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科普知識
數(shù)據(jù)分類:
計數(shù)器

嵌入式系統(tǒng)中非易失、不可復(fù)位計數(shù)器的實現(xiàn)

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:73

    出于質(zhì)保原因,希望能夠?qū)μ囟ǖ氖录M行計數(shù),例如上電次數(shù)、工作時間、硬(按鈕)復(fù)位和超時。盡管數(shù)字計數(shù)器很容易搭建,但使其做到非易失、不可復(fù)位并非輕而易舉。本文介紹如何利用常見串行EEPROM的EPROM仿真模式及編碼機制解決這一問題。

    設(shè)計目標

    有些應(yīng)用中,考慮到質(zhì)保期的要求,希望能夠?qū)μ囟ǖ氖录M行計數(shù)和記錄,例如上電次數(shù)、工作時間、硬(按鈕)復(fù)位和超時。傳統(tǒng)的電子計數(shù)器通常由雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器組成,采用二進制編碼,如圖1所示。當全部觸發(fā)器復(fù)位時,則達到最大計數(shù)值,計數(shù)器規(guī)模由核查期限內(nèi)允許發(fā)生某些事件的最大次數(shù)決定。

    圖1.二進制碼中,下一位比上一位位值翻倍。

    定位需求

    盡管基于觸發(fā)器的計數(shù)器很容易搭建,但它存在一個缺點。當達到計數(shù)限值時,計數(shù)器反轉(zhuǎn)為零(自動復(fù)位)。工作狀態(tài)也是易失的——需要電源維持其計數(shù)狀態(tài)。第一個問題可通過達到限值時凍結(jié)計數(shù)器解決;也可以通過安裝電池維持計數(shù)器的供電,從而解決第二個問題。但這些措施在實際應(yīng)用中可能無法接受,因為增加了成本,且工作時間有限。

    一種替代方案是:將計數(shù)值備份在EEPROM或其它形式的非易失(NV)存儲器中。下次上電時,將該NV存儲器中儲存的數(shù)值加載到計數(shù)器。然而,除非NV存儲器嵌入另一個芯片,例如微控制器或FPGA,否則存儲器內(nèi)容并不安全,因為存儲器芯片很容易拆除、重新編程(復(fù)位),然后重新安裝到電路板上。因此,這種方法不滿足不可復(fù)位的要求。

    傳統(tǒng)設(shè)計

    EPROM是另一種不需要電池的非易失存儲器。EPROM在上世紀70年代隨著微處理器的出現(xiàn)得到廣泛使用。出廠時,EPROM的全部字節(jié)為FFh。通過將某一位從1(擦除)置為0(編程)來儲存數(shù)據(jù);編程需要12V至13V脈沖電壓。加載新數(shù)據(jù)之前,必須用高強度紫外線通過封裝上的窗口照射芯片,從而擦除整個存儲器。一次性編程(OTP)EPROM器件沒有窗口,因此不可擦除。由于這些不便之處,EPROM的主導(dǎo)地位逐漸被EEPROM和高密度閃存所取代,后兩者的工作和編程電壓為5V或更低。雖然如此,將OTPEPROM一次可編程(1至0)及不可擦除的特點與現(xiàn)代EEPROM技術(shù)相結(jié)合,能夠得到EPROM仿真模式的新特性。EPROM仿真模式是實現(xiàn)非易失、不可復(fù)位計數(shù)器的關(guān)鍵技術(shù)。

    EPROM仿真模式

    串口EEPROM的一個常用功能是充當寫入頁的緩存器,能夠一次編程整個存儲器頁。收到寫命令時,系統(tǒng)自動裝載包含尋址存儲器數(shù)據(jù)的頁緩存器內(nèi)容。對于EPROM仿真模式,按照移位寄存器寫緩存器(圖2)。輸入新數(shù)據(jù)(D-IN)送到一個“與”門,在進入緩存器(S-IN)之前將其與緩存器數(shù)據(jù)(S-OUT)相組合。因此,“與”門確保存儲器位在置為0后不會變?yōu)?。經(jīng)過一個完整的頁操作周期后,緩存器的數(shù)據(jù)再次與存儲器頁中的數(shù)據(jù)對齊。隨后可以開始一個寫周期,將整個緩存器內(nèi)容復(fù)制到非易失EEPROM。

    圖2.EPROM仿真將新數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)位相“與”,寫回到存儲器。

    EPROM計數(shù)

    由于EPROM位只能在一個方向改變,不支持傳統(tǒng)的計數(shù)器設(shè)計思路,而是將整個存儲器陣列視為一個n位的單體。初始狀態(tài)下,n位存儲單元均未編程(為1)。為了對事件計數(shù),必須將未編程的位更改為0??梢院唵蔚仉S機選擇下一個編程位,但圖3所示方法更容易實現(xiàn)。該方法從最低有效位開始依次計數(shù),直到對一個字節(jié)的所有位進行編程。然后再逐位編程下一個字節(jié),依此循環(huán)。EPROM仿真模式下,1024位存儲器芯片可以對1024個事件計數(shù)。

    圖3.EPROM計數(shù)要求對每一位設(shè)置相同值。

    支持EPROM仿真模式的芯片

    盡管EPROM仿真模式容易實現(xiàn),但在本文發(fā)表時只有Maxim提供此類產(chǎn)品,提供存儲容量為1Kb(DS2431、DS28CN01和DS28E01)和20Kb(DS28EC20)的存儲器件,所有這些芯片都帶有唯一序列號。除DS2431和DS28EC20外,具有EPROM仿真模式的產(chǎn)品均為安全存儲器;只有產(chǎn)生器件密鑰信息認證碼的主控制器才擁有寫權(quán)限。

    流程圖

    以DS2431存儲器芯片為例說明,將其存儲器頁0配置為在EPROM仿真模式下實現(xiàn)256位計數(shù)。采用64位中間結(jié)果存儲器作為中間存儲器,能夠以8字節(jié)數(shù)據(jù)塊更新32字節(jié)頁。圖4所示算法檢測第一個具有未編程位的數(shù)據(jù)塊,遞增計數(shù)值,然后將數(shù)據(jù)塊寫回EEPROM。

    圖4.該算法遞增32字節(jié)存儲器頁的計數(shù)器。

    結(jié)論

    具有EPROM仿真模式的EEPROM是實現(xiàn)非易失、不可復(fù)位計數(shù)器的首選產(chǎn)品。存儲器芯片的序列號可以用來檢測篡改操作——即用較低計數(shù)值的芯片代替合法存儲器芯片的動作。為防止未經(jīng)授權(quán)增大計數(shù)值,應(yīng)采用需要消息認證碼才允許寫操作的安全存儲器。

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