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1、功能概述
FM25xxx FRAM存储器…在我们的项目中时常会有参数或数据需要保存。铁电存储器的优良性能和操作方便常常被我们选用。FM25xxx FRAM存储器就是我们经常使用到的一系列铁电存储器这一篇我们将讨论FM25xxx FRAM存储器的驱动设计、实现及使用。
1、功能概述
FM25xxx FRAM存储器是非易失性存储器采用了先进的铁电存储。铁电随机存取存储器或F-RAM是非易失性的其读写操作与RAM类似。它提供了151年的可靠数据保留同时消除了由串行闪存、EEPROM和其他非易失性存储器引起的复杂性、开销和系统级可靠性问题。
1.1、硬件描述
FM25xxx系列FRAM存储器拥有从4K到1M的各种容量。虽然不同型号的FM25xxx系列FRAM存储器内部存储矩阵存在差异但都采用了相同的封装和引脚排布。具体的引脚分布如下图 FM25xxx FRAM存储器的CS信号低电平有效就是说CS信号处于低电平时该设备被选中。当CS信号处于高电平时设备进入低功耗待机模式忽略其他输入并对输出进行测试。当CS信号处于低电平时设备内部激活SCK信号。CS的下降沿必须在每个操作码之前出现。
FM25xxx FRAM存储器的WP引脚低电平有效。当WPEN设置为“1”时WP信号低电平可以防止对状态寄存器的写操作。这很重要因为其他写保护特性是通过状态寄存器控制的。如果不使用此引脚则必须将其连接到VDD。在FM25040中WP引脚可以阻止对部件的所有写操作。
当主机CPU必须中断另一个任务的内存操作时使用HOLD引脚。HOLD引脚处于低电平时当前操作暂停。设备忽略SCK或CS上的任何转换。所有等待的转换必须在SCK低的时候发生。如果不使用此引脚则必须将其连接到VDD。
FM25xxx FRAM存储器与串行闪存和EEPROM不同以总线速度执行写操作不存在写延迟。数据在每个字节成功传输到设备后立即写入内存数组。下一个总线周期可在不需要进行数据轮询的情况下开始。此外与其他非易失性存储器相比FM25xxx FRAM存储器具有较强的写持久性。FM25xxx FRAM存储器能够支持1014个读/写周期或比EEPROM多1亿倍的写周期。
这些功能使FM25xxx FRAM存储器非常适合需要频繁或快速写入的非易失性内存应用程序。从数据采集写入周期的数量可能至关重要到要求工业控制串行闪存或EEPROM的长写入时间可能导致数据丢失。FM25xxx FRAM存储器采用高速SPI总线提高了F-RAM技术的高速写入能力。
1.2、通讯接口
FM25xxx FRAM存储器采用SPI通讯接口。FM25xxx FRAM存储器由主机控制器通常称为SPI主机发送的一组指令控制。与FM25xxx FRAM存储器的通信必须由SPI主设备如微控制器发起。SPI主设备必须在串行数据时钟SCK引脚上为FM25xxx FRAM存储器生成串行时钟。FM25xxx FRAM存储器总是作为一个从属操作因为SCK总是一个输入。主机与FM25xxx FRAM存储器通讯的拓扑图如下所示 FM25xxx FRAM存储器是一个SPI从设备运行速度高达20 MHz。这种高速串行总线为SPI主机提供高性能的串行通信。许多常见的微控制器有硬件SPI端口允许直接接口。使用普通的端口引脚来模拟端口是非常简单的因为微控制器不需要。FM25xxx FRAM存储器支持SPI模式00 0和SPI模式31 1。
1.3、操作模式
FM25xxx FRAM存储器被设计成直接与同步串行外围接口SPI接口。FM25xxx FRAM存储器使用一个8位指令寄存器。所有的指令、地址和数据首先由高位开始传送然后由高到低依次进行。指令列表及其操作代码如下 从上表我们知道除了操作存储区域外还可以操作状态寄存器。FM25xxx FRAM存储器包括一个8位状态寄存器。状态寄存器位调节设备的各种特性。这些位可以通过指令进行更改。具体的结构如下 状态寄存器除了反应当前的状态外实际上有些位还有配置功能。关于致谢为的属性及具体含义如下 通过写状态寄存器WRSR指令可以配置写保护使能和写保护的区域。块写保护位(BP1、BP0)决定了存储阵列的写保护区域。两位决定了阵列保护的四个级别分别是没有一个内存阵列被保护上四分之一地址范围内存阵列被保护上半部分地址范围内存阵列被保护所有的内存阵列都是写保护的这意味着所有的地址位都是只读的。块写保护级别和相应的状态寄存器控制位关系如下 而写保护使能 (WPEN)位用于启用或禁用写保护 (WP) 引脚。当WPEN位设置为逻辑“0”时写入EEPROM数组的能力取决于块写保护(BP1、BP0)位的值。写入状态寄存器的权限是由WEL位控制的。当WPEN位设置为逻辑“1”时状态寄存器是只读的。当WP引脚低且WPEN位设置为逻辑“1”时硬件写保护就启用了。当设备被硬件写保护时对状态寄存器的写操作包括块写保护、WEL和WPEN位以及对块写保护位所选择的内存阵列中的段的写操作被禁用。当启用硬件写保护时只允许对未受块保护的内存段进行写。当WP引脚为高电平或WPEN位逻辑为“0”时硬件写保护被禁用。当硬件写保护被禁用时只允许对未被块保护的内存段进行写。当WPEN位被硬件写保护时只要WP引脚保持低它就不能被设置回逻辑“0”。写保护的关系如下所示 FM25xxx FRAM存储器拥有从4K到1M的不同容量寻址范围的不同所需的地址为数据不相同。地址位数根据容量从8位到17位不等分别对应1到3个字节。具体的容量与地址位关系如下 需要注意的是4K512x8容量的FM25xxx FRAM存储器需要9为地址但在实际操作时只用了1个字节来装载地址最高位第9位地址借用了操作码的第4位来传送。
2、驱动设计与实现
我们已经了解了FM25xxx FRAM存储器的通讯接口、存储格式等再次基础上我们将设计并实现FM25xxx FRAM存储器的驱动程序。
2.1、对象的定义
在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要FM25xxx FRAM存储器就需要先定义FM25xxx FRAM存储器的对象。
2.1.1、对象的抽象
我们要得到FM25xxx FRAM存储器对象需要先分析其基本特性。一般来说一个对象至少包含两方面的特性属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下FM25xxx FRAM存储器的对象。
先来考虑属性作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑FM25xxx FRAM存储器对象属性。首先每一个FM25xxx FRAM存储器都有一个状态寄存器该状态寄存器指示了写保护的控制和状态信息所以我们将其作为对象的属性以标识FM25xxx FRAM存储器的状态。因为不同型号的FM25xxx FRAM存储器拥有不同的存储容量及寻址范围为了区分不同设备和地址宽度我们将设备类型及数据地址的长度均作为对象的属性。
接着我们还需要考虑FM25xxx FRAM存储器对象的操作问题。我们要对FM25xxx FRAM存储器进行读写但读写都需要同过具体的SPI接口进行这依赖于具体的硬件平台所以我们将针对SPI端口的读写作为对象的操作。FM25xxx FRAM存储器还有一个写保护引脚用于设置内部存储器的写保护问题有一个片选信号应交用于选中操作设备有一个Hold引脚用于操作控制这些引脚的信号改变同样依赖于硬件平台来实现所以我们也将它们作为对象的操作。在进行相关操作时我们需要控制时序则需要使用延时操作但延时处理总是依赖于具体的软硬件平台所以我们将延时处理作为对象的操作。
根据上述我们对FM25xxx FRAM存储器的分析我们可以定义FM25xxx FRAM存储器的对象类型如下
/* 定义FM25C对象类型 */
typedef struct FM25Object {uint8_t status; //状态寄存器FM25ModeType mode; //设备类型FM25MemAddLengthType memAddLength; //寄存器地址长度void (*Read)(uint8_t *rData,uint16_t rSize); //读数据操作指针void (*Write)(uint8_t *wData,uint16_t wSize); //写数据操作指针void (*WP)(FM25WPType wp); //写保护操作void (*ChipSelect)(FM25CSType cs); //片选信号void (*Hold)(FM25HoldType hold); //保持信号void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //延时操作指针
}FM25ObjectType;
2.1.2、对象初始化
我们知道一个对象仅作声明是不能使用的我们需要先对其进行初始化所以这里我们来考虑FM25xxx FRAM存储器对象的初始化函数。一般来说初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理二是为对象的属性赋初值三是对对象作必要的初始化配置。据此我们设计FM25xxx FRAM存储器对象的初始化函数如下
/*FM25对象初始化*/
void Fm25cxxInitialization(FM25ObjectType *fram, //FM25xxx对象实体FM25ModeType mode, //设备类型Fm25Read read, //读FM25xxx对象操作指针Fm25Write write, //写FM25xxx对象操作指针Fm25Delayms delayms, //延时操作指针Fm25WP wp, //写保护操作函数指针Fm25ChipSelect cs, //片选信号函数指针Fm25Hold hold //保持信号操作函数指针)
{if((framNULL)||(readNULL)||(writeNULL)||(delaymsNULL)){return;}fram-Readread;fram-Writewrite;fram-Delaymsdelayms;if(cs!NULL){fram-ChipSelectcs;}else{fram-ChipSelectFM25ChipSelectDefault;}if(modeFM25Number){return;}fram-modemode;if(modeFM25C160B){fram-memAddLengthFM258BitMemAdd;}else if(modeFM25V10){fram-memAddLengthFM2516BitMemAdd;}else{fram-memAddLengthFM2524BitMemAdd;}ReadStatusForFM25xxx(fram);//写允许SetWriteEnableLatchForFM25xxx(fram);uint8_t cmd;//使能写保护保护全部区域cmdfram-status|FM25_WPEN|FM25_BPALL;WriteStatusForFM25xx(fram,cmd);ReadStatusForFM25xxx(fram);
}
2.2、写使能操作
我们已经完成了FM25xxx FRAM存储器对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息接下来我们还要实现面向FM25xxx FRAM存储器的各类操作。
2.2.1、设置写使能锁存器
FM25xxx FRAM存储器在启动后写操作是被禁用的。发送WREN操作码允许用户为写操作发出后续操作码。这包括写入状态寄存器WRSR和写入内存WRITE。发送WREN操作码会导致设置内部写启用锁存器。状态寄存器中的标志位WEL表示锁存器的状态。WEL “1”表示允许写操作。经过WRDI、WRSR或写操作后WEL位将自动清除这可以防止在没有其他WREN命令的情况下进一步写入状态寄存器或F-RAM存储阵列。WREN命令总线时序如下所示 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器设置写使能锁存器的程序如下
/* 设置写使能所存器*/
void SetWriteEnableLatchForFM25xxx(FM25ObjectType *fram)
{uint8_t opCodeFM25_WREN;fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(opCode,1);fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);ReadStatusForFM25xxx(fram);
}
2.2.2、复位写使能锁存器
WRDI命令通过清除写使能锁存器禁用所有写活动。用户可以通过读取状态寄存器中的WEL位并验证WEL是否等于“ 0”来确认写操作是否被禁用。WRDI命令总线时序如下所示 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器复位写使能锁存器的程序如下
/* 复位写使能所存器*/
void ResetWriteEnableLatchForFM25xxx(FM25ObjectType *fram)
{uint8_t opCodeFM25_WRDI;fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(opCode,1);fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);ReadStatusForFM25xxx(fram);
}
2.3、操作状态寄存器
FM25Cxx系列存储器的状态寄存器不只是用来指示状态还用于配置写保护。写状态寄存器受到WEL、WPEN、WP三重写保护具体可见前面的写保护限制图。
2.3.1、读状态寄存器
RDSR命令可以通过总线获取状态寄存器的内容。读取状态寄存器提供有关写保护特性的当前状态的信息。按照RDSR操作码FM25Cxx系列存储器将返回一个包含状态寄存器内容的字节。RDSR命令的总线时序如下 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器读状态寄存器的程序如下
/*读FM25xxx状态寄存器*/
void ReadStatusForFM25xxx(FM25ObjectType *fram)
{uint8_t opCodeFM25_RDSR;uint8_t status;fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(opCode,1);fram-Delayms(1);fram-Read(status,1);fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-statusstatus;
}
2.3.2、写状态寄存器
WRSR命令允许SPI总线主写入状态寄存器并根据需要设置WPEN、BP0和BP1位从而更改写保护配置。在发出WRSR命令之前WP引脚必须处于高电平或非活动状态。在发送WRSR命令之前用户必须发送一个WREN命令来启用写操作。执行WRSR命令是一个写操作因此清除写启用锁存器。WRSR命令的总线时序如下 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器写状态寄存器的程序如下
/*写FM25xxx状态寄存器*/
void WriteStatusForFM25xx(FM25ObjectType *fram,uint8_t cmd)
{uint8_t data[2];data[0]FM25_WRSR;data[1]cmd;if(((fram-status)0x02)!0x02){SetWriteEnableLatchForFM25xxx(fram);}if((((fram-status)FM25_WPEN)!FM25_WPEN)(fram-WP!NULL)){fram-WP(FM25WP_Disable);}fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(data,2);fram-ChipSelect(FM25CS_Disable);ReadStatusForFM25xxx(fram);if(fram-WP!NULL){fram-WP(FM25WP_Enable);}
}
状态寄存器中的写保护启用位WPEN控制硬件写保护WP引脚的效果。当WPEN位设置为“0”时WP引脚的状态将被忽略。当WPEN位设置为“1”时WP引脚上的一个低电平信号会阻止对状态寄存器的写入。因此只有当WPEN “1”和WP “0”时才写保护状态寄存器。
2.4、操作存储数据
FM25xxx FRAM存储器的SPI接口具有很高的时钟频率突出了F-RAM技术的快速写入能力。与串行闪存和EEPROM不同FM25xxx FRAM存储器可以以总线速度执行顺序写入可以执行任意数量的顺序写操作。
2.4.1、写数据操作
FM25xxx FRAM存储器所有对内存的写入都以WREN操作码开始。写入操作码之后是一个存储地址不同容量因寻址范围不同地址的为数也不相同。后续字节是按顺序写入的数据字节。只要总线主机继续发出时钟并将CS信号保持在低电平地址就会在内部递增。如果到达最后一个地址计数器将滚动到0x0000。写数据操作命令的总线时序如下 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器写数据存储器的程序如下
/*向FM25xxx写入数据*/
void WriteBytesToFM25xxx(FM25ObjectType *fram,uint32_t regAddress,uint8_t *wData,uint16_t wSize)
{uint8_t data[wSize4];uint8_t temp;uint16_t index0;data[index]FM25_WRITE;if(fram-memAddLengthFM258BitMemAdd){data[index](uint8_t)regAddress;if((fram-modeFM25L04B)||(fram-modeFM25040B)){temp(uint8_t)(regAddress8);data[0]|((temp0x01)3);}}else if(fram-memAddLengthFM2516BitMemAdd){data[index](uint8_t)(regAddress8);data[index](uint8_t)regAddress;}else{data[index](uint8_t)(regAddress16);data[index](uint8_t)(regAddress8);data[index](uint8_t)regAddress;}for(int i;iwSize;i){data[index]wData[i];}if(((fram-status)0x02)!0x02){SetWriteEnableLatchForFM25xxx(fram);}if(((fram-status)0x0C)!0x00){WriteStatusForFM25xx(fram,fram-status|FM25_BPNONE);}fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(data,index);fram-ChipSelect(FM25CS_Disable);WriteStatusForFM25xx(fram,fram-status|FM25_BPALL);
}
2.4.2、读数据操作
在FM25xxx FRAM存储器的CS信号为低电平时总线控制器可以发出一个读操作码。READ命令后面是一个存储地址包含READ操作的第一个字节的地址。当操作码和地址发出后设备将在接下来的8个时钟上读出数据。在读取数据字节期间忽略信息输入。后续字节是按顺序读出的数据字节只要总线时钟存在且CS信号为低电平地址就会在内部递增。如果到达最后一个地址计数器将滚动到0x0000。读数据操作命令的总线时序如下 根据上述时序图我们可以设计FM25xxx FRAM存储器读数据存储器的程序如下
/*从FM25xxx读取数据*/
void ReadBytesFromFM25xxx(FM25ObjectType *fram,uint32_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{uint8_t data[4];uint16_t index0;uint8_t temp;uint16_t size0;data[index]FM25_READ;if(fram-memAddLengthFM258BitMemAdd){data[index](uint8_t)regAddress;if((fram-modeFM25L04B)||(fram-modeFM25040B)){temp(uint8_t)(regAddress8);data[0]|((temp0x01)3);}}else if(fram-memAddLengthFM2516BitMemAdd){data[index](uint8_t)(regAddress8);data[index](uint8_t)regAddress;}else{data[index](uint8_t)(regAddress16);data[index](uint8_t)(regAddress8);data[index](uint8_t)regAddress;}fram-ChipSelect(FM25CS_Enable);fram-Write(data,index);fram-Delayms(1);fram-Read(rData,rSize);fram-ChipSelect(FM25CS_Disable);
}
3、驱动的使用
我们设计了FM25xxx FRAM存储器的驱动程序这个驱动程序是否能够按我们的期望有效工作呢我们需要验证一下下面我们将设计一个验证驱动的简单应用。
3.1、声明并初始化对象
使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象所以我们先要使用前面定义的FM25xxx FRAM存储器对象类型声明一个FM25xxx FRAM存储器对象变量具体操作格式如下
FM25ObjectType fm25;
声明了这个对象变量并不能立即使用我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下
FM25ObjectType *framFM25xxx对象实体
FM25ModeType mode设备类型
Fm25Read read读FM25xxx对象操作指针
Fm25Write write写FM25xxx对象操作指针
Fm25Delayms delayms延时操作指针
Fm25WP wp写保护操作函数指针
Fm25ChipSelect cs片选信号函数指针
Fm25Hold hold保持信号操作函数指针
对于这些参数对象变量我们已经定义了。而设备类型为枚举根据实际使用设备情况选择就好了。主要的是我们需要定义几个函数并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下
/* 定义读数据操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25Read)(uint8_t *rData,uint16_t rSize);/* 定义写数据操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25Write)(uint8_t *wData,uint16_t wSize);/* 定义延时操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25Delayms)(volatile uint32_t nTime);/* 定义写保护操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25WP)(FM25WPType wp);/* 定义片选操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25ChipSelect)(FM25CSType cs);/* 定义保持操作函数指针类型 */
typedef void (*Fm25Hold)(FM25HoldType hold);
对于这几个函数我们根据样式定义就可以了具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下
/*读FM25寄存器值*/
static void ReadDataFromFM25(uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{HAL_SPI_Receive (fm25hspi,rData,rSize,1000);
}/*写FM25寄存器值*/
static void WriteDataToFM25(uint8_t *wData,uint16_t wSize)
{HAL_SPI_Transmit (fm25hspi,wData,wSize,1000);
}/*片选操作*/
void ChipSelectForFM25(FM25CSType cs)
{if(csFM25CS_Enable){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_RESET);}else{HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET);}
}/*写保护操作*/
void WriteProtectedForFM25(FM25WPType wp)
{if(wpFM25WP_Enable){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);}else{HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);}
}/*保持信号操作*/
void HoldForFM25(FM25HoldType hold)
{if(holdFM25Hold_Enable){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);}else{HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_SET);}
}
对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下
Fm25cxxInitialization(fm25, //FM25xxx对象实体FM25V10, //设备类型ReadDataFromFM25, //读FM25xxx对象操作指针WriteDataToFM25, //写FM25xxx对象操作指针HAL_Delay, //延时操作指针WriteProtectedForFM25, //写保护操作函数指针ChipSelectForFM25, //片选信号函数指针HoldForFM25 //保持信号操作函数指针);
3.2、基于对象进行操作
我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。
/*FM25XXX数据读写操作*/
void FM25ReadWriteData(void)
{uint16_t regAddress0x02;uint8_t readByte;uint8_t writeByte0x0A;uint8_t rData[2];uint16_t rSize2;uint8_t wData[]{0x5A,0xA5};uint16_t wSize2;/*从FM25XXX读取单个字节,从随机地址读取*/readByteReadByteFromFM25xxx(fm25,regAddress);/*向FM25XXX写入单个字节*/WriteByteToFM25xxx(fm25,regAddress,writeByte);/*从FM25XXX读取多个字节从指定地址最多到所在页的结尾*/ReadBytesFromFM25xxx(fm25,regAddress,rData,rSize);/*向FM25XXX写入多个字节从指定地址最多到所在页的结尾*/WriteBytesToFM25xxx(fm25,regAddress,wData,wSize);
}
4、应用总结
在这一篇中我们实现了FM25xxx FRAM存储器的驱动程序并在次驱动程序的基础上设计了简单的验证应用。无论是写数据还是读数据均可顺利执行说明我们的驱动设计是正确的。
FM25xxx FRAM存储器与其他非易失性内存技术不同F-RAM没有有效的写延迟。由于底层内存的读和写访问时间相同因此用户不会在总线上体验延迟。整个内存周期的时间比一个总线时钟还短。因此任何操作包括读或写都可以在写之后立即执行。
需要注意的是4K512x8容量的FM25xxx FRAM存储器需要9为地址但在实际操作时只用了1个字节来装载地址最高位第9位地址借用了操作码的第4位来传送。
在使用驱动时需注意采用SPI接口的器件需要考虑片选操作的问题。如果片选信号是通过硬件电路来实现的我们在初始化时给其传递NULL值。如果是软件操作片选则传递我们编写的片选操作函数。
源码下载https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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