Память от фирмы ATMEL: на все случаи жизни

Фирма Atmel хорошо известна на мировом и российском рынке как производитель широкого спектра микросхем, содержащих энергонезависимую память на кристалле. Например, микросхемы программируемой логики серий ATF16V8/20V8/22V10 и AFT15xx содержат EEPROM ПЗУ конфигурации, микроконтроллеры АТ89С имеют Flash ПЗУ программ, а AVR-микроконтроллеры используют и Flash, и EEPROM на одном кристалле. В перечне микросхем фирмы Atmel есть, например, двухбанковая Flash-память, поддерживающая пакетный режим, а также «слоеные» микросхемы, где в одном корпусе, но на разных «слоях» размещаются кристаллы параллельной ПЗУ, последовательной ПЗУ и ОЗУ. Данная статья, не претендующая на исчерпывающую полноту изложения, посвящена микросхемам ПЗУ фирмы Atmel в «чистом виде».

Фирма Atmel — новатор в производстве микросхем энергонезависимой памяти: она первая в 1989 году выпустила микросхемы Flash-памяти с напряжением программирования 5 В; первая в мире стала производить Flash-память на 3,3, 2,7 и 2,5 В; в 1997 году корпорация Atmel первая предложила Flash-память с последовательным интерфейсом. И список можно продолжать…

Выпускаемые в настоящее время фирмой Atmel микросхемы энергонезависимой памяти имеют диапазон емкости от 1 Кбит до 256 Мбит, в ближайшее время начнется выпуск микросхем емкостью 1 Гбит. В номенклатуре выпускаемых изделий есть микросхемы с 8- и 16-битным параллельным интерфейсом, а также микросхемы с двух- и трехпроводным последовательным интерфейсом.

Микросхемы с параллельным интерфейсом

Раньше других были выпущены микросхемы серии AT27 с 8-битным интерфейсом, которые фактически являлись аналогами микросхем ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, однако кристаллы фирмы Atmel упакованы в пластиковые корпуса, что существенно снизило себестоимость микросхем. Цена «дешевизны» — невозможность повторного перепрограмирования. Когда актуальной стала необходимость обновления содержимого микросхемы памяти в системе, например для обновления версии, Atmel предложила три серии микросхем параллельного ПЗУ с электрическим стиранием.

Серия АТ28, основанная на EEPROM-технологии, имеет функцию независимой перезаписи каждого байта, что обусловливает увеличение площади кристалла и, соответственно, цены микросхемы. В сериях АТ29 и АТ49, построенных на основе Falsh-технологии, реализован другой подход — здесь возможна перезапись блоками, называемыми секторами. Размер сектора у микросхем памяти АТ29 меньше, чем у микросхем других производителей, что повышает гибкость использования. Серия АТ49 содержит несколько секторов относительно большого размера и, как следствие, имеет меньшую площадь кристалла и самую низкую удельную стоимость. В отличие от микросхем серии АТ28, когда для стирания на нее надо подавать напряжение 12 В, более современные АТ29 и АТ49 не требуют дополнительного источника напряжения для стирания и перепрограмирования. Удобным технологическим решением является организация в массиве памяти загрузочного блока (boot block) с отдельными командами защиты его от стирания. В этой области памяти обычно размещается программа-загрузчик, которая может также включать в себя утилиту, выполняющую функцию программирования основного массива ПЗУ, например от последовательного порта. Такое построение системы позволяет производить модификацию содержимого Flash-ПЗУ без использования внешнего программатора. Второе преимущество — можно использовать малогабаритные микросхемы в корпусах TSSOP и отказаться от панелек для ПЗУ.

Микросхемы вышеперечисленных семейств выпускаются для трех напряжений питания: стандартные пятивольтовые микросхемы, микросхемы для работы при напряжении питания 3,3 В (маркируются буквами LV) и 2,7 В (маркируются буквами BV).

Основные параметры типовых микросхем ПЗУ серии АТ49BV приведены в табл. 1.

Микросхемы с параллельным интерфейсом используются в основном для хранения программы микропроцессора, которая выполняется непосредственно из ПЗУ, если скорость микропроцессора относительно невелика, или перед началом выполнения копируется в ОЗУ, что характерно для современных микропроцессоров. «Параллельные» микросхемы ПЗУ можно также использовать для хранения данных. Для этого применялись даже однократные или стираемые ультрафиолетовым излучением микросхемы, а c появлением первых Flash-ПЗУ наступило раздолье для разработчиков систем сбора данных.

Однако у микросхем с параллельным интерфейсом есть и недостатки, обусловленные самой архитектурой. Для проведения операций записи-чтения необходимо работать с тремя шинами: адреса, данных и управления. Если у микроконтроллера используется мультиплексированная шина адрес—данные, приходится на плате устанавливать дополнительные регистры-защелки для хранения адреса, по которому в следующем такте будет произведено обращение к памяти. Но даже если микроконтроллер имеет раздельные шины адреса и данных, надо все цепи «разложить» на печатной плате. Для микросхемы емкостью 1 Мбайт требуется 20 проводников для адреса и 8 проводников для данных, если используется микросхема с байтовым интерфейсом, плюс управляющие сигналы, что иногда занимает существенную площадь печатной платы, особенно если к разрабатываемому устройству предъявляются повышенные требования в части габаритных размеров.

Другой недостаток — повышенная потребляемая мощность устройства. Известно, что существенная часть электрической мощности, потребляемой микросхемой, используется ее выходными каскадами, которые должны обеспечить хорошие фронты сигнала при работе на внешнюю шину, имеющую достаточно большую емкость. Кардинальным решением проблемы является отказ от параллельной шины в принципе и переход к последовательному обмену данными.

Микросхемы с последовательным интерфейсом

В связи с общим стремлением к снижению потребляемой мощности и миниатюризации радиоэлектронных устройств актуальным стало использование микросхем памяти с последовательным интерфейсом. О популярности микросхем последовательных ПЗУ фирмы Atmel красноречиво говорит тот факт, что фирмой выпущено более миллиарда таких микросхем. Фирма Atmel выпускает универсальные микросхемы памяти с интерфейсами I2C, SPI и Microware, а также специализированные микросхемы конфигурационной памяти серии AT17, предназначенные для загрузки микросхем программируемой логики типа FPGA. Эти микросхемы могут быть многократно перепрограммированы в системе. Примечательно, что микросхемы AT17 могут использоваться не только для загрузки собственных FPGA фирмы Atmel — AT6000 и AT40K, но и для загрузки FPGA, выпускаемых фирмами Xilinx и Altera. Для загрузки последних предназначено семейство AT17А, по выводам совместимое с микросхемами EPC фирмы Altera. Стоит отметить, что по времени начала серийного производства новых микросхем конфигурационной памяти повышенной емкости фирма Atmel опережает другие фирмы. В частности, она первая в мире выпустила низковольтную микросхему емкостью 2 Мбит в 8-выводном планарном корпусе.

Универсальные микросхемы последовательных ПЗУ с достаточной степенью условности можно разделить на «медленные» и «быстрые». К первой категории относятся микросхемы серии АТ24 с интерфейсом I²C. Этот двухпроводный интерфейс, разработанный фирмой Philips, очень удобен для обмена небольшими порциями данных на частотах, не превышающих сотни килогерц. Типичный пример — бытовой телевизор или монитор компьютера с памятью настроек. Микросхемы серии АТ24 характеризуются большим количеством циклов перезаписи — до миллиона раз. Удобным качеством является возможность наращивания числа микросхем на шине до 4–8 штук без добавления дополнительных сигналов управления. Для этого на микросхемах предусмотрены два или три адресных вывода, которые распаиваются соответствующим образом. Номенклатура микросхем АТ24 достаточно широка. Микросхемы отличаются возможностью программной защиты от записи всего массива памяти или его части (половина или четверть общей емкости микросхемы).

Основные параметры типовых микросхем серии АТ24 приведены в табл. 2.

В приложениях, требующих повышенной скорости обмена данными, оптимальным является использование микросхем памяти с интерфейсом SPI, разработанным фирмой Motorola. Микросхемы фирмы Atmel с интерфейсом SPI имеют тактовую частоту от 2 до 50 МГц. Следует пояснить, что есть две характеристики скорости работы микросхем: вышеупомянутая, показывающая скорость обмена между внешним устройством и буфером микросхемы ПЗУ, и скорость физического копирования содержимого буфера в массив памяти.

Для обмена с SPI ПЗУ используются четыре сигнала: тактовые импульсы, входные данные, выходные данные и сигнал «выбор микросхемы». Такая архитектура позволяет значительно экономить место на печатной плате, особенно при использовании в устройстве нескольких микросхем.

Atmel выпускает два семейства ПЗУ с интерфейсом SPI: серия АТ25, построенная по технологии EEPROM, и серия АТ45, построенная по Flash-технологии. В серии АТ25 есть представители, основанные на Flash-технологии — это микросхемы AT25F512/1024. У Flash-микросхем серии АТ25 более высокая скорость обмена, но меньшее число циклов записи (10 000 раз).

Основные параметры микросхем серии АТ25 приведены в таблице 3.

Наиболее интересна история развития микросхем семейства АТ45, которое построено на основе патентованной архитектуры DataFlash^®, являющейся собственностью фирмы Atmel. Это семейство уже пережило несколько поколений в своем развитии. Микросхемы первого поколения AT45D011 — AT45D161 изготавливались по технологии 0,35 мкм и имели напряжение питания 5 В (эти микросхемы в настоящее время уже не производятся). Три цифры в названии микросхемы означают следующее: первые две — емкость микросхемы в мегабитах, третья — количество портов ввода-вывода. Размеры кристалла были достаточно велики, поэтому они упаковывались в корпуса SOIC28, причем большая часть выводов оставалась неподключенной. Таким образом, на одно и то же место можно было устанавливать микросхему любой емкости. Вскоре Atmel освоила выпуск микросхем с низковольтным напряжением питания AT45DB011 — AT45DB321. Последняя микросхема была выпущена в корпусе TSSOP32. После перехода на технологию 0,25 мкм площадь кристалла существенно сократилась, и теперь микросхемы емкостью 1, 2 и 4 Мбит выпускаются даже в корпусах SOIC8.

Хотя при переходе на технологию 0,25 мкм скорость обмена данными по интерфейсу SPI увеличилась до 20 МГц, для микросхем большой емкости этого было недостаточно. Чтобы ликвидировать «узкое место», микросхемы емкостью 64 Мбит и выше стали оснащать дополнительным 8-битным интерфейсом. Таким образом, к микросхеме AT45DB642 можно обращаться одновременно по двум портам, причем тактовая частота при последовательном обращении составляет 20 МГц, при параллельном — 5 МГц.

Новые микросхемы DataFlash^® AT45DB1282 и AT45DB2562 емкостью соответственно 128 и 256 Мбит изготавливаются по технологии 0,18 мкм. Эта технология позволила увеличить скорость обмена до 50 МГц по интерфейсу SPI и до 40 МГц по байтовому интерфейсу. Если типовыми корпусами для микросхем АТ45 прежних поколений считались корпуса SOIC, то для новых микросхем повышенной емкости стандартными стали корпуса TSOP.

Микросхемы выпускаются в корпусах разного размера (TSOP32, TSOP40 и TSOP48), тем не менее они совместимы при монтаже на печатную плату. Если посмотреть на цоколевку микросхем в вышеперечисленных корпусах, можно увидеть, что в корпусе TSOP40 восемь крайних выводов (по четыре с каждого края) не используются. Аналогичная ситуация наблюдается и для корпуса TSOP48, только количество свободных выводов здесь — шестнадцать. Таким образом, если на печатной плате разведен корпус TSOP48, на эту плату можно установить микросхему емкостью 64, 128 или 256 Мбит.

Линейка микросхем АТ45, выпускаемых в настоящее время, имеет диапазон емкостей от 1 Мбит до 256 Мбит. В процессе подготовки к промышленному производству по технологии 0,13 мкм находятся микросхемы емкостью 512 и 1024 Мбит. Кроме собственно микросхем памяти с интерфейсом SPI, фирма Atmel предлагает также модули формата MMC (MultiMediaCard) емкостью 2, 4 и 8 Мбайт с 7-контактным разъемом и соответствующим интерфейсом.

Использование интерфейса SPI позволяет разработчику с минимальными усилиями перейти к использованию микросхем большей емкости. Как правило, для этого достаточно изменить в программе работы с SPI ПЗУ две константы — размер страницы и число страниц в данной микросхеме.

В отличие от микросхем Flash-памяти большой емкости других производителей, микросхемы фирмы Atmel не содержат дефектные биты в массиве памяти, при этом отпадает необходимость в процедуре контроля качества записи данных. Микросхемы AT45 имеют пятивольтовые толерантные входы-выходы, что позволяет напрямую подключать их к пятивольтовым микроконтроллерам.

Основные параметры микросхем серии АТ45 приведены в табл. 4.

В заключение статьи приведен пример функции работы с памятью серии АТ45. В качестве управляющего процессора использован AVR-микроконтроллер. Программа написана на языке Си для компилятора фирмы ImageCraft Company. 30-дневную демо-версию этого компилятора можно найти на сайте Atmel по адресу http://atmel.argussoft.ru/soft.htm. Объем файла составляет 3,9 Мбайт. Подключаемый файл at45.h находится по адресу http://atmel.argussoft.ru/as-mega.htm.