FM3164/FM31256：集成F - RAM的處理器伴侶芯片深度剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，一款功能強大且高度集成的芯片往往能為項目帶來諸多便利。今天，我們就來深入探討Cypress（現(xiàn)屬Infineon）的FM3164/FM31256芯片，它是一款64 - Kbit/256 - Kbit集成處理器伴侶芯片，集成了F - RAM，具備多種實用功能。

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芯片概述

FM3164/FM31256將串行非易失性RAM、實時時鐘（RTC）和處理器伴侶功能集成于一體。其處理器伴侶部分是一個高度集成的外設(shè)，包含處理器監(jiān)控器、用于早期電源故障警告的比較器、非易失性事件計數(shù)器以及64位序列號等。從系統(tǒng)角度看，它就像兩個具有唯一ID的獨立設(shè)備，一個是內(nèi)存設(shè)備，另一個是包含實時時鐘和其他功能的伴侶設(shè)備。

芯片特性亮點

F - RAM內(nèi)存特性

• 大容量與高耐用性：提供64 - Kbit/256 - Kbit的鐵電隨機存取存儲器（F - RAM），邏輯組織為8K × 8（FM3164）/32K × 8（FM31256）。具有高達100萬億（(10^{14})）次的讀寫耐力，數(shù)據(jù)可保留151年，無需電池備份即可真正實現(xiàn)非易失性存儲，避免了其他非易失性存儲器帶來的復(fù)雜性和系統(tǒng)級可靠性問題。
• 無延遲寫入：采用NoDelay?寫入技術(shù)，讀寫速度與(I^{2}C)總線速度相同，寫入操作無延遲，相比EEPROM，其寫入周期多出1億倍。
• 軟件寫保護：可通過軟件對內(nèi)存陣列進行寫保護，由處理器伴侶區(qū)域的兩個位（WP1、WP0）控制保護設(shè)置，根據(jù)設(shè)置不同，可對不同范圍的地址進行寫保護。

高集成功能

• 實時時鐘（RTC）：以BCD格式提供時間和日期信息，可由外部備份電壓源（電池或電容器）永久供電。使用常見的32.768 kHz晶體（6 pF），具備軟件校準功能，能精確調(diào)整計時精度。
• 處理器伴侶功能：包含低(V_{DD})復(fù)位、可編程看門狗定時器、電池備份事件計數(shù)器、用于早期電源故障檢測的比較器以及64位序列號等功能。
  • 低(V_{DD})復(fù)位：當(dāng)(V{DD})低于可編程閾值時，復(fù)位引腳（RST）將被拉低，在(V{DD})上升到閾值以上后，RST將保持低電平至少100 ms，確保系統(tǒng)在可靠的(V_{DD})水平下進行復(fù)位。
  • 可編程看門狗定時器：可通過5位非易失性寄存器將超時時間從100 ms編程到3秒，以100 ms為增量。當(dāng)看門狗定時器啟用且超時未重啟時，將驅(qū)動RST信號有效。
  • 事件計數(shù)器：提供兩個電池備份事件計數(shù)器，輸入引腳CNT1和CNT2為可編程邊緣檢測器，每個時鐘對應(yīng)一個16位計數(shù)器?？赏ㄟ^設(shè)置相關(guān)控制位實現(xiàn)計數(shù)器的級聯(lián)，形成一個32位計數(shù)器。
  • 64位序列號：提供一個可寫入64位序列號的內(nèi)存位置，用戶設(shè)置序列號后可將其鎖定，鎖定后值不可更改，但仍可讀取。

其他特性

• 快速(I^{2}C)接口：支持高達1 - MHz的頻率，同時支持100 kHz和400 kHz的傳統(tǒng)時序。RTC和監(jiān)控器通過(I^{2}C)接口控制，設(shè)備選擇引腳可支持多達4個內(nèi)存設(shè)備。
• 低功耗：1 MHz時的活動電流為1.5 mA，待機電流為150 μA。
• 寬工作電壓和溫度范圍：工作電壓為(V_{DD}=2.7 ~V)至5.5 V，工業(yè)溫度范圍為–40 °C至 + 85 °C。
• 封裝與環(huán)保：采用14引腳小外形集成電路（SOIC）封裝，符合有害物質(zhì)限制（RoHS）標(biāo)準。

功能詳細解析

引腳定義

芯片的引腳定義明確，每個引腳都有其特定的功能。例如，A1 - A0用于設(shè)備選擇地址，SDA和SCL是(I^{2}C)接口的串行數(shù)據(jù)/地址和串行時鐘引腳，CNT1和CNT2是事件計數(shù)器輸入引腳，X1和X2用于連接32.768 kHz晶體等。在設(shè)計電路時，需要根據(jù)引腳功能合理連接，確保芯片正常工作。

內(nèi)存架構(gòu)

FM3164/FM31256采用兩字節(jié)尋址方式，與獨立內(nèi)存設(shè)備軟件兼容。內(nèi)存陣列基于F - RAM技術(shù)，可像RAM一樣進行讀寫操作，且寫入無延遲。通過軟件可對內(nèi)存進行寫保護，根據(jù)WP1和WP0的設(shè)置，可對不同范圍的地址進行保護。

實時時鐘操作

RTC由振蕩器、時鐘分頻器和寄存器系統(tǒng)組成，可提供秒級分辨率的時間信息。通過設(shè)置R和W位，可實現(xiàn)時間的讀取和寫入操作。在讀取時間時，將R位從‘0’設(shè)置為‘1’，可將時間信息從核心傳輸?shù)接脩艏拇嫫?；在寫入時間時，將W位設(shè)置為‘1’可鎖定用戶寄存器，清除為‘0’時將用戶寄存器的值加載到時間計數(shù)器中。

處理器監(jiān)控器

處理器監(jiān)控器提供電源故障檢測和看門狗定時器功能。當(dāng)(V_{DD})低于編程的跳閘點時，RST引腳將被拉低，確保系統(tǒng)在電源故障或軟件鎖定時進行復(fù)位?？撮T狗定時器可通過軟件編程設(shè)置超時時間，當(dāng)定時器超時且未重啟時，將驅(qū)動RST信號有效。

早期電源故障比較器

比較器可用于創(chuàng)建電源故障中斷（NMI），將PFI引腳連接到未調(diào)節(jié)的電源，通過與板載1.2 V參考電壓比較，當(dāng)PFI輸入電壓低于閾值時，CAL/PFO引腳將被拉低。該比較器具有100 mV（最大）的滯后，可減少噪聲敏感性。

事件計數(shù)器

芯片提供兩個電池備份事件計數(shù)器，CNT1和CNT2輸入引腳可檢測上升或下降沿，計數(shù)器值存儲在相應(yīng)的寄存器中。通過設(shè)置控制位，可實現(xiàn)計數(shù)器的級聯(lián)和極性設(shè)置。

序列號

64位序列號存儲在特定的寄存器中，用戶可寫入序列號并鎖定，鎖定后序列號不可更改，但系統(tǒng)仍可讀取。

(I^{2}C)接口通信

FM3164/FM31256采用行業(yè)標(biāo)準的(I^{2}C)總線，包含兩個邏輯設(shè)備，每個設(shè)備有獨立的從地址。通信過程由START、STOP、數(shù)據(jù)位和確認等狀態(tài)控制。在數(shù)據(jù)傳輸時，SCL信號為高時進行數(shù)據(jù)/地址傳輸，SDA信號在SCL為高時應(yīng)保持穩(wěn)定。確認操作在第8位數(shù)據(jù)傳輸后進行，接收器通過拉低SDA信號表示確認。

內(nèi)存操作

• 寫入操作：寫入操作從發(fā)送從地址和內(nèi)存地址開始，總線主設(shè)備將數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送到內(nèi)存，內(nèi)存生成確認條件。F - RAM寫入無有效延遲，寫入操作完成后可立即進行其他操作。
• 讀取操作：分為當(dāng)前地址讀取和選擇性地址讀取。當(dāng)前地址讀取使用內(nèi)部地址鎖存器提供的地址，可進行順序讀取；選擇性地址讀取通過先進行寫入操作設(shè)置內(nèi)部地址，然后進行讀取操作。

RTC/伴侶操作

RTC和伴侶的讀寫操作與內(nèi)存操作類似，但使用不同的設(shè)備ID，且只需要一個字節(jié)的地址。

電氣特性與參數(shù)

最大額定值

芯片有一系列最大額定值限制，如溫度、直流輸出電流、靜電放電電壓等。超過這些額定值可能會縮短芯片的使用壽命。

工作范圍

工作溫度范圍為–40 °C至 + 85 °C，工作電壓為2.7 V至5.5 V。

直流電氣特性

包括電源電壓、平均(V_{DD})電流、待機電流、RTC備份電壓和電流等參數(shù)，這些參數(shù)在不同的測試條件下有不同的取值。

數(shù)據(jù)保留和耐力

在不同溫度下，數(shù)據(jù)保留時間不同，最高可達151年。讀寫耐力高達(10^{14})次循環(huán)。

電容和熱阻

輸入/輸出引腳電容和晶體引腳電容有相應(yīng)的典型值和最大值，熱阻參數(shù)也有明確規(guī)定。

交流測試條件和開關(guān)特性

規(guī)定了輸入脈沖電平、上升和下降時間、輸入和輸出定時參考電平、輸出負載電容等測試條件，以及(SCL)時鐘頻率、啟動和停止條件設(shè)置時間、時鐘高低電平周期等開關(guān)特性參數(shù)。

設(shè)計建議

布局建議

為減少RTC時鐘誤差，X1和X2晶體引腳周圍應(yīng)放置接地的保護環(huán)，SDA和SCL走線應(yīng)遠離X1/X2焊盤，X1和X2走線長度應(yīng)小于5 mm，建議使用背面或內(nèi)層的接地平面。

備份電源

實時時鐘和日歷應(yīng)永久供電，當(dāng)(V{DD})低于2.5 V時，RTC和事件計數(shù)器將切換到(V{BAK})備份電源。(V_{BAK})引腳可提供涓流充電電流，方便使用電容器備份。

校準

通過設(shè)置寄存器00h中的CAL位為‘1’，時鐘進入校準模式，CAL/PFO輸出引腳將輸出512 Hz方波。根據(jù)測量的頻率誤差，將相應(yīng)的校正值寫入校準寄存器，可實現(xiàn)高精度計時。

總結(jié)

FM3164/FM31256芯片以其高度集成的功能、高性能的F - RAM內(nèi)存、可靠的實時時鐘和處理器伴侶功能，為電子工程師提供了一個強大的解決方案。在設(shè)計過程中，我們需要充分了解芯片的特性和參數(shù)，合理布局電路，確保芯片在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，對于芯片的使用，也需要遵循相關(guān)的安全和規(guī)范要求，避免出現(xiàn)不必要的問題。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。