрое их обновление и огромное количество циклов модификации, а также низкое энергопотребление в активном режиме.
В составе семейства несколько серий, различающихся сочетанием функциональных узлов, их специфическими параметрами, объемом памяти FRAM и типами интерфейсов (табл. 1).
Наименование | Краткое описание | Статус |
FM3808-70-T | Интерфейс: параллельный 8 бит, время доступа 70 нс. Массив памяти FRAM: 32 кбайт, 100 млрд циклов обращения. Часы-календарь (RTC): BCD+формат, от 1 секунды до столетия, учет високосных лет,программная калибровка, стандартный кварцевый резонатор 32,768 кГц (6 пФ),низкое потребление от резервного источника — менее 1 мкA. Таймер временных интервалов (Clock Alarm): программируемый, однократное или регулярноесрабатывание от 1 секунды до 1 месяца. Сторожевой таймер (Watchdog): программируемый временной интервал от 100 мс до 3 с. Генератор прерывания (Interrupt), управляемый Watchdog, PSM или Clock Alarm,программируемый активный уровень и способ (импульс или уровень) прерывания. Монитор питания (PSM): порог срабатывания 4,5 В ±150 мВ. Питание и потребление: 4,5–5,5В, 25 мА при Vdd=5,5 В. Корпус: TSOP-32. Для макетирования предлагается модуль в конструктиве DIP-32: FM3808DK. |
Серийное производство |
FM30C256-S | Интерфейс: последовательный I2C, тактовая частота до 1 MГц. Массив памяти FRAM: 32 кбайт, 10 млрд циклов обращения. Часы-календарь (RTC): BCD+формат, от 1 секунды до столетия, учет високосных лет,программная калибровка, стандартный кварцевый резонатор 32,768 кГц (6 пФ),низкое потребление от резервного источника – менее 1 мкA. Монитор питания (PSM): порог срабатывания 4,35 В ±150 мВ. Генератор сигнала сброса (Reset), управляемый PSM, открытый коллектор, активный уровень низкий. Одноразрядный регистратор внешнего события с фиксацией времени его возникновенияв энергонезависимом регистре. Питание и потребление: 4,5–5,5 В, 1,35 мА при FCLK = 1 MГц и Vdd = 5,5 В. Корпус: широкий (300 mil) SOIC+20. |
Серийное производство |
FM3104-S FM3116-S FM3164-S FM31256-S |
Интерфейс: последовательный I2C, тактовая частота до 1 MГц. Массив памяти FRAM: 512 байт, 2, 8 или 32 кбайт, неограниченное количество циклов обращения. Часы-календарь (RTC): BCD+формат, от 1 секунды до столетия, учет високосных лет, программнаякалибровка, стандартный кварцевый резонатор 32,768 кГц (6 пФ), низкое потреблениеот резервного источника – менее 1 мкA. Сторожевой таймер (Watchdog): программируемый временной интервал от 100 мс до 3 с. Монитор питания (PSM): программируемый порог срабатывания: 2,6, 2,9, 3,9 или 4,4 В ±50 мВ.Генератор сигнала сброса (Reset), управляемый сторожевым таймером, PSM или внешним запуском(Manual Reset) с защитой от дребезга, активный уровень низкий. Два каскадируемых энергонезависимых 16+разрядных счетчика внешних событий. Компаратор общего назначения для раннего обнаружения аварий по питанию (PFI/PFO). Программируемый серийный номер 64 разряда с однократной установкой защиты от изменения. Устройство слаботочного заряда резервного источника питания. Питание и потребление: 2,7–5,5 В, 1,5 мА при FCLK = 1 MГц и Vdd = 5,5 В. Корпус: узкий (150 mil) SOIC+14. |
Образцы доступны |
FM3204-S FM3216-S FM3264-S FM32256-S |
Функциональный состав FM31xxx без RTC. Для систем, не требующих обязательной привязкик реальному времени.
Питание и потребление: 2,7–5,5 В, 1,0 мА при FCLK = 1 MГц и Vdd = 5,5 В.
Корпус: узкий (150mil) SOIC+14 |
II квартал 2004 года |
FM4005-S | Функциональный состав FM31xxx без массива FRAM. Для систем с большим объемом системнойпамяти или использующих встроенную память микроконтроллера. Питание и потребление: 2,7–5,5 В, 1,0 мA при FCLK = 1 MГц и Vdd = 5,5 В. Корпус: узкий (150 mil) SOIC+14. |
II квартал 2004 года |
Массив памяти
Все продукты FRAM корпорации Ramtron имеют байтовую организацию массива. Микросхемы семейства Processor Companion имеют объем памяти 32 кбайт, а серии FM31xxx и FM32xxx включают также версии с меньшим объемом памяти — 512 байт, 2 и 8 кбайт — и, соответственно, меньшую стоимость. При этом новые серии FM31xxx, FM32xxx, рассчитанные на работу в расширенном диапазоне питающего напряжения, имеют неограниченный ресурс циклов записи-чтения.
Часы-календарь
Таймер реального времени в микросхемах Processor Companion оптимизирован для микропотребления. Источник тока возбуждения генератора потребляет всего 150 нA при использовании стандартного «часового» кварцевого резонатора 32,768 кГц с емкостным параметром 6 пФ. Использование резонатора, рассчитанного на нагрузку 12,5 пФ, увеличивает ток потребления в разы. Точность хода часов корректируется программной калибровкой на этапе наладки записью поправочного коэффициента в специальный регистр и может быть уменьшена с ±50 ppm до ±2 ppm. Это соответствует ошибке в ±6 секунд в месяц при калибровочной температуре.
В отсутствие основного питания ток от резервного источника потребляется только часами и «дежурными» узлами. Его уровень настолько невелик (порядка 1 мкА), что позволяет использовать в качестве резервного источника конденсатор.
Это еще одно преимущество перед конкурирующими приборами, использующими массив памяти SRAM.
Обеспечение сохранности данных SRAM требует существенно большего расхода энергии резервного источника. Как результат — построение гибридных модулей с литий-ионной батареей (например, PowerCap у Dallas Semiconductor). Это увеличивает стоимость компонентов, габариты, снижает надежность и эксплуатационные характеристики. Вероятно, габариты батареи также являются причиной очень ограниченного спектра компонентов с последовательным интерфейсом в рассматриваемой категории.
В сериях FM31, FM32 и FM4005 встроена схема слаботочного (4–8 мкA) заряда резервного источника. В случае использования его в качестве литиевой батареи функция заряда отключается через регистр специальных функций. В базовом варианте схема включения резервного источника не требует никаких дополнительных внешних компонентов. Полный заряд конденсатора емкостью 0,1 Ф в этом случае осуществится примерно за сутки.
Сторожевой таймер, монитор питания и Reset-генератор
Функции супервизора управляются программно. Наибольшей гибкостью отличается супервизор в сериях FM31, FM32 и FM4005. Сторожевой таймер может быть запрограммирован на интервал от 100 мс до 3 с с шагом 100 мс или отключен. Монитор питания, учитывая его широкий диапазон, имеет четыре устанавливаемых порога срабатывания:
- 2,6 В — для систем с V
min = 2,7 В, - 2,9 В — для систем с V
пит = 3,3 ±0,3 В,- 3,9 В — для систем с V
пит = 5 В ±20%,- 4,4 В — для систем с V
пит = 5 В ±10% - 3,9 В — для систем с V
Генератор сигнала сброса управляется от сторожевого таймера, PSM или Clock Alarm («будильник» присутствует только в FM3808).
В FM31, FM32 и FM4005 Reset-генератор допускает также внешний запуск (Manual Reset) с 100-милисекундной защитой от дребезга. В этих сериях есть также схема PFI/PFO, предназначенная для раннего обнаружения аварий по питанию и генерации немаскируемого прерывания (NMI). По существу, это компаратор общего назначения с встроенным источником опорного напряжения 1,2 В. Его можно использовать для различных задач, но основной областью применения предполагается мониторинг напряжения в точке до системных стабилизаторов и фильтров. Таким образом, падение напряжения питания PFI/PFO обнаруживает гораздо раньше, чем PSM, тем самым предоставляя больше времени контроллеру на обработку аварийного события.
Счетчик событий
Счетчик событий есть во всех представителях семейства, кроме FM3808. В FM30C256 он рассчитан на регистрацию всего одного события, но фиксирует в специальном регистре и время его возникновения. Остальные серии имеют по два 16-разрядных счетчика с независимыми входами. Есть также возможность их объединения. В этом случае активным остается один вход, а счет ведется до 2
32. Счетчики обеспечиваются резервным питанием и способны регистрировать внешние события в отсутствие основного питания.
Серийный номер
Восьмибайтный энергонезависимый регистр может хранить данные любого назначения: конфигурационный код, криптографический ключ, IP-адрес, производственные данные… В том числе и серийный номер. Регистр может быть однократно защищен от изменения, защиту отменить невозможно. До ее установки регистр доступен для любых операций, как и основной массив памяти.
Интерфейс
Параллельный байтовый интерфейс в семействе Processor Companion сегодня имеет только FM3808-70-T. Как и остальные FRAM-продукты Ramtron с параллельным интерфейсом, этот компонент имеет встроенный регистр-защелку адреса. Это позволяет избавиться от лишнего компонента на плате при работе на мультиплексированных шинах адрес-данные, уменьшить ее габариты, общее потребление и стоимость. Очередной адрес запоминается в регистре по спаду сигнала /CE. Время доступа — 70 нс, длительность цикла — 130 нс.
Остальные представители семейства имеют последовательный двухпроводной интерфейс I2C и способны работать на высоких тактовых частотах (до 1 MГц) при низком энергопотреблении. Встроенный регистр адреса и схема автоинкремента позволяет достигать высокой скорости обмена с контроллером. Высокие скорости работы также являются преимуществом продукции Ramtron с последовательным интерфейсом.
Заключение
Семейство Processor Companion может быть интересным для очень широкого спектра применений. Но учитывая ключевые преимущества — высокое быстродействие, энергонезависимое хранение, низкое энергопотребление, малые габариты, однокристальное сочетание общесистемных функций и невысокую стоимость, — областями его наиболее эффективного применения являются носимые или удаленные сетевые терминалы сбора данных, регистраторы, расходомеры, весы-дозаторы, счетчики электроэнергии и многие другие приборы, общими свойствами которых являются критичное отношение к энергопотреблению, габаритам и удельной стоимости.
В рамках ознакомительного материала некоторые интересные свойства рассмотренных компонентов не были освещены. Восполнить недостающую информацию можно на сайте корпорации Ramtron —
www.ramtron.com.