嵌入式系統中非易失、不可復位計數器的實現

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。

設計目標

有些應用中，考慮到質保期的要求，希望能夠對特定的事件進行計數和記錄，例如上電次數、工作時間、硬(按鈕)復位和超時。傳統的電子計數器通常由雙穩態多諧振蕩器組成，采用二進制編碼，如圖1所示。當全部觸發器復位時，則達到最大計數值，計數器規模由核查期限內允許發生某些事件的最大次數決定。

圖1. 二進制碼中，下一位比上一位位值翻倍。

定位需求

盡管基于觸發器的計數器很容易搭建，但它存在一個缺點。當達到計數限值時，計數器反轉為零(自動復位)。工作狀態也是易失的—需要電源維持其計數狀態。第一個問題可通過達到限值時凍結計數器解決；也可以通過安裝電池維持計數器的供電，從而解決第二個問題。但這些措施在實際應用中可能無法接受，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存儲器中儲存的數值加載到計數器。然而，除非NV存儲器嵌入另一個芯片，例如微控制器或FPGA，否則存儲器內容并不安全，因為存儲器芯片很容易拆除、重新編程(復位)，然后重新安裝到電路板上。因此，這種方法不滿足不可復位的要求。

傳統設計

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得到廣泛使用。出廠時，EPROM的全部字節為FFh。通過將某一位從1 (擦除)置為0 (編程)來儲存數據；編程需要12V至13V脈沖電壓。加載新數據之前，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OTP EPROM一次可編程(1至0)及不可擦除的特點與現代EEPROM技術相結合，能夠得到EPROM仿真模式的新特性。EPROM仿真模式是實現非易失、不可復位計數器的關鍵技術。

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，系統自動裝載包含尋址存儲器數據的頁緩存器內容。對于EPROM仿真模式，按照移位寄存器寫緩存器(圖2)。輸入新數據(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據(S-OUT)相組合。因此，“與”門確保存儲器位在置為0后不會變為1。經過一個完整的頁操作周期后，緩存器的數據再次與存儲器頁中的數據對齊。隨后可以開始一個寫周期，將整個緩存器內容復制到非易失EEPROM。


圖2. EPROM仿真將新數據與已有數據位相“與”，寫回到存儲器。

EPROM計數

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

圖3. EPROM計數要求對每一位設置相同值。