Память данных eeprom

Содержание

Память данных EEPROM

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее.

ATtiny13A содержит 64 байта памяти данных EEPROM. Эта память организована как отдельное пространство данных, в котором отдельные байты могут быть прочитаны и записаны. EEPROM имеет выносливость по крайней мере 100 000 циклов записи/стирания. Обмен данными между EEPROM и процессором описан далее, и основан на использовании Регистров Адреса EEPROM (EEPROM Address Registers), Регистра Данных EEPROM (EEPROM Data Register) и Регистра Управления EEPROM (EEPROM Control Register). Подробное описания последовательной загрузки данных в EEPROM описано в документации (в оригинале это страница 106, на моём сайте будет опубликовано позже).

Процессор микроконтроллера обращается к EEPROM не так, как к остальным видам памяти, потому что для него не существует адресного пространства EEPROM. Поэтому используются упомянутые выше регистры ввода-вывода:

  • EEAR – Регистр Адреса EEPROM (EEPROM Address Register)
  • EEDR – Регистр Данных EEPROM (EEPROM Data Register)
  • EECR – Регистр Управления EEPROM (EEPROM Control Register)

Если объём EEPROM превышает 256 байт (вообще в AVR эта память может иметь объём до 8 КБ в зависимости от модели МК), то вместо одного регистра адреса EEAR микроконтроллер имеет два регистра: EEARH и EEARL. Регистры доступа к EEPROM имеют следующие номера:

  • EEAR – 0x1E
  • EEARL – 0x1E
  • EEARH – 0x1F
  • EEDR – 0x1D
  • EECR – 0x1C

Как видите, регистры EEAR и EEARL имеют одинаковые номера. То есть в микроконтроллере, где объём EEPROM меньше 256 байт (в таком, как ATtiny13A), можно использовать только EEAR (он же EEARL).

Регистры EEAR (или EEARH и EEARL) работают только на запись. То есть в эти регистры вы можете только записать значение – адрес EEPROM, тем самым указав микроконтроллеру, с какой ячейкой памяти дальше надо будет работать.

Регистр EEDR работает как на запись, так и на чтение. При записи через этот регистр в EEPROM поступает записываемый байт. При чтениии через этот регистр микроконтроллер получает байт из EEPROM.

Регистр управления EECR устанавливает режим работы. Через него подаются команды чтения и записи EEPROM. Установка 0-го бита начинает чтение из EEPROM. Установка 1-го бита начинает запись в EEPROM. Для управляющих битов имеются соответствующие константы (биты регистра EECR будут описаны позже в других статьях, в оригинальной документации см. стр. 21).

Чтение и запись EEPROM

Регистры Адреса EEPROM (EEPROM Access Registers) доступны через область ввода-вывода.

Время доступа для записи в EEPROM приведено в таблице 5.1. Функция самоуправления временем, однако, позволяет программному обеспечению пользователя определить, когда можно записать следующий байт. Если код пользователя содержит инструкции по записи EEPROM, необходимо принять некоторые меры предосторожности. В источниках питания с мощными фильтрами, питание VCC при включении/выключении медленно повышается (понижается). По этой причине микроконтроллер в течение некоторого времени запускается на более низком напряжении, чем допустимо для используемой тактовой частоты. Дополнительные сведения о том, как избежать сложностей в таких случаях, см. ниже в разделе “Предотвращение повреждения EEPROM”.

Таблица 5.1. Биты режимов EEPROM.

EECRВремя программированияОперация
EEPM1EEPM0
3,4 мсСтирание и запись за одну операцию (Атомарная операция)
11,8 мсТолько стирание
11,8 мсТолько запись
11Зарезервировано для будущего использования

Чтобы предотвратить непреднамеренную запись EEPROM, необходимо выполнить определенные правила записи. Подробности см. ниже в разделах “Атомарное программирование байта” и “Раздельное программирование байта”.

Когда выполняется чтение EEPROM, работа процессора приостанавливается на четыре такта, прежде чем следующая инструкция может быть выполнена. При записи EEPROM процессор останавливается на два такта перед выполнением следующей инструкции. То есть на время чтения/записи EEPROM процессор перестаёт выполнять команды и никакие другие инструкции не могут быть выполнены.

Атомарное программирование байта (Atomic Byte Programming)

Операция в общей области памяти называется атомарной, если она завершается в один шаг (не путать с тактом!) относительно других потоков (процессов), имеющих доступ к этой памяти. Во время выполнения такой операции над переменной, ни один поток не может наблюдать изменение наполовину завершенным. То есть пока атомарное обращение к памяти не будет завершено, доступ к этой памяти из другой операции невозможен. Атомарная загрузка гарантирует, что переменная будет загружена целиком в один момент времени.

Неатомарные операции не дают такой гарантии (то есть при неатомарных операциях возможен одновременный доступ к памяти из нескольких потоков, что может привести к непредсказуемым результатам).

Использование Атомарного Программирования байта (Atomic Byte Programming) – это самый простой режим. Записывая байт в EEPROM, пользователь должен записать адрес в регистр EEARL, а данные в регистр EEDR. Если биты EEPMn равны нулю, запись EEPE (в течение четырех тактов после записи EEMPE) вызовет операцию стирания/записи.

И стирание, и запись выполняются за одну операцию (полное время программирования показано в таблица 5-1 выше). Бит EEPE остается установленным до завершения операций стирания и записи. Пока микроконтроллер занят программированием, невозможно выполнять какие-либо другие операции с EEPROM.

Раздельное программирование байта (Split Byte Programming)

Можно разделить операции стирания и записи байта на две различных операции. Это может быть полезно, если системе требуется короткое время доступа в течение некоторого ограниченного периода времени (обычно при падении напряжения питания). Чтобы воспользоваться преимуществами этого способа, необходимо, чтобы записываемые ячейки памяти были очищены (стёрты) перед операцией записи. Но поскольку операции стирания и записи разделены, можно выполнять операции стирания, когда система позволяет выполнять критические по времени операции (обычно после включения питания).

Стирание EEPROM

Для того, чтобы стереть байт, его адрес необходимо записать в регистр EEARL. Если биты EEPMn равны 0b01, то запись EEPE (в течение четырех тактов после записи EEMPE) вызовет только операцию стирания (время программирования указано выше в таблице 5-1). Бит EEPE остается установленным до завершения операции стирания. Пока микроконтроллер занят программированием, невозможно выполнить какие-либо другие операции с EEPROM.

Запись EEPROM

Для записи ячейки памяти пользователь должен записать адрес в EEARL, а данные – в EEDR. Если биты EEPMn равны 0b10, то запись EEPE (в течение четырех тактов после записи EEMPE) вызовет только операцию записи (время программирования приведено выше в таблице 5-1). В EEPE бит остается установленным до тех пор, пока операция записи не завершится. Если записываемая ячейка не была очищена (стерта) перед записью, сохраненные данные должны считаться потерянными. Пока микроконтроллер занят программированием, невозможно выполнить какие-либо другие операции с EEPROM.

Калибровка генератора тактовой частоты с помощью регистра калибровки (Oscillator Calibration Register) используется для настройки времени доступа к EEPROM. Убедитесь, что частота генератора соответствует требованиям, описанным в разделе “OSCCAL – Oscillator Calibration Register ” (в оригинальной документации стр. 27, на моём сайте будет описана позже).

В следующих примерах кода показана одна функция на Ассемблере и C для стирания, записи или атомарной записи EEPROM. В примерах предполагается, что прерывания управляются (например, отключением прерываний глобально) таким образом, что во время выполнения этих функций прерывания не будут происходить.

См. также пример здесь.

В следующих примерах кода показаны функции на Ассемблере и C для чтения EEPROM. В примерах предполагается, что прерывания управляются таким образом, чтобы во время выполнения этих функций не возникало прерываний.

См. также пример здесь.

Предотвращение повреждения EEPROM

Если напряжение питания VCC слишком низкое (например, во время включения питания), данные в EEPROM можно повредить, потому что нарастание напряжения может оказаться слишком медленным для процессора и EEPROM, что не позволит им работать правильно. Эти вопросы такие же, как для систем, использующих память EEPROM, и должны быть применены такие же проектные решения.

Повреждение данных EEPROM может быть вызвано двумя ситуациями, когда напряжение слишком низкое. Во-первых, последовательная запись в EEPROM требует определённого напряжения для правильной работы. Во-вторых, сам процессор может неправильно выполнять инструкции, если напряжение питания слишком низкое.

Повреждения данных EEPROM можно легко избежать, следуя этому совету по проектированию:

Поддерживайте активный (низкий) сброс AVR во время недостаточного напряжения питания. Это можно сделать, включив внутренний детектор (Brown-out Detector (BOD)). Если уровень напряжения BOD не соответствует необходимому уровню напряжения, то можно использовать внешнюю цепь сброса, поддерживающую низкий уровень на выводе сброса и предохраняющую EEPROM от порчи. Если сброс происходит во время выполнения операции записи, операция записи будет завершена при условии, что напряжение питания достаточно.

ПРИМЕЧАНИЕ
Обычно все типовые схемы предусматривают такую защиту без дополнительного программирования (без использования BOD). Самое простое решение – подключить вход сброса микроконтроллера к плюсу источника питания через резистор, а к минусу – через конденсатор. При подаче питания на входе сброса будет низкий уровень, пока не зарядится конденсатор. То есть микроконтроллер не запустится, пока не зарядится конденсатор. Остаётся только рассчитать номиналы резистора и конденсатора, но это уже другая тема.

EEPROM и flash память

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.

Читайте также:  Замена проводки в квартире без штробления

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.

  1. Микушин А.В. Занимательно о микроконтроллерах. СПб, БХВ-Петербург, 2006.
  2. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  3. С.А. Майоров, В.В. Кириллов, А.А. Приблуда Введение в микро ЭВМ Л., Машиностроение 1988
  4. Постоянные запоминающие устройства (http://naf-st.ru/)
  5. EEPROM Параллельные (http://www.chipfind.ru/)

Вместе со статьей “Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)” читают:

Память данных eeprom

  • Подключить библиотеку EEPROM.h
  • При запуске: чтение яркости из EEPROM и включение светодиода
  • При клике: запись актуального значения в EEPROM

Сохранение яркости

Итак, теперь при запуске у нас восстанавливается последняя настроенная яркость, и при изменении она записывается. Напомню, что EEPROM изнашивается от перезаписи. Конечно для того, чтобы “накликать” яркость несколько миллионов раз и убить ячейку, у вас уйдёт очень много времени, но процесс записи нового значения можно и нужно оптимизировать, особенно в более серьёзных проектах, ниже поговорим об этом подробнее.

Также в нашем коде есть ещё один неприятный момент: при самом первом запуске после прошивки EEPROM не инициализирована, каждая ячейка хранит в себе число 255, и именно такое значение примет переменная LEDbright после первого запуска, при так называемом “первом чтении”. Здесь это не имеет значения, но в более серьёзном устройстве нужно будет задать нужные значения по умолчанию в EEPROM при первом запуске, об этом мы тоже поговорим ниже. Иначе представьте, какие “настройки по умолчанию” получит ваше устройство для яркости/скорости/громкости/номера режима/прочее!

Полезные трюки

Инициализация

Под инициализацией я имею в виду установку значений ячеек в EEPROM “по умолчанию” во время первого запуска устройства. В рассмотренном выше примере мы действовали в таком порядке:

  1. Чтение из EEPROM в переменную
  2. Использование переменной по назначению

При первом запуске кода (и при всех дальнейших, в которых в ячейку ничего нового не пишется) переменная получит значение, которое было в EEPROM по умолчанию. В большинстве случаев это значение не подойдёт устройству, например ячейка хранит номер режима, по задумке разработчика – от 0 до 5, а из EEPROM мы прочитаем 255. Непорядок! При первом запуске нужно инициализировать EEPROM так, чтобы устройство работало корректно, для этого нужно определить этот самый первый запуск.

Можно сделать это вручную, прошив программу, которая забьёт EEPROM нужными данными. Далее прошить уже рабочую программу.

При разработке программы это очень неудобно, ведь количество сохраняемых данных может меняться в процессе разработки, поэтому можно использовать следующий алгоритм:

  1. Резервируем какую-нибудь ячейку (например, последнюю) под хранение “ключа” первого запуска
  2. Читаем ячейку, если её содержимое не совпадает с ключом – это первый запуск!
  3. В обработчике первого запуска пишем в ячейку нужный ключ
  4. Пишем в остальные ячейки необходимые значения по умолчанию
  5. И после этого уже читаем данные во все нужные переменные

Рассмотрим на всё том же примере со светодиодом и кнопками:

Сохранение яркости

Теперь при первом запуске мы получим инициализацию нужных ячеек. Если нужно переинициализировать EEPROM, например в случае добавления новых данных, достаточно изменить наш ключ на любое другое значение в пределах одного байта (0-254). Я пишу именно до 254, потому что 255 является значением ячейки по умолчанию и наш трюк не сработает.

Скорость

Как я писал выше, скорость работы с EEPROM составляет:

    Запись/обновление одного байта занимает

3.3 мс (миллисекунды)
Чтение одного байта занимает

При большом желании можно использовать ячейку вместо переменной, т.е. выше мы с вами рассматривали пример, в котором EEPROM читался в переменную в программе, и дальнейшая работа происходила уже с ней. При сильной нехватке оперативной памяти можно читать значение напрямую из EEPROM, ведь это занимает ничтожно мало времени. А вот с записью всё гораздо хуже, там целых 3.3 мс. Например так:

Для изменения значения придётся прочитать ячейку, выполнить нужные операции, и снова в неё записать.

Ещё один удобный хак: можно ввести макросы на чтение и запись определённых значений, например:

Получим удобные макросы, с которыми писать код будет чуть быстрее и удобнее, т.е. строка SET_MODE(3) запишет 3 в ячейку 0

Уменьшение износа

Важная тема: уменьшение износа ячеек частыми перезаписями. Ситуаций может быть много, интересных решений для них – тоже. Рассмотрим простейший пример – всё тот же код со светодиодом и кнопкой. Делать будем следующее: записывать новое значение будем только в том случае, если после последнего нажатия на кнопку прошло какое-то время. То есть нам понадобится таймер (воспользуемся таймером на millis), при нажатии на кнопку таймер будет сбрасываться, а при срабатывании таймера будем писать актуальное значение в EEPROM. Также понадобится флаг, который будет сигнализировать о записи и позволит записать именно один раз. Алгоритм такой:

  • При нажатии на кнопку:
    • Если флаг опущен – поднять флаг
    • Сбросить таймер
  • Если сработал таймер и флаг поднят:
    • Опустить флаг
    • Записать значения в EEPROM

Посмотрим на всё том же примере:

Сохранение яркости

Вот таким нехитрым способом мы многократно снизили износ EEPROM, я очень часто использую этот “алгоритм” работы с настройками в своих устройствах.

Есть другие задачи, в которых данные в EEPROM пишутся не когда пользователь что-то изменит, а постоянно, т.е. память работает в режиме чёрного ящика и постоянно записывает значения. Это может быть например контроллер печи, который держит температурный режим по специальному закону, и после внезапной перезагрузки должен вернуться к тому месту в процессе, на котором прервался. Тут есть глобально два варианта:

    Ёмкий конденсатор по питанию микроконтроллера, позволяющий сохранить работу МК после отключения питания на время, достаточное для записи в EEPROM (

3.3 мс). Также МК должен знать о том, что общее питание отключилось: если это высокое напряжение (выше 5 Вольт), то это может быть делитель напряжения на аналоговый пин. Если это 5 Вольт – можно измерять напряжение МК, и момент отключения (разрядка конденсатора) тоже можно отловить и записать нужные данные. Можно взвести прерывание, которое сработает при падении напряжения питания ниже опасного уровня. Можно 5 Вольт завести напрямую на цифровой пин, а сам МК питать через диод и поставить конденсатор – тогда напряжение на измеряющем пине пропадёт до того, как отключится МК, он будет работать от конденсатора. Вот схема:

  • Можно писать данные (необязательно один байт, можно целую структуру) хитро, размазывая их по всему EEPROM. Тут глобально два варианта:
    • Писать данные каждый раз в следующую ячейку, и закольцевать переход на первую. Также понадобится хранить где-то счётчик, указывающий на адрес текущей ячейки, и этот счётчик тоже придётся хранить хитро, чтобы он не износил ячейку. Например счётчик – это структура, состоящая из счётчика перезаписей этой структуры и счётчика адреса для большой структуры.
    • Писать данные, пока не достигнут лимит количества перезаписей, количество текущих перезаписей хранить например в этой же структуре. Скажем структура занимает 30 байт, то есть в перспективе мы можем найти эту структуру по адресу, кратному 30. Программа работает, счётчик считает количество перезаписей, при достижении опасного количества вся структура “переезжает” на следующие 30 адресов.
    Читайте также:  Электровыключатели для внешней проводки - что надо знать?
  • Вариантов уменьшения износа ячеек EEPROM можно придумать много, уникально под свою ситуацию. Есть даже библиотеки готовые, например EEPROMWearLevel. Есть очень интересная статья на Хабре, там рассмотрено ещё несколько хороших алгоритмов и даны ссылки на ещё большее их количество.

    Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
    Bauman National Library

    Персональные инструменты

    EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

    Типы компьютерной памяти
    Энергозависимая
    • Современные распространённые типы
      • DRAM (в том числе DDR SDRAM)
      • SRAM
    • Перспективные
      • T-RAM
      • Z-RAM
      • TTRAM
    • Устаревшие типы
      • Память на линиях задержки
      • Запоминающая электростатическая трубка
      • Запоминающая электронно-лучевая трубка
    Энергонезависимая
    • ПЗУ
      • PROM
      • EPROM
      • EEPROM
      • Флеш-память
    • Первые разработки
      • FRAM
      • MRAM
      • PRAM
    • Перспективные
      • CBRAM
      • SONOS
      • RRAM
      • Беговая память (Racetrack)
      • Nano-RAM
      • Millipede
    • Устаревшие типы
      • Магнитный барабан
      • Память на магнитных сердечниках
      • Память на магнитной проволоке
      • ЦМД
      • Память на твисторах

    EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), один из видов энергонезависимой памяти (таких, как EPROM и PROM), используемой в компьютерах и других электронных устройствах для хранения относительно небольших объемов данных но с возможностью чтения, удаления или записи байтов по отдельности. 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. Микросхемы организованы в виде массивов плавающего затвора транзисторов [Источник 1] . Они могут быть запрограммированы и соединяются в цепи, путем применения специальных сигналов программирования. Изначально, микросхемы были ограничены для однобайтовых операций, которые сделали их медленнее, но современные микросхемы позволяют многобайтовые операции. EEPROM также имеет ограниченный срок для стирания и перепрограммирования, теперь достигает миллиона операций в современные микросхемы.

    На сегодняшний день классическая двухтранзисторная технология EEPROM практически полностью вытеснена флеш-памятью типа NOR. Однако название EEPROM прочно закрепилось за сегментом памяти малой ёмкости независимо от технологии.

    Содержание

    История

    Элай Харари в 1977 году создал EEPROM с помощью автоэлектронной эмиссии [Источник 2] через плавающий затвор. В 1978 году Джордж Перлегос в Intel разработал процессор Intel 2816, который был построен на более ранней технологии EPROM, но использовал тонкий подзатворный окисленный слой, позволяющий чипу стереть собственные байты без УФ-источника. Перлегос и другие позже использовали технологию, которая подразумевала использование на устройстве конденсаторов для обеспечения необходимого напряжения для программирования микросхемы. [1] [2]

    Принцип действия

    Принцип работы EEPROM основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры. [3]

    Ячейка памяти EEPROM представляет собой транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путём пропускания тока через канал полевого транзистора (явление инжекции горячих носителей). 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. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет функцию затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

    Ранее подобная конструкция ячеек применялась в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM).Сейчас особенностью классической ячейки EEPROM можно назвать наличие второго транзистора, который помогает управлять режимами записи и стирания. 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.

    Некоторые реализации EEPROM выполнялись в виде одного трёхзатворного полевого транзистора (один затвор плавающий и два обычных). Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. Соединение выполняется в виде двумерной матрицы, в которой на пересечении столбцов и строк находится одна ячейка. Поскольку ячейка EEPROM имеет третий затвор, то, помимо подложки, к каждой ячейке подходят 3 проводника (один проводник столбцов и 2 проводника строк).

    Интерфейс

    Устройства EEPROM используют последовательный или параллельный интерфейс для ввода/вывода информации.

    Устройства с последовательным интерфейсом

    Общий интерфейс может быть в виде шин: SPI [Источник 3] и I²C [Источник 4] , Microwire, UNI/O [Источник 5] и 1-Wire.

    Типичный EEPROM протокол содержит 3 фазы: Код операции, фазы адреса и фазы данных. Код операции – обычно первые 8 бит, далее следует фаза адреса в 8-24 бита (зависит от устройства) и в конце запись или чтение информации.

    Каждое устройство EEPROM, как правило, имеет свой код операций для выполнения различных функций. Функции для SPI EEPROM могут быть:

    • Write Enable (WRENAL)
    • Write Disable (WRDI)
    • Read Status Register (RDSR)
    • Write Status Register (WRSR)
    • Read Data (READ)
    • Write Data (WRITE)

    Ряд других операций, которые поддерживают некоторые EEPROM устройства:

    • Program
    • Sector Erase
    • Chip Erase commands

    Устройства с параллельным интерфейсом

    Параллельные устройства EEPROM обычно содержат в себе 8-битную шину данных и адресную шину достаточного объёма для покрытия всей памяти. Большинство таких устройств имеют защиту записи на шинах и возможность выбора чипа. Некоторые микроконтроллеры содержат в себе такие интегрированные EEPROM. Операции на таких устройствах проще и быстрее в сравнении с последовательным интерфейсом EEPROM, но за счет того, что для его функционирования требуется большое количество точек вывода (28pin и больше), параллельная память EEPROM теряет популярность уступая место памяти типа Flash и последовательной EEPROM.

    Другие устройства

    Память EEPROM используется для функционирования и в других видах продуктов. Продукты, такие как часы реального времени, цифровые потенциометры, цифровые датчики температуры, в частности, могут иметь небольшое количество EEPROM для хранения информации о калибровке или другие данные, которые должны быть доступны в случае потери питания. Он также был использован на игровых картриджах, чтобы сохранить игровой прогресс и настройки, до использования внешней и внутренней флэш-памяти.

    Режимы отказа

    Существует два вида ограничения хранимой информации: количество перезаписи и длительность хранения. Во время перезаписи, подзатворный окисленный слой плавучего затвора транзисторов постепенно накапливает в себе электроны. Электрическое поле неподвижных электронов добавляется к полю электронов в плавающем затворе, опуская окно между пороговыми напряжениями. После достаточного количества циклов перезаписи, разница будет слишком мала, чтобы быть узнаваемой, дальнейшая запись информации на устройство невозможно и происходит отказ . Производители обычно указывают максимальное количество перезаписей в 1 млн. или более.

    Второй вид ограничения – длительность хранения обусловливается тем, что во время хранения электроны оказавшиеся в плавающем затворе могут пройти сквозь изолятор, особенно при повышенной температуре, и вызвать потерю заряда, возвращая затвор в запертое состояние. Производители обычно гарантируют удерживание данных 10 лет или больше.

    Родственные типы памяти

    Флэш-память является более поздней формой EEPROM. В промышленности, существует конвенция, чтобы зарезервировать термин EEPROM для побайтно стираемой памяти относительно поблочно стираемой флэш-памяти. EEPROM занимает большую площадь кристалла, чем флэш-память для той же мощности, потому что каждая ячейка обычно требует чтения, записи и стирания, в то время как для стирания Flash схемы памяти используются большие блоки ячеек.

    Новые технологии энергонезависимой памяти, такие как в FeRAM и MRAM медленно заменяют EEPROM в некоторых устройствах, но, как ожидается, останется небольшая доля рынка для EEPROM в обозримом будущем.

    Сравнение EPROM, EEPROM и Flash

    Главными отличиями данных типов памяти являются: программирование и стирание данных с устройства. EEPROM может быть запрограммирован, а данные устройства удалены с помощью автоэлектронной эмиссии.

    EPROM же, напротив, использует инжекцию горячих носителей [Источник 6] на плавающем затворе. Стирание осуществляется с помощью ультрафиолетового источника света, хотя на практике многие чипы упакованы в пластик, который является непроницаемым для ультрафиолета, делая их “однократно программируемыми”.

    Большинство устройств с Flash памятью представляет собой гибрид программирования с помощью инжекции горячих носителей и стирания с помощью автоэлектронной эмиссии.

    Arduino EEPROM энергонезависимая память

    Ардуино предоставляет своим пользователям три типа встроенной памяти устройств и одна из них EEPROM – энергонезависимая память.

    Описание памяти EEPROM

    Arduino – это целое семейство различных устройств для создания электронных проектов. Микроконтроллеры очень удобны для использования, доступны к освоению даже новичку. Каждый микроконтроллер состоит из платы, программ для обеспечения работы, памяти. В этой статье будет рассмотрена энергонезависимая память, используемая в Arduino.

    Ардуино предоставляет своим пользователям три типа встроенной памяти устройств: стационарное ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство или SRAM — static random access memory) – необходимо для записи и хранения данных в процессе использования; флеш-карты – для сохранения уже записанных схем; EEPROM – для хранения и последующего использования данных.

    На ОЗУ все данные стираются, как только происходит перезагрузка устройства либо отключается питание. Вторые две сохраняют всю информацию до перезаписи и позволяют извлекать ее при необходимости. Флеш-накопители достаточно распространены в настоящее время. Подробнее стоит рассмотреть память EEPROM.

    Аббревиатура расшифровывается, как Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory и в переводе на русский дословно означает – электрически стираемая программируемая память только для чтения. Производитель гарантирует сохранность информации на несколько десятилетий вперед после последнего отключения питания (обычно приводят срок в 20 лет, зависит от скорости снижения заряда устройства).

    При этом нужно знать, что возможность перезаписи на устройство ограничена и составляет не более 100 000 раз. Поэтому рекомендуют аккуратно и внимательно относиться к вносимым данным и не допускать перезаписи лишний раз.

    Объем памяти, в сравнении с современными носителями, очень небольшой и разный для различных микроконтроллеров. Например, для:

    • ATmega328 – 1кБ
    • ATmega168 и ATmega8 – 512 байт,
    • ATmega2560 и ATmega1280 – 4 кБ.

    Так устроено потому, что каждый микроконтроллер предназначен для определенного объема задач, имеет разное количество выводов для подключения, соответственно, необходим разный объем памяти. При этом такого количества достаточно для обычно создаваемых проектов.

    Для записи на EEPROM требуется значительное количество времени – около 3 мс. Если в момент записи отключается питание, данные не сохраняются вовсе либо могут быть записаны ошибочно. Требуется всегда дополнительно проверять внесенную информацию, чтобы избежать сбоев во время работы. Считывание данных происходит гораздо быстрее, ресурс памяти от этого не снижается.

    Библиотека

    Работа с памятью EEPROM осуществляется с помощью библиотеки, которая была специально создана для Ардуино. Главными являются способность к записи и чтению данных. Библиотека активируется командой #include EEPROM.h.

    Далее используются простые команды:

    • для записи – EEPROM.write(address, data);
    • для чтения – EEPROM.read(address).

    В данных скетчах: address – аргумент с данными ячейки, куда вносятся данные второго аргумента data; при считывании используется один аргумент address, который показывает, откуда следует читать информацию.

    Читайте также:  Замена проводки на алюминий
    ФункцияНазначение
    read(address)считывает 1 байт из EEPROM ; address – адрес, откуда считываются данные (ячейка, начиная с 0);
    write(address, value)записывает в память значение value (1 байт, число от 0 до 255) по адресу address;
    update(address, value)заменяет значение value по адресу address, если её старое содержимое отличается от нового;
    get(address, data)считывает данные data указанного типа из памяти по адресу address;
    put(address, data)записывает данные data указанного типа в память по адресу address;
    EEPROM[address]позволяет использовать идентификатор “EEPROM” как массив, чтобы записывать данные в память и считывать их из памяти.

    Запись целых чисел

    Запись целых чисел в энергонезависимую память EEPROM осуществить достаточно просто. Внесение чисел происходит с запуском функции EEPROM.write(). В скобках указываются необходимые данные. При этом числа от 0 до 255 и числа свыше 255 записываются по-разному. Первые вносятся просто – их объем занимает 1 байт, то есть одну ячейку. Для записи вторых необходимо использовать операторов highByte() высший байт и lowByte() низший байт.

    Число делится на байты и записывается отдельно по ячейкам. Например, число 789 запишется в две ячейки: в первую пойдет множитель 3, а во вторую – недостающее значение. В итоге получается необходимое значение:

    Для «воссоединения» большого целого числа применяется функция word(): int val = word(hi, low). Нужно читывать, что максимальное целое число для записи – 65536 (то есть 2 в степени 16). В ячейках, в которых еще не было иных записей, на мониторе будут стоять цифры 255 в каждой.

    Запись чисел с плавающей запятой и строк

    Числа с плавающей запятой и строк – это форма записи действительных чисел, где они представляются из мантиссы и показателя степени. Запись таких чисел в энергонезависимую память EEPROM производится с активацией функции EEPROM.put(), считывание, соответственно, – EEPROM.get().

    При программировании числовые значения с плавающей запятой обозначаются, как float, стоит отметить, что это не команда, а именно число. Тип Char (символьный тип) – используется для обозначения строк. Процесс записи чисел на мониторе запускается при помощи setup(), считывание – с помощью loop().

    В процессе на экране монитора могут появиться значения ovf, что значит «переполнено», и nan, что значит «отсутствует числовое значение». Это говорит о том, что записанная в ячейку информация не может быть воспроизведена, как число с плавающей точкой. Такой ситуации не возникнет, если достоверно знать, в какой ячейке какой тип информации записан.

    Примеры проектов и скетчей

    Пример №1

    Скетч запишет до 16 символов с последовательного порта и в цикле выведет 16 символов из EEPROM. Благодаря Arduino IDE данные записываются в EEPROM и контролируется содержимое энергонезависимой памяти.

    Пример №2

    Для большего понимания мы можем создать небольшой скетч, который поможет в понимании работы с энергонезависимой памятью. Считаем все ячейки этой памяти. Если ячейка не пустая – вывод в последовательный порт. После чего заполняем ячейки пробелами. Потом вводим текст через монитор последовательного порта. Его записываем в EEPROM, и при последующем включении считываем.

    Пример №3

    Запись в память два целых числа, чтение их из EEPROM и вывод в последовательный порт. Числа от 0 до 255 занимают 1 байт памяти, с помощью функции EEPROM.write() записываются в нужную ячейку. Для чисел больше 255 их нужно делить на байты с помощью highByte() и lowByte() и записывать каждый байт в свою ячейку. Максимальное число при этом – 65536 (или 2 16 ).

    Пример №4

    Запись чисел с плавающей запятой и строк – метод EEPROM.put(). Чтение – EEPROM.get().

    Пример №5

    Использование EEPROM как массива.

    Работа с EEPROM

    Как упоминалось ранее, ресурс памяти EEPROM ограничен. Для продления срока службы энергонезависимой памяти, вместо функции write() запись, лучше применять функцию update обновление. При этом перезапись ведется только для тех ячеек, где значение отличается от вновь записываемого.

    Еще одной полезной функцией рассматриваемой памяти микроконтроллера является возможность использования ячеек хранения байтов, как деталей целостного массива EEPROM. При любом формате использования необходимо постоянно осуществлять контроль целостности записанных данных.

    Такая память на Ардуино стандартно хранит самое важное для работы контроллера и устройства. К примеру, если на такой базе создается регулятор температуры и исходные данные окажутся ошибочными, устройство будет работать «неадекватно» существующим условиям – сильно занижать или завышать температуру.

    Существует несколько ситуаций, когда память EEPROM содержит неправильные данные:

    1. При первоначальной активации – еще не было ни одной записи.
    2. В момент неконтролируемого отключения питания – часть или все данные не запишутся или запишутся некорректно.
    3. После завершения возможных циклов перезаписи данных.

    Чтобы избежать возникновения неприятных последствий, устройство можно запрограммировать на несколько вариантов действий: применить данные аварийного кода, отключить систему полностью, подать сигнал о неисправности, использовать заранее созданную копию или другие.

    Для контроля целостности информации используют контрольный код системы. Он создается по образцу записи первоначальных данных и, при проверке, он вновь просчитывает данные. Если результат отличается – это ошибка. Самым распространенным вариантом такой проверки является контрольная сумма – выполняется обычная математическая операция по сложению всех значений ячеек.

    Опытные программисты добавляют к этому коду дополнительное «исключающее ИЛИ», например, E5h. В случае если все значения равны нулю, а система по ошибке обнулила исходные данные – такая хитрость выявит ошибку.

    Таковы основные принципы работы с энергонезависимой памятью EEPROM для микроконтроллеров Arduino. Для определенных проектов стоит использовать только этот вид памяти. Он имеет как свои плюсы, так и свои недостатки. Для освоения методов записи и чтения лучше начать с простых задач.

    Прикладное программирование с нуля.

    AVR, STM, Android, IoT. Встраиваемые системы.

    Память EEPROM (ППЗУ) в AVR. Запись и чтение. Шаг №13

    Обновлено 16.12.15. Всем привет. Рассмотрев в прошлой статье взаимодействие кнопок с контроллером, в этой записи разберем память МК AVR EEPROM (электрически стираемая ППЗУ), которая является энергонезависимой и имеет ресурс примерно в 100 000 циклов записи/чтения. Зачем нам нужна такая память с ограниченным числом обращений к ней? Такая память идеально подходит для хранения констант и исходных параметров, которые мы можем задать в начале программы, при помощи тех же кнопок.

    Теперь рассмотрим как обращаться к ней. Для программирования памяти EEPROM используются три регистра, расположенные в области ввода/вывода памяти SRAM: восьмиразрядный регистр адреса EEAR или два регистра EEARH и EEARL; восьмиразрядный регистр данных EEDR; восьмиразрядный регистр управления EECR. когда происходит процесс записи, байт данных адресуется регистром адреса и заносится в регистр данных. В процессе чтения из памяти в регистр данных записывается содержимое ячейки EEPROM, адресуемой регистром адреса.

    В книге Евстифеева, справочнике по микроконтроллерам (литературу я приводил в статье №1), описаны программные примеры для записи/чтения. Давайте разберем программу:

    Реализация функции записи:

    void EEPROM_write (unsigned int uiAddress, unsigned char uoData)
    <
    while ( EECR & (1 //ждем завершения предыдущей записи
    EEAR = uiAddress; //Проинициализировать регистр адреса
    EEDR = uoData ; //Проинициализировать регистр данных
    EECR |= (1 //Установить флаг EEMWE
    EECR |= (1 //Начать запись в EEPROM
    >

    Разберем программу.
    1. EEWE является разрядом регистра (рисунок ниже) EECR и отвечает за разрешение записи в EEPROM, если установлен в 1, то происходит запись в EEPROM, при условии что EEMWE установлен в 1.
    2. Загружаем адрес в регистр адреса EEAR

    Разряды регистра управления EECR:
    EERIE — разрешение прерывания от EEPROM;
    EEMWE — управление разрешением записи в EEPROM;
    EEWE — разрешение записи в EEPROM;
    EERE — разрешение чтения из EEPROM.

    3. Загружаем байт данных в регистр данных EEDR.
    4. EEMWE – управление разрядом разрешения записи в EEPROM. Этот флаг отвечает за функционирование разряда разрешения записи EEWE. При установке в 1 запись разрешается, если 0, то при установке EEWE в 1 запись в память не произойдет. После программной установки EEMWE сбрасывается через 4 машинных цикла.
    5. Записываем данные в память.

    . Здесь есть один нюанс . Если планируется, периодически записывать данные в EEPROM во время выполнения программы, при самопрограммировании микроконтроллера, то необходимо знать, что запись в EEPROM не может одновременно выполняться с записью во Flash память , поэтому выше после первого пункта необходимо добавить следующий пункт:

    — дождаться завершения записи во Flash-память программ, т.е. ждать пока не сброситься флаг SPMEN регистра SPMCR, тогда после этой строки необходимо добавить еще одно циклическое условие:

    while (SPMCR &(1 // Завершение записи во Flash память

    Теперь разберем функцию чтения:

    unsigned char EEPROM_write (unsigned int uiAddress)
    <
    while ( EECR & (1 //ждем завершения предыдущей записи
    EEAR = uiAddress; //Проинициализировать регистр адреса
    EECR |= (1 //Выполнить чтение
    return EEDR;
    >

    Здесь все почти также, только в функцию передается адрес переменной, инициализируем его и разрешаем чтение по этому адресу. Возвращаем данные.

    Но прежде, чем использовать алгоритм записи или чтения EEPROM, необходимо объявить переменную, которая будет распределена в пределах области EEPROM. Для этого в библиотеке eeprom.h программной среды WinAVR определен специальный атрибут EEMEM. Например объявим переменную без знакового целочисленного типа с атрибутом.

    EEMEM uint8_t eeprom_х ; // объявим переменную.
    х –переменная;
    uint8_t – целочисленный без знаковый тип, имеющие точно указанную разрядность, в данном случае 8 бит и предназначен для переносимости программ.
    EEMEM – атрибут, заставляющий переменную быть распределенной в пределах раздела .eeprom. Данный атрибут определен в файле eeprom.h и выглядит он следующим образом.

    #ifndef EEMEM
    #define EEMEM__attribute__ ((section («.eeprom»)))
    #endif

    Для работы с данными в библиотеке уже прописаны функции:
    для чтения
    uint8_t eeprom_read_byte (const uint8_t *addr)
    Аргументом функций eeprom_read_. является адрес переменной в EEPROM, а результатом — значение переменной в EEPROM.
    для записи
    void eeprom_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t value)
    Аргументами функций eeprom_write_. являются адрес в EEPROM, куда записать данные и значение которое нужно записать.

    Ну что ж все это пережевав на по следок программный пример в целом. Передадим в EEPROM данные и считаем. Используя AVR и программу для ЖК-индикатора , выведем результат.

    uint8_t EEMEM eepro_х; /* такая переменная должна быть всегда глобальной и служит для передачи своего адреса в область EEPROM*/
    char word[]=”Hello”;

    main ()
    <
    uint8_t eepro_х1 = 100; /*вторая переменная для передачи данных*/
    /*Давайте запишем переменную в память*/
    eeprom_write_byte (&eeprom_x, eeprom_x1); /*передаем в функцию адрес переменной и значение которое запишем по этому адресу*/
    /*теперь убедимся, что в памяти у нас хранится значение 100, для этого обнулим текущее значение переменной х и присвоим считанное значение из памяти*/
    eeprom_х1 = 0;
    /*считаем содержимое памяти*/
    x1 = eeprom_read_byte (&eeprom_x); // взятие адреса переменной
    sprintf (word,”V_eeprom x1=%3d”,eeprom_x1);
    PrintString (word);
    >

    Ниже, на рисунке представлен результат
    Если в программе изначально передаются какие то константы для хранения в памяти EEPROM, то при прошивке необходимо залить файл с расширением .eep, который будет создан компилятором и размещен в той же директории что и рабочие файлы.

    На этом пока все. Здесь дан краткий обзор для работы с такой памятью. Конечно есть куча нюансов, но это уже тонкости. В следующей статье рассмотрим ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) и плавно перейдем к следующему проекту попробуем сконструировать «мозги» для любительского станка ЧПУ. Всем пока.

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Загрузка ...
    Adblock
    detector