Микросхемы памяти компании STMicroelectronics

В статье продолжается рассмотрение различных видов памяти, разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одним из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем памяти, обладающей уникальной технологией производства Flash-памяти и программируемых систем памяти на одном кристалле.

3. Микросхемы энергонезависимой памяти c произвольной выборкой - NVRAM (Продолжение. См. "КиТ" №6-7'2003, №2' 2004)

Компания STMicroelectronics (ST) является одной из немногих компаний, осуществляющих разработку и производство микросхем памяти данного вида. Решением ST, позволяющим обеспечить сохранность данных ОЗУ при сбоях и потери внешнего питания, является использование резервного питания (миниатюрной литиевой батареи), располагаемой непосредственно сверху микросхемы или на системной плате. Исходя из задач, решаемых с использованием ОЗУ, различают четыре типа микросхем NVRAM: супервизоры, ZEROPOWER® NVRAM, TIMEKEEPER® NVRAM и последовательные часы реального времени (Serial RTC). В данной статье рассмотрим особенности микросхем TIMEKEEPER® NVRAM и Serial RTC. Микросхемы супервизоров и ZEROPOWER® NVRAM были освещены ранее.

3.3 TIMEKEEPER® NVRAM

Микросхемы TIMEKEEPER® NVRAM основаны на использовании базовой технологии NVRAM ST. Так как в микросхемах ZEROPOWER® NVRAM применяется батарейное питание, то добавление часов реального времени существенно расширяет возможности микросхем NVRAM и области их применения. Свое название TIMEKEEPER® такие микросхемы получили именно из-за наличия часов реального времени с календарем, которые выдают в систему точное время, день и дату даже при отсутствии внешнего системного питания (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура микросхем TIMEKEEPER® NVRAM

Принцип работы часов реального времени состоит в использовании генератора 32,768 кГц с последующим делением частоты несколькими счетчиками (рис. 2). Первый счетчик делит частоту генератора на 32,768 и на его выходе получается сигнал с частотой в один герц. Следующий счетчик считает количество секунд, и раз в минуту выдает сигнал на счетчик минут. Следующие последовательные счетчики продолжают деление частоты вниз вплоть до выдачи одного импульса в столетие. Для управления числом дней в каждом месяце и учета високосного года используется не изображенная на рисунке дополнительная логика.

Рис. 2. Принцип работы часов реального времени

Данные на выходах счетчиков соответствуют текущему времени и дате. Эти параметры переносятся в область распределенной памяти NVRAM и фигурируют как обыкновенные адреса ячеек ОЗУ. Пользователи считывают/записывают время и дату путем чтения/записи этих адресов в пространстве NVRAM.

Непоказанные на рисунке буферные каскады обеспечивают "бесшовное" чтение/запись данных RTC. При чтении RTC кадр захваченных данных о текущем состоянии реального времени сохраняется в буферах, откуда и производится считывание данных микропроцессором. Наличие кадра данных гарантирует неизменность времени в процессе очередного цикла считывания микропроцессором. Аналогично в течение цикла записи данные, поступающие от микропроцессора, задерживаются в буферах до конца цикла записи информации "день-дата-время" и поступившие данные одновременно передаются счетчикам часов.

Микросхемы TIMEKEEPER® NVRAM изготавливаются на базе ZEROPOWER® NVRAM, к которым добавляется схема часов/календаря реального времени, включая кварцевый генератор на 32кГц. Схема переключения аварийного питания, используемая для сохранения данных в LPSRAM, используется также и для RTC. Аналогично, в интересах защиты записи RTC применяется и схема защиты записи NVRAM. Генератор RTC оптимизирован по питанию и его потребление не превышает 40 нA.

Регистры RTC отображаются в памяти LPSRAM. Для этого задействуется от 8 до 16 байт LPSRAM. День, дата, и время считывается и записывается в виде обыкновенных адресов ОЗУ. Имея в своем составе ZEROPOWER® NVRAM, микросхемы TIMEKEEPER® NVRAM сохраняют и все их основные особенности, включая отсутствие дополнительных внешних схем. При плотности памяти до 256 кбит часы реального времени и супервизор NVRAM интегрированы на одном кристалле с LPSRAM. Для более высоких плотностей памяти используется отдельная микросхема LPSRAM. В зависимости от технологии исполнения, компоненты, составляющие микросхему, могут размещаться в одном "гибридном" корпусе, или же на одной подложке в отдельном корпусе ИС (развивающаяся технология упаковки TIMEKEEPER®).

Основные характеристики микросхем TIMEKEEPER® NVRAM приведены в таблице 1.

Таблица 1. Микросхемы TIMEKEEPER® NVRAM

Примечания:

1. 
   

   32B: Параллельный доступ RTC к 32 регистрам для времени, даты, alarm и watchdog.

   16B: Параллельный доступ RTC к 16 регистрам для времени, даты, alarm и watchdog.

   8B: Параллельный доступ RTC к 8 регистрам для времени и даты. Нет alarm и watchdog.

   Ph: Фантомный (последовательный) интерфейс RTC шины данных.

2. POR-LVD: Power-on Reset / Low-Voltage Detect
3. M48T18-100MH1 (корпус SNAPHAT® IC) взамен M48T08Y-10MH1.

3.4 Последовательные RTC

Подобно микросхемам TIMEKEEPER® NVRAM, последовательные RTC отслеживают текущее реальное время даже при отсутствии внешнего системного питания. Вместо стандартного асинхронного параллельного интерфейса SRAM последовательные RTC используют последовательную шину. Устройства ST выпускаются в двух версиях последовательного интерфейса промышленного стандарта: I2C и SPI.

Данные микросхемы изготавливаются на основе TIMEKEEPER® NVRAM путем уменьшения количества NVRAM до нескольких байт и изменения интерфейса к одному из стандартов, перечисленных выше.

Большинство устройств Serial RTC содержат в себе переключатель батареи, цепи защиты записи и многие другие современные функции микропроцессорного супервизора, например, Сброса питания и сторожевого таймера (рис. 3).

Рис. 3. Архитектура Serial RTC

Для приложений, не требующих резервирования или нуждающихся только в краткосрочном резервировании с использованием конденсатора, компания ST выпускает более простые и дешевые устройства Serial RTC, например, M41T0 и M41T80.

Основные технические характеристики микросхем SERIAL RTC компании ST приведены в таблице 2.

Таблица 2. Последовательные часы реального времени (SERIAL REAL-TIME CLOCK)

Примечания:

1. POR-LVD: Power-on Reset / Low-Voltage Detect - Сброс при подаче питания/Обнаружение падения напряжения
2. PFI-PFO: Power-fail In/Power-fail Output - раннее предупреждение о сбое питания
3. Продажа только через ST.
4. Вывод THS: выбор порога для схемы раннего предупреждения о сбое питания (2.65 или 4.40В при работе от источника 3 или 5В)
5. Только Alarm. В M41T80 нет watchdog.

В верхней части таблицы 2 представлены микросхемы полнофункциональных последовательных часов реального времени с расширенными микропроцессорными контрольными возможностями типа Сброса при включении питания/Обнаружение падения напряжения (Power-on Reset/Low-Voltage Detect или сокр. PОR/LVD), раннее предупреждение о сбое питания (PFI/PFO), сигнал аварии (Alarm), сторожевой таймер (Watchdog) и шина SPI. Например, M41T81: Serial RTC с интерфейсом I?C 400 кГц, Alarm, программируемым Watchdog, программируемым генератором меандра, в корпусе SO8 или SOX28 типа SOIC (с встроенным в корпус кварцем). Микросхема M41T94 является первым устройством Serial RTC ST c интерфейсом SPI. В ней имеются интегрированные схемы PОR/LVD, программируемый Watchdog, Alarm, возможность подключения кнопки Сброса. Микросхема выпускается в корпусах SO16 и SOH28 SNAPHAT®. Микросхема Serial RTC M41ST84 с интерфейсом I2C 400 кГц выделяется расширенными возможностями микропроцессорного супервизора. Кроме функций PОR/LVD, программируемого Watchdog и Alarm она обеспечивает PFI/PFO и Сброс по входу. Производится в корпусе SO16.

Современные микросхемы NVRAM компании STMicroelectronics достигли такого уровня интеграции, что некоторые из них (M41ST85, M41ST87 и M41ST95) можно классифицировать и как Serial RTC и как TIMEKEEPER® супервизоры, которые были рассмотрены ранее. Достигнутый уровень интеграции позволяет теперь размещать кварц непосредственно в монолитном корпусе микросхемы рядом с кристаллом, а не выносить его к верхней батарее. Примером такого решения, обеспечивающего повышение надежности и безопасности, является микросхема М41СТ85МХ6.

Наряду с высоко интегрированными микросхемами SERIAL RTC компания ST выпускает устройства, содержащие минимум необходимого для непрерывной выдачи в систему реального времени. К таким устройствам относятся микросхемы M41T0 и M41T80. Они содержат полный набор счетчиков времени и учитывают особенности високосных лет. К дополнительным возможностям этих устройств относятся программируемый сигнал аварии с функцией обработки прерываний, программируемый выходной меандр и отдельный вывод сигнала с частотой 32 кГц, используемый как эталонный входной сигнал для тактовых генераторов других микросхем. Имея такие возможности, данные микросхемы покрывают потребности приложений в значительной части потребительского рынка.

Микросхемы M41T0 и M41T80 имеют последовательный интерфейс промышленного стандарта I2C 400 кГц и работают в индустриальном интервале температур от -40оC до +85оC. Производимые в корпусах для поверхностного монтажа, оба устройства работают от источника питания с напряжением от 2 В до 5,5 В при малом потреблении тока. Например, M41T0 потребляет только 900 нА в дежурном режиме и 35 мкА в активном режиме (при типовом питании 3,0 В). M41T80 потребляет 1,5 мкА в дежурном режиме (при типовом питании 3,0 В) и только 30 мкА в активном режиме (при максимальном напряжении питания 3,0 В).

В дополнение к функции хронометрирования, в микросхеме M41T0 есть опция стопового бита генератора для обнаружения ухода частоты тактового генератора из-за уменьшения питающего напряжения. Что касается M41T80, его функции хронометрирования дополнены программируемым сигнальным прерыванием с режимами повторения, специальным выводом частоты 32 кГц и программируемым выходным меандром с частотой от 1 Гц до 32 кГц. Специализированный вывод частоты 32 кГц может использоваться для управления микропроцессорами и микроконтроллерами со схемой фазовой синхронизации тактового генератора, которая требует 32 кГц в качестве эталона. Кроме того, этот же вывод может использоваться для тактовой синхронизации микросхем при их работе на режимах с малой мощностью. Вывод 32 кГц рассчитан для условий постоянной работы, но он может быть заблокирован программным обеспечением пользователя.

Функции аварийного сигнала (Alarm) микросхемы M41T80 включают режимы его повторения от одного раза в год до одного раза в секунду. Функция программирования меандра позволяет программировать его частоту от 1 Гц до 32 кГц с множителем 2.

Рис. 4. Схема подключения микросхемы M41T80

Микросхема M41T80 легко соединяется по шине I2C 400 кГц с почти любыми микропроцессорами и микроконтроллерами (рис. 4), а при добавлении внешнего диода и конденсатора (рис.5), она может всегда поддержать микроконтроллер при кратковременном отказе питания. Так как шина I2C работает с открытым стоком, то нет проблем по согласованию напряжения между микропроцессором и M41T80 и для развязки по напряжению достаточно использовать один диод. При использовании конденсатора с емкостью 1F и питающем напряжении Vcc 3,3 В ожидаемое время обеспечения резервного питания составляет приблизительно 10 дней.

Рис. 5. Использование внешней емкости

Микросхемы M41T80 выпускаются в малоразмерном корпусе типа SO8. Возможна поставка и в корпусе TSSOP8.

Наиболее простым устройством из серии микросхем SERIAL RTC ST являются M41T0, разработанные на базе M41T00, M41T0. У этого устройства нет переключателя батареи и возможности программной калибровки часов, но есть функция обнаружения сбоя генератора и интерфейс I2C с 400 кГц.

Микросхема M41T0 при использовании внешнего конденсатора с емкостью 1F при питании в 3,3 В может обеспечить резервное питание продолжительностью до двух недель.

Верхняя батарея для микросхем NVRAM компании ST поставляется отдельно и это обязательно надо учитывать при заказе данных схем. Основные характеристики литиевых батарей приведены в таблице 3.

Таблица 3. Батарея с кварцем в корпусе типа SNAPHAT для микросхем NVRAM

Микросхемы памяти типа NVRAM производятся и другими компаниями, но у многих из них не найти тех особенностей, которые присущи компонентам ST. Микросхемы NVRAM компании ST отличаются, в первую очередь, более высокой интеграцией, наличием встроенного переключателя батареи и возможностью программной калибровки часов, для чего используется программное обеспечение свободно доступное на сайте ST. Основные отличия компонентов NVRAM компании ST от других производителей представлены в таблице 4.

Таблица 4

При подготовке статьи использованы материалы, предоставленные компанией STMicroelectronics и технические описания микросхем. Дополнительную информацию можно получить на сайте компании STMicroelectronics www.st.com/nvram и в Технико-консультационном центре STMicroelectronics info@stmicro.ru.

Анатолий Юдин, к.т.н.,
Технический директор Технико-консультационного центра STMicroelectronics

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы