Микросхемы памяти компании STMicroelectronics Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 3'2004

Продолжение. Начало см. в№№ 6-7'2003,2'2004.

Микросхемы памяти

компании STMicroelectronics

В статье продолжается рассмотрение микросхем энергонезависимой памяти с произвольной выборкой NVRAM, разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одним из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем памяти.

Анатолий Юдин, к. т. н.

[email protected]

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).

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 32768, 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 висо-

...I'MEjCEEPERNVRAM.

"!!!Ke!?pîôwërnÿ^m..........

Супервизор NVRAM

RTC

Переключение батареи ---------------------

і

-О, г

vso

*ВЫХ —М

Задержка

СЕ

ЦР

к>

тсс

LPSRAM

Защита записи при сбоях питания

СЕ

vcc

Календарь

часов

рального

времени

День

Число

Минута

Секунда'

Watcdog

Alarm

(С

CE

"7^

шина ADDRESS/DANA

Рис. 1. Архитектура микросхем TIMEKEEPER NVRAM

косного года используется не изображенная на рисунке дополнительная логика.

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 и записывают время и дату путем чтения и 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 32 кГц. 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

Компоненты и технологии, № 3'2004

Рис. 2. Принцип работы часов реального времени

Таблица 1. Основные характеристики микросхем TIMEKEEPER NVRAM

Плотность Обозна- Vcc (V) Часы1'1 Функции микропроцессорного и системного супервизора -40 до Корпус Особенности

Alarm Watch- dog POR-LVD Плот-Выход'2 ность 85 °С SNAP- HAT® DIP Другие

32 Мбайт (1Мх32) M440T1MV 3,3 16B • • • PBGA-168

16 Мбайт (512Кх32) M440T513Y 5,0 16B • • • PBGA-168

16 Мбайт (2Мх8) M48T254V 3,3 Phantom • PBGA-168 Фантомный интерфейс часов

M48T512Y 5,0 8B 32

4 Мбайт (512Кх8) M48T251Y 5,0 Phantom 32 Фантомный интерфейс часов

M48T248Y 5,0 Phantom 32 Фантомный интерфейс часов

1 Мбайт (128Кх8) M48T129V 3,3 16B • • • • 12

M48T129Y 5,0 16B • • • • 12

M48T128Y 5,0 8B "37

M48T37V 3,3 16B • • • • SOH44

256 кбайт (32Кх8) M48T37Y 5,0 16B • • • • SOH44

M48T35AV 3,3 8B • SOH28 2?

M48T35 5,0 8B SOH28 2?

M48T59 5,0 16B • • • • SOH28 28"

M48T58 5,0 8B • SOH28 28"

64 кбайт (32Кх8) M48T18 5,0 8B (3) 28"

M48T08 5,0 8B 28"

M48T08Y 5,0 8B SOH28 Взамен М48Т18-100МН1

16 кбайт (2Кх8) M48T12 5,0 8B • 24" Т12: 5У±10%

M48T02 5,0 8B • 24" Т02: 5У +10/—5%

1 кбайт (128х8) M48T86 5,0 16B • • • • SOH28 24 Мультиплексная шина; Вывод меандра

Примечания:

* 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.

** POR-LVD: Power-on Reset/Low-Voltage Detect.

*** M48T18-100MH1 (корпус SNAPHAT IC) взамен M48T08Y-10MH1.

от технологии исполнения, компоненты, со- на одной подложке в отдельном корпусе ИС:

ставляющие микросхему, могут размещать- SOH44 SNAPHAT или PBGA-168 (развиваю-

ся в одном «гибридном» корпусе DIP, или же щаяся технология упаковки TIMEKEEPER).

Последовательные RTC

Подобно микросхемам TIMEKEEPER NVRAM, последовательные RTC (часы реального времени) отслеживают текущее реальное время даже при отсутствии внешнего системного питания. Вместо стандартного асинхронного параллельного интерфейса SRAM последовательные RTC используют последовательную шину. Устройства ST (STMicroelectronics) 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).

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.

В верхней части таблицы 2 представлены микросхемы полнофункциональных последовательных часов реального времени с расширенными микропроцессорными контрольными возможностями типа сброса при включении питания/обнаружения падения напряжения (Power-on Reset/Low-Voltage Detect или PОR/LVD), раннее предупреждение о сбое питания (PFI/PFO), сигнал аварии (Alarm), сторожевой таймер (Watchdog) и шина SPI. Например, M41T81: Serial RTC с интерфейсом I2C 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 супервизоры TIMEKEEPER, 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 повышенную надежность и безопасность, является микросхема М41СТ85МХ6.

Компоненты и технологии, № 3'2004

Таблица 2. Основные технические характеристики микросхем Serial RTC

NVRAM Корпус Vcc (В) Внутренний переклю- Функции микропроцессорного супервизора Выход Выход Chip -40

SNAPHAT® Другой и защита записи Alarm и POR-LVD Watchdog Выход(1) PFI- PFO« /Reset Монитор Входы батареи меандра 32 кГц Gate 85°С

M41ST95W(3) 44B SPI SOX28(3) 2,7-5,5 • • • 2 • • • • 500 нА максимальное потребление тока при резервном питании

M41ST87Y31 128B 400 кГц I2C SOX28(3) 4,5-5,5 • • 2 2 • • • • Обнаружение НСД очистка РАМ;

M41ST87W(3) 128B 400 кГц I2C SOX28(3) 2,7-3,6 • • 2 2 • • • • Уникальный номер; ЫУ Супервизор

M41ST85Y 44B 400 кГц I2C SOH28 SOX28(3) 4,5-5,5 • • • 2 • • • 500 нА максимальное потребление тока

M41ST85W 44B 400 кГц I2C SOH28 SOX28(3) 2,7-3,6 • • • 2 • • • при резервном питании; ЫУ супервизор

M41T94 44B SPI SOH28 SO16 2,7-5,5 • • • 2 • • • 500 нА максимальное потребление тока при резервном питании; ТНБ вывод(4)

M41ST84Y 44B 400 кГц I2C (3) SO16 4,5-5,5 • • • 1 • • • 500 нА максимальное потребление тока при резервном питании

M41ST84W 44B 400 кГц I2C (3) SO16 2,7-3,6 • • • 1 • • •

M41T81 400 кГц I2C SO8 SOX28(3) 2,0-5,5 • • •

M41T56 56B I2C SOH28 SO8 4,5-5,5 • 500 нА максимальное потребление тока при резервном питании

M41T11 56B I2C SOH28 SO8 2,0-5,5 •

M41T00 I2C SO8 2,0-5,5 •

M41T80 400 кГц I2C SO8 2,0-5,5 •(5) • • •

M41T0 400 кГц I2C SO8 TSSOP8 2,0-5,5 • Сбой-бит генератора(ОР)

Примечания:

* POR-LVD: Power-on Reset/Low-Voltage Detect — сброс при подаче питания/обнаружение падения напряжения.

** PFI-PFO: Power-fail In/Power-fail Output — раннее предупреждение о сбое питания.

*** Продажа только через ST.

**** Вывод THS: выбор порога для схемы раннего предупреждения о сбое питания (2,65 или 4,4 В при работе от источника 3 или 5 В).

***** Только Alarm. В M41T80 нет watchdog.

ЧСС

Serial RTC

Супервизор NVRAM

Переключение батареи ^ ^

Х\£Г

"Г Vce

Ï

yso

компаратор _1

iVBblx —►

компаратор

Задержка

*f/*rec

*СС

¡і?

PC (или SPI)

k>

CON

—H

Защита записи при сбоях питания

Часы

рального

времени /календарь

^сс

День

Число

Час

Минута

Секунда

Watcdog

Alarm

LPSRAM

12С(или SPI)

интерфейс

Рис. 3. Архитектура Serial RTC

Наряду с высокоинтегрированными 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 М41Т0 и М41Т80 имеют последовательный интерфейс промышленного стандарта 12С 400 кГц и работают в индустриальном интервале температур от -40 до +85 °С. Производимые в корпусах для поверхностного монтажа, оба устройства работают от источника питания с напряжением от 2 до 5,5 В при малом потреблении тока. Например, М41Т0 потребляет только 900 нА в дежурном режиме и 35 мкА в активном режиме (при типовом питании 3,0 В). М41Т80 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 М41Т0 есть опция стопового бита генератора для обнаружения ухода частоты тактового генератора из-за уменьшения питающего напряжения. Что касается М41Т80, его функции хронометрирования дополнены программируемым сигнальным

Компоненты и технологии, № 3'2004

ІІР

l2C

IRQ

CLKIN

ALARM/SQW

32кГц

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

М41Т80

День

Дата

Часы

Минуты

Секунды

0.1 Секунды

0.01 Секунды

Вых. 32 кГц

ALARM

Меандр

Рис. 4. Схема подключения микросхемы M41T80

Обозначение Описание Корпус

M4Z28-BR00SH1 Литиевая батарея (48 мА*ч) для ZEROPOWER NVRAM и SUPERVISOR SH

M4Z32-BR00SH1 Литиевая батарея (120 мА*ч) для ZEROPOWER NVRAM и SUPERVISOR SH

M4Z32-BR00SH6 Литиевая батарея (120 мА*ч) для ZEROPOWER NVRAM и SUPERVISOR, от -40 до +85 °С SH

M4T28-BR12SH1 Литиевая батарея (48 мА*ч) и кварц для TIMEKEEPER NVRAM и SUPERVISOR SH

M4T32-BR12SH1 Литиевая батарея (120 мА*ч) и кварц для TIMEKEEPER NVRAM и SUPERVISOR SH

M4T32-BR12SH6 Литиевая батарея (120 мА*ч) и кварц для TIMEKEEPER NVRAM и SUPERVISOR, от -40 до +85°С SH

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.

Микросхема M41T80 легко соединяется по шине I2C 400 кГц почти с 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 1 Ф и питающем напряжении Vcc 3,3 В ожидаемое время обеспечения резервного питания составляет приблизительно 10 дней.

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

Наиболее простыми устройствами из серии микросхем Serial RTC ST являются M41T0, разработанные на базе M41T00 иМ41ТО. У этого устройства нет переключателя батареи и возможности программной калибровки часов, но есть функция обнаружения сбоя генератора и интерфейс I2C 400 кГц.

Микросхема M41T0 с внешним конденсатором емкостью 1 Ф 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.

Микросхемы памяти типа NVRAM производятся и другими компаниями, но у многих из них не найти тех особенностей, кото-

рые присущи компонентам ST (табл. 4). 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.

При подготовке статьи использованы материалы, предоставленные компанией STMicroelectronics и технические описания микросхем. Дополнительную информацию можно получить на сайте компании STMicroelectronics (http://www.st.com/nvram) и в Технико-консультационном центре STMicroelectronics по электронной почте [email protected].

Таблица 4. Сравнение компонентов NVRAM компании ST и других производителей

Продукт Конкуренты Особенности микросхем ST

ZEROPOWER Dallas, Benchmarq - Схема с более высокой плотностью и менее дорогая. - Легкая замена для DIP-корпусов.

TIMEKEEPER Dallas, Benchmarq, (+ Maxim, Analog Device, Linear Tech) - Чипсет с более высокой плотностью и менее дорогой. - Повыводная совместимость для DIP-корпусов. - Много интегрированных свойств (PFI/PFO). - Программная калибровка.

Serial RTC Philips, Dallas, Ricoh, Epson, Seiko, Holtek, Oki (+ Maxim, Analog Device, Linear Tech) - Любая шина (I2C, SPI, 8 бит), от простых RTC до высокоинтегрированных (с PFI/PFO, Alarm, Watchdog, сбросом, проверкой батареи, NVRAM супервизором). - Программная калибровка.

SUPERVISOR Dallas, Benchmarq, (+ Maxim, Analog Device, Linear Tech) - Корпус SNAPHAT позволяет располагать батарею сверху микросхемы. - Устройства ST могут управлять до 4 внешних SRAM. - Программная калибровка.