Что такое eeprom контроллера

Работа с EEPROM памятью

Вот и добрались мы до третьего типа памяти, доступного на Arduino: EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ)), она же энергонезависимая память. Вспомним остальные типы памяти, Flash и SRAM, и их возможности по хранению данных:

Простыми словами: EEPROM – память, к которой мы имеем полный доступ из выполняющейся программы, т.е. можем во время выполнения читать и писать туда данные, и эти данные не сбрасываются при перезагрузке МК. Круто? Круто. Зачем?

Единственный важный момент: EEPROM имеет ресурс по количеству перезаписи ячеек. Производитель гарантирует 100 000 циклов записи каждой ячейки, по факту это количество зависит от конкретного чипа и температурных условий, независимые тесты показали 3-6 миллионов циклов перезаписи при комнатной температуре до появления первой ошибки, т.е. заявленные 100 000 взяты с очень большим запасом. Но есть небольшое уточнение – при заявленных 100 000 циклах перезаписи гарантируется сохранность записанных данных в течение 100 лет при температуре 24°C, если перезаписывать по миллиону – данные испортятся быстрее. В то же время количество чтений каждой ячейки неограниченно.

EEPROM представляет собой область памяти, состоящую из элементарных ячеек с размером в один байт (как SRAM). Объём EEPROM разный у разных моделей МК:

Основная задача при работе с EEPROM – не напутать с адресами, потому что каждый байт имеет свой адрес. Если вы пишете двухбайтные данные, то они займут два байта, и следующие данные нужно будет писать по адресу как минимум +2 к предыдущему, иначе они “перемешаются”. Рассмотрим пример хранения набора данных разного типа, расположенных в памяти последовательно друг за другом (в скобках я пишу размер текущего типа данных, на размер которого увеличится адрес для следующего “блока”):

Важный момент: все ячейки имеют значение по умолчанию (у нового чипа) 255.

Скорость работы с EEPROM (время не зависит от частоты системного клока):

Возможны искажения при записи данных в EEPROM при слишком низком VCC (напряжении питания), настоятельно рекомендуется использовать BOD или вручную мониторить напряжение перед записью.

При использовании внутреннего тактового генератора на 8 МГц, его отклонение не должно быть выше 10% (7.2-8.8 МГц), иначе запись в EEPROM или FLASH скорее всего будет производиться с ошибками. Соответственно все разгоны внутреннего клока недопустимы при записи EEPROM или FLASH.

Для работы с EEPROM в среде Arduino у нас есть целых две библиотеки, вторая является более удобной “оболочкой” для первой. Рассмотрим их обе, потому что в “чужом скетче” может встретиться всё что угодно, да и совместное использование этих двух библиотек делает работу с EEPROM невероятно удобной.

Библиотека avr/eeprom.h

Запись:

Обновление:

Макросы:

Рассмотрим простой пример, в котором происходит запись и чтение единичных типов данных в разные ячейки:

Точно так же можно хранить массивы:

В библиотеке avr/eeprom.h есть ещё один очень полезный инструмент – EEMEM, он позволяет сделать автоматическую адресацию данных путём создания указателей, значение которым присвоит компилятор. Рассмотрим пример, в котором запишем в EEPROM несколько переменных, структуру и массив, раздав им автоматически адреса. Важный момент! Адреса задаются снизу вверх по порядку объявления EEMEM, я подпишу их в примере:

EEMEM сам раздаёт адреса, основываясь на размере данных. Важный момент: данный подход не занимает дополнительного места в памяти, т.е. нумерация адресов вручную цифрами, без создания EEMEM “переменных”, не занимает меньше памяти! Давайте вернёмся к нашему первому примеру и перепишем его с EEMEM. При указании адреса через EEMEM нужно использовать оператор взятия адреса &

Ну и напоследок, запись и чтение блока через EEMEM. Адрес придётся преобразовать в (const void*) вручную:

Таким образом можно добавлять “данные” для хранения в EEPROM прямо по ходу разработки программы, не думая об адресах. Рекомендую добавлять новые данные над старыми, чтобы адресация не сбивалась (напомню, адресация идёт снизу вверх, начиная с нуля).

Библиотека EEPROM.h

Библиотека EEPROM.h идёт в комплекте с ядром Arduino и является стандартной библиотекой. По сути EEPROM.h – это удобная оболочка для avr/eeprom.h, чуть расширяющая её возможности и упрощающая использование. Важный момент: подключая в скетч EEPROM.h мы автоматически подключаем avr/eeprom.h и можем пользоваться её фишками, такими как EEMEM. Рассмотрим инструменты, которые нам предлагает библиотека:

В отличие от avr/eeprom.h у нас нет отдельных инструментов для работы с конкретными типами данных, отличными от byte, и сделать write/update/read для float/long/int мы не можем. Но зато у нас есть всеядный put/get, который очень удобно использовать! Также можем пользоваться тем, что нам даёт avr/eeprom.h, которая подключается автоматически с EEPROM.h. Рассмотрим пример с чтением/записью байтов:

Гораздо удобнее чем write_block и read_block, не правда ли? Put и get сами преобразовывают типы и сами считают размер блока данных, использовать их очень приятно. Они работают как с массивами, так и со структурами.

EEPROM.h + avr/eeprom.h

Ну и конечно же, можно использовать одновременно все преимущества обеих библиотек, например автоматическую адресацию EEMEM и put/get. Рассмотрим на предыдущем примере, вместо ручного задания адресов используем EEMEM, но величину придётся привести к целочисленному типу, сначала взяв от него адрес, т.е. (int)&адрес_еемем

С возможностями библиотек разобрались, перейдём к практике.

Реальный пример

Рассмотрим пример, в котором происходит следующее: две кнопки управляют яркостью светодиода, подключенного к ШИМ пину. Установленная яркость сохраняется в EEPROM, т.е. при перезапуске устройства будет включена яркость, установленная последний раз. Для опроса кнопок используется библиотека GyverButton. Для начала посмотрите на первоначальную программу, где установленная яркость не сохраняется. Программу можно чуть оптимизировать, но это не является целью данного урока.

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:

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:

Рассмотрим на всё том же примере со светодиодом и кнопками:

Сброс до “заводских”

Скорость

Как я писал выше, скорость работы с EEPROM составляет:

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:

Посмотрим на всё том же примере:

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.

Видео

Источник

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

Персональные инструменты

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

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

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

Ряд других операций, которые поддерживают некоторые EEPROM устройства:

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

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.

Источник

AVR Урок 15. Внутренняя энергонезависимая память EEPROM. Часть 1

Урок 15

Внутренняя энергонезависимая память EEPROM

Я думаю, может не все, но очень многие знают, что в контроллерах AVR помимо основной оперативной памяти, а также памяти для хранения прошивки существует ещё и энергонезависимая память типа EEPROM. Данная память сделана по технологии электрического стирания информации, что в отличие от её предшественника EPROM, в котором стирание производилось только при помощи ультрафиолетовых лучей, позволило использовать данный тип памяти практически повсеместно. Как мы знаем, ещё существует энергонезависимая память типа Flesh, которая стоит намного дешевле, но у которой также есть существенный минус. Там невозможно стереть отдельный байт, стирание производится только блоками, что не совсем удобно в некоторых случаях, особенно когда информации требуется хранить немного, и информация данная представляет собой небольшие настроечные параметры. Поэтому нам стоит также остановиться на данном типе памяти. И причем не только из-за того, что он присутствует в контроллере, а из-за того, что это очень удобно для хранения некоторых величин, которые нужны нам будут даже после того, как контроллер потерял питание.

Так как мы работаем с контроллером Atmega8A, техническую документацию данного МК мы и откроем и увидим там, что всего такой памяти у нас 512 байт. Это тем не менее не так мало. Если мы, например будем какой-нибудь будильник программировать, чтобы данные установки не потерялись после отключения питания, мы вполне можем с вами обратиться к данной памяти. Также в документации написано, что данная память гарантированно переживёт 100000 циклов записи/считывания.

Теперь напрашивается вопрос. Как же организован процесс работы с данной памятью в микроконтроллере AVR? Как всегда, компания Atmel об этом позаботилась и организовала данный процесс на аппаратном уровне, что очень радует потому, что нам постоянно приходится беречь ресурсы контроллера. Для управления данным аппаратным уровнем существуют определенные регистры.

Один из них — регистровая пара EEAR. Почему пара, а потому что 512 адресов не влезут в 8 бит, требуется ещё один

Как именно мы будем адресоваться, мы увидим в процессе программирования EEPROM.

Следующий — регистр данных EADR

В данный регистр мы будем записывать данные для того чтобы записать их в определённый адрес памяти EEPROM, а также чтобы считать их из определённого адреса той же самой памяти.

Ну и как водится, практически ни одна периферия и технология, организованная на аппаратном уровне, не обходится без управляющего регистра. У нас управляющим регистром является регистр EECR

Давайте сразу немного познакомимся с битами данного регистра.

Бит EERE — бит, заставляющий начать процесс чтения из памяти EEPROM. И, как только данные считались и записались в регистр данных, этот бит сбросится. Поэтому мы можем считать даннй бит не только управляющим, но и статусным или битом состояния.

Бит EEWE — бит, установка которого даёт команду контроллеру записать данные из регистра данных в определенный адрес EEPROM. После завершения процедуры записи, данный бит также сбрасывается самостоятельно.

Бит EEMWE — бит, разрешающий (не начинающий) процесс записи.

Бит EERIE — бит, разрешающий прерывания.

Источник

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.

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:

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

В настоящее время широко распространилось название флешка. Это связано с внешними накопителями, предназначенными для переноски данных с одного компьютера на другой. В составе подобного устройства основной элемент, это FLASH-ПЗУ. Именно в него записывает данные, полученные по USB-интерфейсу контроллер FLASH памяти. Ну, и считывает, конечно. Фотография печатной платы USB флешки без корпуса приведена на рисунке 11.

Рисунок 11. Внутреннее устройство флешки

Именно микроконтроллер формирует сигналы, временные диаграммы которых показаны на рисунке 10, которые необходимы для работы микросхемы FLASH-ПЗУ.

Дата последнего обновления файла 04.08.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)» читают:

Источник