Разработка компонентов инфраструктуры сервисного обслуживания встроенной памяти гибкой автоматизированной системы на кристалле (стр. 5 из 7)

Так как для бесперебойного питания часов реального времени требуется переключатель батареи и цепь защиты записи, то это естественно вызывает желание иметь часы реального времени в супервизоре NVRAM. Существуют три микросхемы, которые имеют такую комбинацию – это микросхемы M41ST85, M48T201 и M48T212. Все эти три устройства включают также функции супервизора микропроцессора: POR, LVD и сторожевого таймера. Супервизоры NVRAM с часами реального времени имеют название TIMEKEEPER.

Корпус микросхем M41ST87 с встроенным кварцем способствует обеспечению безопасности сервисного обслуживания. Помимо экономии пространства и стоимости, связанной с системотехническими работами, кварц закрыт от доступа извне. Кроме того, он лучше огражден от воздействий природной среды. С учетом всех факторов можно утверждать, что такое решение позволяет уменьшить стоимость системы в целом.

Супервизор NVRAM микросхем M41ST87 может использоваться для управления маломощным ОЗУ. Здесь задействуются следующие встроенные схемы: схема автоматического переключения батареи, схема разрешения доступа (Chip - Enable Gate) для защиты ОЗУ от записи и монитор батареи. Это дает возможность пользователю создать NVRAM, используя резервную батарею M41ST87 для дублирования питания LPSRAM.

В основе микросхемы M41ST87 лежат программируемые (с батарейным питанием) часы реального времени с реГАСтрами счетчиков, которые прослеживают время и дату с разрешающей способностью в пределах: от сотых долей секунд до сотен лет. Обращение к ним осуществляется по интерфейсу I2C с частотой 400 кГц. Сформированные с использованием маломощной КМОП технологии, ОЗУ схемы часов реального времени M41ST87 организовано как 256x8 бит, с реГАСтрами по 21 байт и имеет 128 байт собственной NVRAM плюс 8 байт отведенной на уникальный порядковый номер.

Микропроцессорный супервизор микросхем M41ST87 включает две независимые схемы предварительного предупреждения о сбое питания (PFI / PFO) с опорным напряжением компараторов 1,25 В, схему сброса, которая может запускаться от нескольких источников по двум входам, и схему обнаружения падения стабилизированного напряжения питания с выдачей сигнала сброса. В качестве источника сброса может использоваться также и сторожевой таймер с программируемым временем ожидания от 62,5 мсек до 128 сек. Кроме того, в качестве источников сброса могут быть сконфигурированы и цепи обнаружения несанкционированного доступа. Одну или обе цепи PFI / PFO можно использовать не только для предварительного предупреждения о сбое питания, но и для управления цепями повторного включения.

Таким образом, при использовании M41ST87 можно контролировать до трех различных напряжений питания (включая Vcc).

2.7 Архитектура SoC-памяти

Низкопрофильный корпус SOX28 занимает мало пространства на плате (2,4 х 10,42 мм, включая выводы). Микросхемы M41ST87 работают в индустриальном диапазоне температур от –40ºС до +85ºC.

Для решений с поверхностным монтажом и высокой плотности ОЗУ предлагается использовать отдельно супервизор и несколько LPSRAM. Такое многокристальное решение часто требует меньшее количество места на плате, чем другие решения, и намного ниже по стоимости, чем гибридные DIP .

Пользователи могут подключать к соответствующему супервизору NVRAM различное количество LPSRAM, что позволяет конфигурировать широкое разнообразие плотностей и возможностей. Типовые комбинации включают:

– 16 Мбит, 3 В или 5 В SMT решение, использующее M40Z300 супервизор без верхней батареи с четырьмя маломощными ОЗУ типа M68Z512;

– 1 Мбит или 4 Мбит, 3 В SMT решение, использующее M40SZ100W SNAPHAT супервизор и маломощные SRAM типа M68Z128W или M68Z512W.

Микросхемы серии ZEROPOWER получили свое название за способность сохранять данные при отсутствии внешнего сетевого питания. Они состоят из двух основных компонентов: маломощного ОЗУ (LPSRAM) и супервизора NVRAM (рис. 2.3). Типовое ОЗУ типа LPSRAM потребляет обычно менее одного мкА при работе только с батареей и может сохранять данные в течение нескольких лет при использовании для питания миниатюрной литиевой батарейки.

Супервизор NVRAM состоит из двух основных схем: схемы переключения батареи и схемы защиты записи. Схема переключения батареи переключает питание LPSRAM от системного стабилизированного источника питания (Vcc) на батарейное питание (Vbat). Эта схема осуществляет контроль за Vcc и когда оно начинает падать, питание LPSRAM переключается на резервную батарею.

Рисунок 2.3 – Схема переключения сетевого питания при сервисном обслуживании SoC-памяти NVRAM

При снижении Vcc менее некоторого порогового значения микропроцессор может вести себя неустойчиво, и это может привести к ошибочным записям и даже к очистке содержимого ОЗУ. Схема защиты записи закрывает микропроцессору доступ к LPSRAM для предотвращения такой ситуации.

Все микросхемы ZEROPOWER NVRAM обладают такими же возможностями и никаких других внешних схем при этом не требуется. В настоящее время, выпускаются микросхемы с интегрированными на одном кристалле супервизором NVRAM и LPSRAM с плотностью до 256 кбит и ниже. Для более высоких плотностей пока используются две отдельные микросхемы.

2.8 Корпус SoC-памяти

Микросхемы NVRAM доступны в различных корпусах. Основным корпусом для поверхностного монтажа (SMT) является корпус SNAPHAT (рис. 2.4 а). Микросхема в корпусе SOH 28 имеет стандартное расположение выводов SRAM, а батарея крепится сверху на застежках, что обеспечивает ее легкую замену. Корпус типа CAPHAT (рис. 2.4 б) имеет неотсоединяемую батарею. Он рекомендуется для приложений, использующих монтаж "через отверстие ".

Рисунок 2.4 – Типы корпусовSoC-памяти

Для решений с монтажом "через отверстие" и высокой плотности ОЗУ предлагается гибридный корпус DIP, в котором LPSRAM и супервизор – отдельные микросхемы, установленные на общей печатной плате вместе с батареей (рис. 2.4 с). В настоящее время доступны плотности ОЗУ до 16 Mбит.

С учетом потребностей разработчиков, одним из последних ZEROPOWER NVRAM является микросхема M48Z32V в низкопрофильном корпусе. Микросхема M48Z32V имеет LPSRAM c плотностью памяти 32 Kx8 при питании 3,3 В. Низкопрофильный корпус SOIC с 44 штырьками, возвышается над монтажной платой всего на 0.12" (3,05 мм), что предоставляет пользователям большую гибкость при компоновке платы и снимает для проектировщиков проблемы габарита по высоте.

Микросхема M48Z32V имеет встроенный коммутатор аварийного батарейного питания и цепи защиты от записи при сбоях питания совмещенные с 256 кбит маломощной SRAM. Время доступа для этих микросхем составляет 35 нс для M48Z32V-35MT1 и 70 нс для M48Z32V-70MT1.

Потребляя только 200 нА (при 40° C), M48Z32V может сохранять данные в течение десятилетнего срока службы батареи с емкостью 18 мА/ч. Эта микросхема совместима с системами, уже содержащими литиевые батареи на плате. Сочетание низкопрофильного корпуса со стоимостью M48Z32V позволяет использовать ее как удачное решение NVRAM во многих приложениях.

При использовании своих контактов для подключения к любому батарейному питанию, микросхема M48Z32V может использоваться как обыкновенное асинхронное статическое ОЗУ для любого микропроцессора или микроконтроллера.

Микросхема M48Z32V производится в корпусе SO44, который аналогичен корпусу ST типа SOH44 SNAPHAT, но без верхней батареи. Она питается от источника 3,3 В (±10%) и работает в коммерческом диапазоне температур (от 0 до 70°C).

2.9 Система реального времени в SoC-памяти

Микросхемы TIMEKEEPER NVRAM основаны на использовании базовой технологии NVRAM. 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. 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема системы реального времени SoC-памяти TIMEKEEPER

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 nA.

Принцип работы часов реального времени состоит в использовании генератора 32 кГц с последующим делением частоты несколькими счетчиками. 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 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 / записывают время и дату путем чтения / записи этих адресов в пространстве NVRAM.

Буферы 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, буфера задерживают данные, поступающие от микропроцессора, и ждут конца цикла записи информации "день-дата-время" для одновременной передачи поступивших данных счетчикам часов.