PFE13AL存储芯片_PFE13AL存储芯片[通俗易懂]

嵌入式开发–赛普拉斯cypress的铁电存储器FM25CL64B

简介

FM25CL64B是赛普拉斯cypress出品的一款铁电存储器，这种存储器最大的优势是可以像RAM一样随机存储，和按字节写入，也可以像ROM一样掉电仍然可以保存数据，是一种相当优秀的新型存储器，但是容量不能做得很大，只适合保存一些重要数据。

重要参数及解读如下：

64K位，即8K字节
100T的读写次数，这意味着即使对于同一单元，每毫秒读取或写入一次，也需要3170年才能消耗完这个次数，而我们对存储器的访问几乎不可能达到这样的频率，也不可能只访问一个数据单元，所以它的读写次数寿命虽然有限，但可以不在考虑之列。
151年的数据保存周期，除了极其特殊用途，基本上是足够的了，毕竟我们之前用的光盘和现在FLASH，数据保存周期也才10年而已。
SPI接口，频率支持到20M，可直接硬件替换SPI口的EEPROM，SPI支持MODO_0 (CPOL = 0, CPHA = 0)即时钟空闲时为低，第1个跳变沿采样数据；和MODO_3(CPOL = 1, CPHA = 1)即时钟空闲时为高，第2个跳变沿采样数据。看手册是自动识别，但我没有测试。
受保护以避免写入的区域为：1/4或1/2或全片保护可选
8脚的SOP或DFN封装
-40~85度温度

芯片框图

封装

内部工作框图：

硬件电路图

我接的是MCU的SP1口，如下：

CubeMX初始化设置

PA15设置为GPIO输出，速度设为High，由软件控制这个片选引脚。

Motorola格式，16位数据，MSB，CPOL和CPHA参照之前的说明，CRC校验关闭，软件片选。
软件片选的原因是ST的SPI接口中，NSS不是通常意义上的片选， 一旦开启SPI，这个引脚就只能为低，不能为高。而且，如果SPI总线上还有其他设备，也只能用软件片选。
需要注意的是Baud Rate这里，不能超过20M

芯片操作

控制码

控制码共有6个，如下图

分别对应的是
WREN 写使能
WRDI 写禁止
RDSR 读状态寄存器
WRSR 写状态寄存器
READ 读操作
WRITE 写操作

其他操作无意义或者说不开放，后面会讲到。

写使能

这是8位命令。
在写入数据之前需要先进行写使能操作，否则无法写入
同时，在SO数据线上，无数据响应，也就是说写使能是单向操作，芯片没有回应。
具体时序如下：

写禁止WRDI

这是8位命令。
执行本命令后，对芯片的写操作无效。
同样的，在执行本命令时，SO无回应。

8位操作码

对于前面2个8位操作码，由于我们在CubeMX中，将SPI设置为16位数据，那么无法完成对8位操作码，即1字节的操作。
例如：当发送WRDI（0x04）时，解决方案有3个：
1 发送重复的操作指令，发送0x0404来实现，即2次同样的操作。
2 发送0x0004，或0x0400，由于0x00不是操作码，芯片不会对其响应。
3 发送8位操作码时，修改SPI的寄存器，以实现8位操作。发送完成后再改为16位模式。
我用的是方案1，实测工作正常，就不再折腾寄存器了。

读状态寄存器

16位操作命令
前8位是操作码RDSR（0x05），后8位SI可以没有任何数据，有也不影响。
同时，在后8位时，SO会有数据输出，结束后在SPI的DR寄存器可以看到结果，也就是状态寄存器SR的数据。
如果此时SO上没有观察到波形，说明配置有错误。

写状态寄存器

16位操作命令，前8位是操作码0x01，后8位是需要写入状态寄存器的值。
SO线没有波形输出。

写保护

需要注意的是，向SR写入数据时，读取的不一定和写入相同。这与写保护的相关设置有关联，而且只有BIT1，2，3，7位是有效位，其他的位读出来永远是0。
具体请查看写保护的相关部分，我是向状态寄存器写0，然后读到的值应该是0x02，也就是说开启写操作，而且状态寄存器和存储空间均不保护，处于可写的状态。
写入完成后，将WEL位设置为0即可，如下图是相关的位，与保护区域的表格。

读数据和写数据

这两个操作类似，就放到一块说了。
这是32位操作码，
开始的8位，是操作码
接下来的8位，是地址码的高8位，由于本芯片是64K位，即8K字节，也就是说，地址码的有效位是3+8=11位，所以本区段 只有3个数据位是有效位。当然对于不同容量的芯片来说，有效位数是不一样的。
第3个8位，是地址码的低8位
最后8位，是数据位，写数据时，在SI线上有波形，读数据时，在SO上有波形。

HOLD引脚

HOLD引脚是用来暂停当前操作的，必须在时钟信号为低期间，HOLD引脚才能为低，
此时时钟，SI这两根线可以任意变化
需要退出HOLD状态前，时钟必须为低，SO可任意。
当HOLD拉高后，继续之前的操作。
个人感觉这个功能不太实用，只有当软件模拟SPI时才用得上。硬件SPI时，有折腾时序的时间，SPI的活都干完了
不用这个功能的话，本引脚接高即可。

WP引脚

硬件写保护，提供对状态寄存器的保护。
该引脚为高时，禁止对状态寄存器写入。可防止误操作。
不用这个功能的话，本引脚接高即可。

写入次数分析

以下是对同一个数据单元进行重复读写的寿命评估。
第1列是SPI时钟频率
第2列是每秒可以访问的次数
第3列是每年的访问次数
第4列是可以不间断写入多少年

可以看出，即使以本芯片所能支持的最高速度20MHz，来不间断的对同一数据单元进行读写访问，仍然可以维持85年，这个寿命是妥妥的够了。
更何况我们不可能总是读写同一个数据单元，而且不可能以如此高的频率进行数据访问。
所以芯片的寿命是可以放心的。

相关代码

LL_FRAM.h文件的代码

#ifndef __LL_FRAM_H__
#define __LL_FRAM_H__


#include "LL_define.h"
#include "spi.h"

//状态寄存器 X表示无意义，默认值是0
// BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0
// WPEN X(0) X(0) X(0) BP1 BP0 WEL X(0)
// WEL: 1为写使能，0为禁止写
// BP0,BP1: 块保护
// WPEN: 

#define FRAM_WREN 0x06 //写入使能，即设置WEL位 在写操作（WRSR和WRITE）之前，必须先发本命令
#define FRAM_WRDI 0x04 //写入禁止，即清除WEL位 本操作会禁止写操作（WRSR和WRITE），此后即使发送（WRSR和WRITE）也无效
#define FRAM_RDSR 0x05 //读状态寄存器
#define FRAM_WRSR 0x01 //写状态寄存器，前序操作为FRAM_WREN
#define FRAM_READ 0x03 //读
#define FRAM_WRITE 0x02 //写，前序操作为FRAM_WREN


#define SPI1_NSS(n) (n?HAL_GPIO_WritePin(SPI1_NSS_GPIO_Port, SPI1_NSS_Pin, GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(SPI1_NSS_GPIO_Port, SPI1_NSS_Pin, GPIO_PIN_RESET))


extern u8 spi_read_data;  //spi读取的数值


u8 LL_fram_read_sr(void);
u8 LL_fram_write_sr(u8 value);
u8 LL_fram_read(u16 addr, u8 ret_data);
u8 LL_fram_write(u16 addr, u8 value);

#endif

LL_FRAM.c文件的代码

#include "LL_FRAM.h"

u8 spi_read_data=0;
u8 spi_tx_data[10] = { 
   0x06};


u8 LL_fram_read_sr(void)  //读状态寄存器，其返回值是状态寄存器的内容
{ 
   
  u8 data[4];
  u8 ret;
  
  //写使能
  data[0] = FRAM_WREN;
  data[1] = FRAM_WREN;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, 1, 100);
  SPI1_NSS(1);

  //读状态寄存器,必须先有写使能操作FRAM_WREN 0x05
  data[0] = 0;
  data[1] = FRAM_RDSR;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, data, &ret, 1, 10);
  SPI1_NSS(1);
  
  return ret;
}


u8 LL_fram_write_sr(u8 value)   //写状态寄存器，其函数的参数是向状态寄存器写入的内容
{ 
   
  u8 data[4];
  u8 ret;
  
 
  //写使能
  data[0] = FRAM_WREN;
  data[1] = FRAM_WREN;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, 1, 100);
  SPI1_NSS(1);


  //写状态寄存器 0x01
  data[0] = value;
  data[1] = FRAM_WRSR;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, data, &spi_read_data, 1, 10);
  SPI1_NSS(1);

  return 0;
}


//读操作
//addr：读取地址
//ret_data: 读取的数据保存在此处
u8 LL_fram_read(u16 addr, u8 ret_data)
{ 
   
  u8 data[4];
  u8 ret;
  u8 state;

  //读存储器 0x02
  data[0] = addr>>8;
  data[1] = FRAM_READ;
  data[2] = 0x00;
  data[3] = (u8)(addr&0x00ff);
  
  SPI1_NSS(0);
  state = HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, data, &spi_read_data, 2, 20);   //(&hspi1, data, &ret, 2, 10);
  SPI1_NSS(1);

  if(state == 0)
  { 
   
    spi_read_data = (u8)hspi1.Instance->DR;
    ret = 0;
  }
  else
  { 
   
    ret = state;
  }
  return ret;
}


//写操作
//addr：写入地址
//ret_data: 写入的数据
u8 LL_fram_write(u16 addr, u8 value)
{ 
   
  u8 data[4];
  u8 ret;
  
  //写使能
  data[0] = FRAM_WREN;
  data[1] = FRAM_WREN;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, 1, 100);
  SPI1_NSS(1);


  //写存储器 0x02
  data[0] = addr>>8;
  data[1] = FRAM_WRITE;
  data[2] = value;
  data[3] = addr&0xff;
  SPI1_NSS(0);
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, data, &ret, 2, 10);
  SPI1_NSS(1);
  
  return ret;

}

测试读写

  while(1)
  { 
   
    LL_fram_write_sr(0x000);    //取消保护，以准备写入
    if(LL_fram_read_sr() == 0x02)         //读取状态寄存器，应该是0x02
    { 
   
      for(i=0; i<8*1024; i++)
      { 
   
        LL_fram_write(i,(u8)i);
        j++;
        temp = LL_fram_read(i, spi_read_data);
        if(temp == 0)
        { 
   
          if(spi_read_data != (u8)i)
          { 
   
            //读出的数据与写入的数据不相等
            LED_ERR(1);
            goto begin;
          }
        }
        else
        { 
   
          //LL_fram_read()函数返回值不是0，表示运行出错，DR寄存器内的数据不能保证正确性
          LED_RUN(1);
          goto begin;
          j++;
        }
      }
    }
  }

begin: 

这一段函数不停的执行写入和读取操作，并进行比对。
如果SPI操作异常，则亮起LED_RUN灯，并跳转到begin处，
如果读取的结果，和写入的数据比对错误，则亮起LED_ERR灯，并跳转到begin处。
经长时间运行（截止发文，已6小时以上），发现正常运行时工作正常，未出现错误跳转。
带上仿真器全速运行时，会不时跳转到LED_RUN(1)处，也就是说SPI函数的运行不正确，显然是由于连接了仿真器造成的。但是不会跳转到LED_ERR(1)处，也就是说不会出现读取的数据不正确的情况。

总结

为了保证数据正确，应当判断LL_fram_read()函数的返回值，应当是0，此时再去读取数据才是正确的，否则会有错误的风险。

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