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1、铁电存储器 FM24C16 原理及其综合应用Ramtron 铁电存储器 FRAM 1、铁电存储器技术原理、特性及应用美国 Ramtron 公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是 铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器 的特性。铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。晶体中的每个自由浮动的中心原子只有 2 个稳定状态，一个记为逻辑中的 0，另一个记为 1。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达 100 年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于整个物理过程中
2、没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。铁电存储器和 E2PROM 比较起来，主要有以下优点：(1)FRAM 可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而 E2PROM 在写入后一般要 510ms 的等待数据写入时间；(2)FRAM 有近乎无限次写入寿命。一般 E2PROM 的寿命在十万到一百万次写人时，而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。(3)E2PROM 的慢速和大电流写入使其需要高出 FRAM 2 500 倍的能量去写入每个字节。由于 FRAM 有以上优点，其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可
3、靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿命，使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体，用来在于系统之间传输各种数据，供各个子系统频繁读写。从 FRAM 问世以来，凭借其各种优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。在设计的碳控仪系统中，由于对控制碳势适时性的要求较高，而且系统由 2 个子系统构成，每个子系统都要频繁读写存储器，所以我们把原来的 X25045 换成 FM24C16 以满足要求。2 FM24C16 引脚说明及工作过程 FM24C16-P(8 脚双列直插) 外形图及引脚定义如图 1 及表 1 所示。 FM24
4、C16 是串行非易失 存储器 ，存储容量为 20488b，共分 8 页，每页 256B；工作电压为+5V；接口方式为工业标准的 2 线接口：SDA 和 SCL；功能操作和串行 EPROM 相似，有读和写两种操作状态，读、写时序和 I2C 总线类似。FM24C16 的写操作可以分为 2 种：字节写和页面写。字节写就是每次写入单个字节，页面写可以一次写入整页(256B)的数据。而且，由于没有写延时，数据写入速度很快(一般为 s级 )，特别是在页面写的时候，不需要数据缓冲，可以一次写入 256B 的数据，真正实现页面写，这是其他 E2PROM 做不到的，比如 AT24C16，在页面写的时候，每次最多
5、能写入 16B 数据。FM24C16 的写操作时序中可分为起始位(START) 、数据位、从应答位、停止位(STOP)，其中，从应答位(因为 FM24C16 为从器件，mcu 为主器件，所以称为从应答)是 FM24C16在每接收一个字节数据后发出的应答信号，是检验数据写入是否成功的惟一标志。写入过程为：mcu 通过 SDA，SCI。发出起始位，然后从 SDA 输出从器件固定地址位：1010，再输出 3b 页选择位 (选择写入数据到 FM24C16 的哪一页)，再输出写控制位 0(读为 1，写为0)，然后接收来自 FM24C16 的从应答位，如果没有收到从应答，则退出操作。在接收到从应答后，mc
6、u 从 SDA 串行输出 8 位 FM24C16 字节地址以确定写入数据的字节单元，并在收到从应答后发送 1b 数据写入到 FM24C16，然后等待从应答信号确认数据写入成功。如果是字节写，则由 mcu 发出停止位，结束写操作。如只是页面写，mcu 输出第 2 个字节数据，FM24C16 判断出 mcu 要继续写入数据后，自动使其内部的地址指针加 1，并把数据写入到加 1 后的字节单元，然后给出从应答，mcu 就继续写入数据到 FM24C16。页面写操作时，当地址指针到 7FH(页尾地址)单元的时候，在下一个写入周期时自动翻转到00H，写入的数据覆盖掉 00H 单元原来的数据。具体写操作时序图
7、和后面的读操作时序图比较繁琐，在这里不给出，如果需要，可以登录到 Ramtron 公司网站；http:/WWW.R 查阅技术资料，或者登录到其在大陆的代理商网站:http:/WWW.R 去查阅技术资料，也可以仿 I2C 总线时序图。FM24C16 读操作比写操作较为复杂，相应也可以分为 2 种：字节读和页面读，相应于字节写和页面写，两种读的功能也是单字节和整页的区别。读操作的另一种分法可分为：立即读和任意读(包括连续读 )，其区别在于立即读是在写人数据后马上读数，而任意读和连续读则是随时读，所以，在他们操作时，必须先执行伪写，然后再读数。所谓伪写，是指执行写操作到写入数据之前，其目的是确定要读
8、出的字节单元地址。下面对任意读的操作过程给予说明：执行写操作到写人数据前，也就是在收到输入字节单元地址后的从应答后，mcu 再发送起始位，然后发送从器件固定地址(1010)、3b 页选择位和读控制位 1，在收到从应答后，mcu 从 FM24C16 里面读出 1B 的数据。如果只读 1 B 的数据，则 mcu 发送一个无需应答信号，然后发送停止位结束读操作。如果是页面读，mcu 就发一个主应答信号，继续读下一个字节数据，直到读出最后一个字节数据后，mcu 发出无需应答信号和停止位结束读操作。在对 FM24C16 进行读、写操作的过程中，应该注意以下 2 个问题：(1)时序问题，这主要是指 SDA
9、，SCL 的高低电子的时序。如果在读、写过程中时序不对或者不稳定，都会引起读、写失败，所以为了保证稳定，可以在程序中适当加入 NOP 语句延时，但不要过多，以免影响读、写速度。(2)SDA 数据只能在 SCL 为低期间变化，在 SCL 为高期间，SDA 数据要保持不变否则会被错误地认为是控制位而不是数据位，导致读、写失败。3、应用接口及程序FM24C16 与 单片机接口电路非常简单，下面以碳控仪系统中的应用为例给予说明，并给出部分子程序。应用接口图如图 2 所示，系统中采用 2 片 AT89C55 单片机，用其P20 和 P21 口与 SDA，SCL 相连接，在 SDA 和 SCL 引脚接 1
10、8k 的上拉电阻到+5V，工作电源也为+5V，WP 引脚接电源地以保证可以任意写入数据。2 片 AT89C55 用P10，P11 作为通讯口，来确定谁操作 FM24C16：片 1 操作前，检测 P10 口，如果为高，则置低 P11 口，向片 2 发出占用 FM24C16 信号，然后再检测 P10 口，还为高，则进入操作，若为低，则退出操作并把 P11 口置高；如果 P10 口为低，则说明片 2 占用 FM24C16，片 1 就放弃操作，等待下次查询和操作。片 2 的操作相对应于片 1。这样，FM24C16 不仅作为了公共数据区，而且也成为了 2 片 mcu 的一个模拟的通讯口，而且理论上来说，
11、1 片 FM24C16 上可以挂很多 mcu，而可以省去不必要的 mcu 间的通讯。这就需要 FM24C16 承受快速、频繁读写，这是其他 E2PROM 望尘莫及的。下面给出 FM24C16 的页面写和任意字节读汇编子程序。程序经过应用验证，效果良好(为保证稳定性，可以在相应地方加入空语句以延时) 。页面写子程序：PAGE-WR： ACALL START_BITMOV A，#10100000BMOV R7，#4ACALL SHFTO；SHFTO 为送位子程序，以上 3 行送1010 到 FM24C16MOV A，#20HMOV R7，#3ACALL SHFTO；以上 3 行确定写 FM24C1
12、6 的 00l 页MOV A，#00HMOV R7，#1ACALL SHFTO ；以上 3 行送写控制位 0ACALL SlAVE_ACK；SLAVE-ACK 为从应答子程序，在此检测从应答位MOV A，#00HMOV R7，#8ACALL SHFTO；以上 3 行确定写入数据首地址为 00HACALLSLAVE-ACK ；检测从应答位MOV R0，#00H ；R0 中为被写人数据所在单元首地址MOV R4，#7FH ；R4 中为写入字节数(现为 256B)NEXT-DATA：MOV A，R0 ；调入第 1 个写入数据INC R0 ；R0 指向第 2 个数据所在单元地址MOV R7，#8ACA
13、LL SHFTO；写入数据ACALL SLAVE-ACK ；检测从应答位DJNZ R4， NEXT-DATA；循环写入下一个字节数据ACALL STOP-BIT；STOP-BIT 为停止位，结束写操作(此处没有写延时等待 )RET ；返回，程序结束读任意地址子程序：SELECT-RD：ACALL START-BITACALL START-BITMOV A，#10100000BMOV R7，#4ACALL SHFTOMOV A，#20HMOV R7，#3ACALL SHFTOMOV A，#0FOHMOV R7，#1ACALL SHFTOACALL SlAVE-ACKMOV R5，#00HMOV
14、R7，#8ACALL SHFTOACALL SlAVE-ACK；以上为伪写，确定读 FM24C16 的 00100H 单元数据ACALL START-BITMOV A，#10100000BMOV R7，#4ACALL SHFTOMOV A，#20HMOV R7，#3ACALL SHFTOMOV A，#0FOHMOV R7，#1ACALL SHFTO ；上面 3 行送读控制位 1ACALL SlAVE-ACKMOV R5，#00H ；清 R5，以存储读出数据MOV R7，#8 ；R7 作读出位记数器CLOCK8： SETB SCLMOV C， SDACLR SCLMOV A，R5 RLC AMOV R5，A；以上 6 行读出 FM24C16 送来的 1 位DJNZ R7，CLOCK8 ；循环读出 1B 数据ACALL NO_ACK；NO_ACK 为无需应答位子程序ACLL STOP_BIT ；停止RET ；程序结束
